PBL9.1: Thiết kế kết cấu công trình cao tầng BTCT tại Đà Nẵng - ĐHBK Đà Nẵng

Tài liệu tham khảo đồ án PBL9.1 thiết kế kết cấu nhà cao tầng BTCT. Thuyết minh tính toán chi tiết kết cấu móng, khung, sàn và vách chịu lực.

• Tác giả: Đinh Viết Tiến
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Chính
• Trường học: Đại học Đà Nẵng - Trường Đại học Bách khoa - Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp
• Chuyên ngành: Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp
• Đề tài: Thiết kế kết cấu công trình nhà cao tầng BTCT
• Loại tài liệu: Đồ án
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Đà Nẵng

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đồ Án Thiết Kế Kết Cấu Nhà Cao Tầng BTCT

Đồ án mẫu thiết kế kết cấu nhà cao tầng BTCT là một công trình học tập quan trọng trong chương trình đào tạo kỹ sư xây dựng tại Đại học Bách Khoa Đà Nẵng. Dự án này được thực hiện bởi sinh viên Khoa Xây Dựng Dân Dụng và Công Nghiệp dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Văn Chính. Công trình cao tầng được đặt tại Đà Nẵng, trong thành phố với điều kiện được che chắn mạnh bởi các tòa nhà lân cận. Nhiệm vụ thiết kế bao gồm toàn bộ quá trình từ lựa chọn hệ kết cấu chịu lực, xác định tải trọng, mô hình hóa kết cấu đến tính toán chi tiết các bộ phận chính. Đồ án mẫu này yêu cầu sinh viên phải hoàn thành thuyết minh tính toán, bản vẽ kỹ thuật và trình bày slide với nội dung khoa học cao, chính xác và rõ ràng.

1.1. Quy Mô Và Vị Trí Công Trình

Công trình cao tầng BTCT được xây dựng tại Đà Nẵng với vị trí trong thành phố, có điều kiện địa hình được che chắn bởi các tòa nhà cao tầng xung quanh. Quy mô công trình gồm nhiều tầng với hệ kết cấu BTCT (bê tông cốt thép) chủ yếu, áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành. Đặc điểm địa lý này ảnh hưởng đến tính toán tải trọng gió và các yêu cầu thiết kế đặc biệt cho công trình trong môi trường đô thị.

1.2. Các Chỉ Tiêu Kinh Tế Kỹ Thuật

Chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của đồ án bao gồm các thông số về kích thước sàn, dầm, cột và móng cọc. Dự án yêu cầu tính toán chi tiết độ lún móng, kiểm tra chuyển vị đỉnh và chuyển lệch tầng theo trạng thái giới hạn thứ hai. Thống kê vật liệu, đặc biệt là cốt thép, được trình bày chi tiết trong bản vẽ và thuyết minh, phục vụ cho việc ước lượng kinh phí xây dựng công trình.

II. Lựa Chọn Phương Án Kết Cấu Và Thiết Kế Sơ Bộ

Lựa chọn hệ kết cấu chịu lực là bước quyết định trong quá trình thiết kế nhà cao tầng BTCT. Dự án xem xét hai phương án: kết cấu theo phương đứng (khung BTCT) và kết cấu theo phương ngang (sàn và dầm). Hệ kết cấu được chọn phải đáp ứng các yêu cầu về độ cứng, độ bền và tinh tế về mặt kinh tế. Phần móng được thiết kế là móng cọc dựa trên điều kiện địa chất của khu đất. Sơ bộ kích thước các bộ phận chịu lực được xác định theo hướng dẫn và kinh nghiệm, sau đó được kiểm tra và điều chỉnh qua các bước tính toán chi tiết.

2.1. Giải Pháp Kết Cấu Theo Phương Đứng Và Ngang

Giải pháp kết cấu theo phương đứng sử dụng hệ khung BTCT với các cột chịu tải trực tiếp và dầm chuyển tải từ sàn. Phương kết cấu ngang bao gồm sàn bê tông cốt thép thường hoặc sàn dầm, tùy theo span và tải trọng. Vách đせn cấu được thiết kế để chịu tải trọng ngang (gió, động đất) và cung cấp độ cứng cho công trình. Cấu kiện lõi thang máy đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thêm độ cứng cho công trình.

