Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép - Nguyễn Việt - Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Cẩm nang toàn diện hướng dẫn làm đồ án tốt nghiệp chuyên đề từ bước chọn đề tài, nghiên cứu, triển khai đến bảo vệ. Tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên.

• Tác giả: Nguyễn Việt
• Người hướng dẫn: TS. Lê Anh Thắng
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Công Trình Xây Dựng
• Đề tài: Chuyên đề tốt nghiệp 1-2-3
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về đồ án tốt nghiệp chuyên đề tốt nghiệp 1 2 3

Đồ án tốt nghiệp chuyên đề tốt nghiệp 1-2-3 là công trình học thuật cuối cùng trong chương trình đào tạo kỹ sư xây dựng. Nhiệm vụ chính yêu cầu sinh viên tổng hợp kiến thức từ nhiều học phần để thiết kế một công trình hoàn chỉnh. Người học phải tính toán và bố trí cốt thép cho các bộ phận cấu trúc của tòa nhà nhiều tầng. Tài liệu tham khảo thuộc ngành Công nghệ Kỹ thuật Công trình Xây dựng. Đề tài được thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên có trình độ tiến sĩ. Nội dung bao gồm ba phần lớn: thiết kế sàn, cầu thang và khung chịu lực. Mỗi phần đòi hỏi áp dụng tiêu chuẩn quốc gia về tải trọng và kết cấu bê tông cốt thép. Kết quả là bộ bản vẽ thi công kèm thuyết minh tính toán chi tiết.

1.1. Giới thiệu chung về đề tài và mục tiêu nghiên cứu

Đề tài thuộc chuyên đề tốt nghiệp của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Mục tiêu chính là thiết kế toàn bộ kết cấu chịu lực cho công trình nhà nhiều tầng. Sinh viên phải hoàn thành tính toán sàn, cầu thang và khung chính. Yêu cầu bao gồm xác định nội lực, bố trí cốt thép và kiểm tra độ võng. Đồ án đánh giá khả năng vận dụng lý thuyết vào thực tiễn của người học. Đây là điều kiện bắt buộc để xét cấp bằng kỹ sư xây dựng.

1.2. Phạm vi áp dụng và đối tượng nghiên cứu

Phạm vi áp dụng bao gồm thiết kế kết cấu nhà dân dụng và nhà công cộng nhiều tầng. Đối tượng nghiên cứu là khung bê tông cốt thép với hệ dầm, cột, sàn và cầu thang. Các tiêu chuẩn được sử dụng là TCVN 2737-1995 về tải trọng và TCVN 5574-2012 về bê tông cốt thép. Tiêu chuẩn nước ngoài BS 8110 cũng được tham khảo cho một số tính toán. Phần mềm phân tích bao gồm ETABS và SAFE 2016. Kết quả áp dụng được cho thiết kế nhà ở, văn phòng và công trình công cộng.

II. Phân tích các vấn đề trong thiết kế kết cấu công trình xây dựng

Thiết kế kết cấu công trình xây dựng đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Bài toán đầu tiên là xác định chính xác các loại tải trọng tác động lên công trình. Tải trọng bao gồm tĩnh tải từ bản thân kết cấu, tải trọng tường ngăn và hoạt tải sử dụng. Phương pháp tính toán nội lực sử dụng Phương pháp PTHH để tìm moment uốn và lực cắt. Kết quả phân tích cho thấy giá trị nội lực lớn nhất tại các vị trí nguy hiểm. Người thiết kế phải kiểm tra khả năng chịu lực tại tiết diện nguy hiểm của mỗi cấu kiện. Một vấn đề quan trọng khác là kiểm tra độ võng sàn nhà theo quy định. Giá trị độ võng giới hạn phải đảm bảo điều kiện sử dụng bình thường. Tải trọng gió cũng cần xem xét đối với nhà nhiều tầng. Giá trị tải gió tĩnh được tính và tổ hợp với các tải trọng khác để tìm trường hợp bất lợi nhất.

2.1. Xác định tải trọng và nội lực cho kết cấu bê tông cốt thép

Tải trọng tác động lên công trình được phân loại thành tĩnh tải và hoạt tải. Tĩnh tải bao gồm trọng lượng bản thân sàn, lớp phủ hoàn thiện và tường ngăn. Hoạt tải được xác định theo TCVN 2737-1995 tùy theo mục đích sử dụng. Nội lực được tính bằng Phương pháp PTHH với sơ đồ tính phù hợp. Kết quả cho thấy moment uốn âm tại neo và moment dương tại nhịp giữa. Giá trị lực cắt lớn nhất xuất tại vị trí cạnh cột. Các tổ hợp tải trọng được thực hiện theo quy chuẩn hiện hành để tìm trường hợp bất lợi.

2.2. Kiểm tra độ võng và điều kiện làm việc bình thường

Độ võng là yếu tố quan trọng đánh giá chất lượng kết cấu sàn. Theo tiêu chuẩn, độ võng tối đa cho phép phụ thuộc vào khẩu độ nhịp. Phần mềm SAFE 2016 được sử dụng để kiểm tra chính xác giá trị võng. Phân tích tính đến hiện tượng từ biến và co ngót của bê tông theo thời gian. Hệ số từ biến được tính theo tiêu chuẩn BS 8110 với điều kiện môi trường cụ thể. Kết quả cho thấy độ võng phải nhỏ hơn giới hạn cho phép để đảm bảo mỹ quan và an toàn. Các trường hợp tải trọng dài hạn và ngắn hạn được xem xét riêng biệt.

III. Giải pháp và phương pháp tính toán thiết kế