2.2. Thiết Kế Sơ Bộ Các Cấu Kiện Chính

Tiết diện sơ bộ sàn được chọn dựa trên span và tải trọng, thường trong khoảng h/L = 1/20 đến 1/25. Tiết diện dầm được xác định với tỷ lệ h/L = 1/10 đến 1/12, đảm bảo độ cứng cần thiết. Kích thước cột được tính dựa trên diện tích cần tiếp nhận tải trọng từ các tầng phía trên. Vách và lõi thang được thiết kế với độ dày phù hợp để chịu lực ngang hiệu quả.

III. Xác Định Tải Trọng Và Phân Tích Kết Cấu

Xác định tải trọng là bước crucial trong thiết kế công trình cao tầng BTCT. Đồ án bao gồm các loại tải trọng: trọng lượng bản thân của kết cấu, tải hoàn thiện (sàn, tường), hoạt tải tác dụng lên sàn theo tiêu chuẩn, và tải trọng gió được tính theo vị trí địa lý. Tải gió theo phương dọc và ngang nhà được xác định dựa trên vị trí công trình được che chắn trong thành phố. Mô hình hóa kết cấu được thực hiện bằng phần mềm chuyên dụng (ETABS, SAFE), từ đó xác định nội lực chi tiết cho từng cấu kiện. Phân tích dao động giúp kiểm tra tần số riêng của công trình so với tần số gió.

3.1. Các Loại Tải Trọng Tác Dụng Lên Công Trình

Tải trọng bản thân bao gồm trọng lượng kết cấu BTCT, tường, vách và các vật liệu hoàn thiện. Tải hoàn thiện bao gồm sàn, lát gạch, trần, và các hạng mục trang trí. Hoạt tải trên sàn được xác định theo tiêu chuẩn thiết kế (4-5 kN/m² cho nhà ở, cao hơn cho công cộng). Tải gió được tính dựa trên vận tốc gió cơ bản và hệ số động lực tại vị trí công trình được che chắn.

3.2. Tổ Hợp Tải Trọng Và Kiểm Tra Trạng Thái Giới Hạn

Tổ hợp tải trọng theo trạng thái thứ nhất (ULS - Ultimate Limit State) được sử dụng để kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu với các hệ số an toàn. Tổ hợp tải theo trạng thái thứ hai (SLS - Serviceability Limit State) dùng để kiểm tra chuyển vị đỉnh, chuyển lệch tầng và lật công trình. Các tiêu chí giới hạn được so sánh với giá trị cho phép theo tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt thép.

IV. Tính Toán Chi Tiết Và Thiết Kế Móng Cọc

Tính toán chi tiết bao gồm thiết kế sàn, dầm khung điển hình, cột và các cấu kiện khác. Sàn bê tông được tính toán sử dụng phương pháp dải thiết kế (strip method) trên phần mềm SAFE, xác định nội lực và bố trí cốt thép chi tiết. Dầm khung được tính toán với các nội lực từ mô hình ETABS, thiết kế cốt thép chịu momen dương, âm và cốt đai. Cột được kiểm tra khả năng chịu nén và uốn kết hợp. Thiết kế móng cọc dựa trên điều kiện địa chất: chọn loại cọc, kích thước, xác định số lượng cọc, kiểm tra sức chịu tải và tính độ lún. Đài cọc được thiết kế để phân phối tải từ cột xuống cọc.

4.1. Tính Toán Sàn Và Dầm Khung Điển Hình

Tính sàn bê tông sử dụng mô hình dải (strip) trong phần mềm SAFE với các điều kiện biên tương ứng. Xác định nội lực momen và lực cắt để thiết kế cốt thép. Kiểm tra độ võng và khả năng chịu lực sàn theo tiêu chuẩn EC2 hoặc tiêu chuẩn Việt Nam. Dầm khung được tính với nội lực từ sàn, thiết kế cốt thép chịu momen âm và dương, cốt đai chịu lực cắt, cốt treo cho các khoảng trống.

4.2. Thiết Kế Móng Cọc Và Đài Cọc

Chọn loại cọc dựa trên điều kiện địa chất khu đất (cọc khoan nhồi hay cọc đúc sẵn). Kích thước cọc được xác định dựa trên sức chịu tải đơn vị. Số lượng cọc được tính từ nội lực cột chia cho sức chịu tải một cọc. Kiểm tra tải trên mũi cọc và độ lún của móng cọc. Đài cọc được thiết kế để chuyển tải từ cột sang cọc với độ dày và cốt thép phù hợp, kiểm tra cắt ngang và cắt xiên.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KIẾN TRÚC, CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ, KỸ THUẬT 1. Tổng quan công trình 1. Quy mô công trình - Tên công trình: Chung cư Lotus Luxury – Đà Nẵng Hình 1.Hình ảnh tổng mặt bằng công trình - Tòa nhà gồm 19 tầng bao gồm:  18 tầng nổi và 1 tầng hầm.

 Mặt bằng nhà hình chữ nhật có kích thước: 40x24 m.  Chiều cao tầng điển hình là 3,3 m.  Diện tích xây dựng: 960 .Thiết kế kết cấu công trình cao tầng GVHD: PGS. Nguyễn Văn Chính Công trình có tổng chiều cao là 60,3 m kể từ cốt ±0,R00.Hình ảnh mặt bằng Kiến trúc Tầng 2-18 Nhóm 3-20N67A 2 PBL 9.Thiết kế kết cấu công trình cao tầng GVHD: PGS.

Nguyễn Văn Chính Hình 1.Hình ảnh mặt bằng kiến trúc Tầng 1 Nhóm 3-20N67A 3 PBL 9.Thiết kế kết cấu công trình cao tầng GVHD: PGS. Nguyễn Văn Chính Hình 1.Hình ảnh mặt đứng trục 1-6 kiến trúc công trình Nhóm 3-20N67A 4 PBL 9.Thiết kế kết cấu công trình cao tầng GVHD: PGS. Nguyễn Văn Chính Hình 1.Hình ảnh mặt đứng trục A-D kiến trúc công trình 1. Vị trí địa lý và địa hình: + Vị trí địa lý: Công trình được xây dựng ở Thành phố Đà Nẵng nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình, nhiệt độ cao và ít biến động.

Khí hậu Đà Nẵng là nơi chuyển tiếp đan xen giữa khí hậu cận nhiệt đới ở miền Bắc và nhiệt đới xavan ở miền Nam, với tính trội là khí hậu nhiệt đới ở phía Nam. Mỗi năm có 2 mùa rõ rệt: mùa mưa từ tháng 9 đến tháng 12 và Nhóm 3-20N67A 5 PBL 9.Thiết kế kết cấu công trình cao tầng GVHD: PGS. Nguyễn Văn Chính mùa khô từ tháng 1 đến tháng 8, thỉnh thoảng có những đợt rét mùa đông nhưng không đậm và không kéo dài. + Điều kiện địa hình: Địa hình thành phố Đà Nẵng vừa có đồng bằng vừa có núi, vùng núi cao và dốc tập trung ở phía Tây và phía Tây Bắc, từ đây có nhiều dãy núi chạy dài ra biển, một số đồi thấp xen kẽ vùng đồng bằng ven biển hẹp.

Đồng bằng ven biển là vùng đất thấp chịu ảnh hưởng của biển bị nhiễm mặn, là vùng tập trung nhiều cơ sở nông nghiệp, công nghiệp, dịch vụ, quân sự, đất ở và các khu chức năng của thành phố. Địa hình khu đất xây dựng nằm ở khu vực đồng bằng ven biển, nhìn chung là vùng đất thấp và tương đối bằng phẳng. Địa chất thuỷ văn: Theo kết quả khảo sát thì đất nền gồm các lớp đất khác nhau. Do độ dốc các lớp nhỏ, chiều dày khá đồng đều nên một cách gần đúng có thể xem nền đất tại mọi điểm của công trình có chiều dày và cấu tạo như mặt cắt địa chất điển hình.

Theo hồ sơ khảo sát độ sâu mực nước ngầm ổn định ở -8 m so với mặt đất tự nhiên. Nước không có tính ăn mòn đối với vật liệu bê tông. *Địa tầng được phân chia theo thứ tự từ trên xuống như sau: Bảng 1. Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất Dung Dung Độ ẩm tự Giới hạn Giới hạn Góc nội Lực Môđun Bề dày trọng trọng hạt nhiên nhão dẻo ma sát dính biến dạng SPT Lớp (N60) Loại đất (i) hi γi γh W Wnh Wd ϕci Ctc Eo (m) (kN/m3) (kN/m3) (%) (%) (%) (kN/m2) (MPa) 1 Sét pha xám xanh 6.5 24 12 22 20 2 Sét pha xám đen 4.5 20 24 18 18 25 14 17 4 Cát hạt nhỏ và trung 8 19.5 18 - - 35 1 30 50 5 Cát thô lẫn ít cuội sỏi - 20.Thiết kế kết cấu công trình cao tầng GVHD: PGS.

Nguyễn Văn Chính CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU 2. Lực chọn kết cấu chịu lực 2. Cơ sở lựa chọn hệ kết cấu Kết cấu chịu lực chính của công trình được lựa chọn dựa trên các cơ sở sau: - Thoả mãn kiến trúc.

- Chiều cao công trình tính từ mặt đất tự nhiên: 63 m. - Mặt bằng nhà hình vuông với chiều dài là 30m và chiều rộng là 30m. - Công năng của công trình là văn phòng cho thuê Theo đó ta lựa chọn hệ kết cấu chịu lực chính là khung kết hợp với vách. Lựa chọn giải pháp kết cấu theo phương đứng Hệ kết cấu chịu lực thẳng đứng có vai trò quan trọng đối với kết cấu nhà nhiều tầng bởi vì:  Chịu tải trọng của dầm sàn truyền xuống móng và xuống nền đất.

 Chịu tải trọng ngang của gió và áp lực đất lên công trình.  Liên kết với dầm sàn tạo thành hệ khung cứng, giữ ổn định tổng thể cho công trình, hạn chế dao động và chuyển vị đỉnh của công trình.  Hệ kết cấu chịu lực theo phương đứng bao gồm các loại sau :  Hệ kết cấu cơ bản: Kết cấu khung, kết cấu tường chịu lực, kết cấu lõi cứng, kết cấu ống.  Hệ kết cấu hỗn hợp: Kết cấu khung-giằng, kết cấu khung-vách, kết cấu ống lõi và kết cấu ống tổ hợp.

 Hệ kết cấu đặc biệt: Hệ kết cấu có tầng cứng, hệ kết cấu có dầm truyền, kết cấu có hệ giằng liên tầng và kết cấu có khung ghép. Căn cứ vào quy mô công trình (18 tầng + 1 hầm) sử dụng hệ chịu lực khung lõi (khung chịu toàn bộ tải trọng đứng và lõi chịu tải trọng ngang cũng như các tác động khác đồng thời làm tăng độ cứng của công trình) làm hệ kết cấu chịu lực chính cho công trình. Giải pháp kết cấu theo phương ngang Việc lựa chọn giải pháp kết cấu sàn hợp lý là việc làm rất quan trọng, quyết định tính kinh của công trình. Công trình càng cao, tải trọng này tích lũy xuống cột các tầng dưới và móng càng lớn, làm tăng chi phí móng, cột, tăng tải trọng ngang do động đất.Thiết kế kết cấu công trình cao tầng GVHD: PGS.

Nguyễn Văn Chính Các loại kết cấu sàn đang được sử dụng rông rãi hiện nay gồm: Hệ sàn sườn Sàn không dầm Sàn không dầm ứng lực trước Sàn bê tông BubbleDeck Căn cứ yêu cầu kiến trúc, lưới cột, công năng của công trình, ta có thể chọn giải pháp sàn sườn toàn khối. Giải pháp kết cấu phần móng Hệ móng công trình tiếp nhận toàn bộ tải trọng của công trình rồi truyền xuống móng. Với quy mô công trình 1 tầng hầm, 18 tầng làm văn phòng nên đề xuất phương án móng cọc khoan nhồi. Vật liệu Vật liệu xây dựng cần có cường độ cao, trọng lượng nhỏ, chống cháy tốt.

Vật liệu có tính biến dạng cao: khả năng biến dạng cao có thể bổ sung cho tính năng Vật liệu có tính thoái biến thấp: có tác dụng tốt khi chịu tác dụng của tải trọng lặp lại (động đất, gió bão). Vật liệu có tính liền khối cao: có tác dụng trong trường hợp có tính chất lặp lại, không bị tách rời các bộ phận công trình. Trong lĩnh vực xây dựng công trình hiện nay chủ yếu sử dụng vật liệu thép hoặc bê tông cốt thép với các lợi thế như dễ chế tạo, nguồn cung cấp dồi dào. Ngoài ra còn có các loại vật liệu khác được sử dụng như vật liệu liên hợp thép – bê tông (composite), hợp kim nhẹ… Tuy nhiên các loại vật liệu mới này chưa được sử dụng nhiều do công nghệ chế tạo còn mới, giá thành tương đối cao.

Do đó, chọn vật liệu cho công trình là bê tông cốt thép. a) Bê tông Bảng 2. Bê tông STT Cấp độ bền Kết cấu sử dụng Bê tông cấp độ bền B30: Rb = 17 MPa Kết cấu chính: móng, cột, dầm, sàn, 1 Rbt = 1.103 MPa vách Nhóm 3-20N67A 8 PBL 9.Thiết kế kết cấu công trình cao tầng GVHD: PGS. Nguyễn Văn Chính 2 Vữa xi măng cát B5 Vữa xi măng xây, tô trát tường nhà b) Cốt thép Bảng 2.Cốt thép STT Loại thép Đặc tính/ kết cấu sử dụng Thép CB400v có Rs = Rsc = 350 MPa 1 Rsw = 280 MPa ; Es = 2.106 Mpa Cốt thép có > 12mm Thép CB300T có Rs = Rsc = 260 MPa 2 Cốt thép có ≤ 12 mm Rsw = 210 MPa ; Es = 2.106 Mpa c) Mặt bằng tầng điển hình Hình 2.Mặt bằng tầng điển hình 2.

Sơ bộ kích thước các cấu kiện của công trình 2. Tiết diện sơ bộ sàn - Khi : Bản làm việc theo phương cạnh ngắn (Bản loại dầm).Thiết kế kết cấu công trình cao tầng GVHD: PGS. Nguyễn Văn Chính - Khi : Bản làm việc theo cả 2 phương (Bản kê 4 cạnh). Trong đó , lần lượt là kích thước theo phương cạnh dài và cạnh ngắn.

Chọn chiều dày bản sàn theo công thức: với hb ≥ hmin = 60. + Bản kê 4 cạnh có m = 40 ÷ 45. Ta chọn m = 40 + Bản kê dầm có m = 30 ÷ 35. Ta chọn m = 30 + l1 : chiều dài cạnh ngắn của ô sàn.Mặt bằng chia ô sàn tầng điển hình Nhóm 3-20N67A 10 PBL 9.Thiết kế kết cấu công trình cao tầng GVHD: PGS.

Nguyễn Văn Chính Bảng 2.4 Phân loại sàn tính toán và chiều dày các ô sàn Phân loại sàn tính toán và chiều dày các ô sàn Chiều dày sơ bộ Kích thước Tỉ số Loại bản (mm) chọn hb Tên ô D m sàn Bản Bản (mm) K = l2/l1 hb = d/m l1 (m) kê dầm (mm) S1 4000 8000 2 x 1 40 100 0,12 S2 4000 8000 2 x 1 40 100 0,12 S3 2900 8000 2,759 x 1 30 96,67 0,1 S4 2900 8000 2,759 x 1 30 96,67 0,1 S5 2900 8000 2,759 x 1 30 96,67 0,1 S6 2900 8000 2,759 x 1 30 96,67 0,1 Vậy chọn chiều dày các ô sàn S1, S2 là 120mm S3, S4, S5, S6 là 100mm 2. Tiết diện sơ bộ dầm a) Dầm chính: Chiều cao dầm chính được sơ bộ theo công thức: (mm); Trong đó L là nhịp dầm. → Chọn chiều cao dầm hd = 700mm Chiều rộng dầm được sơ bộ theo công thức: b d=( 0 ,3 ÷ 0 , 5 ) hd =210÷ 350 (mm) → Chọn chiều rộng dầm bd = 300mm Nhóm 3-20N67A 11 PBL 9.Thiết kế kết cấu công trình cao tầng GVHD: PGS. Nguyễn Văn Chính b) Dầm phụ: - Chiều cao dầm phụ được sơ bộ theo công thức: (mm); Trong đó L là nhịp dầm.

→ Chọn chiều cao dầm hd = 500mm - Chiều rộng dầm được sơ bộ theo công thức: b d=( 0 ,3 ÷ 0 , 5 ) hd =150÷ 250 (mm) → Chọn chiều rộng dầm bd = 200mm 2. Tiết diện sơ bộ cột Ta có công thức xác định tiết diện sơ bộ cột [2]: Trong đó : A – Diện tích tiết diện cột N – Lực dọc tính toán gần đúng theo công thức: K – hệ số kể đến ảnh hưởng của momen. Rb – Cường độ chịu nén tính toán của bê tông.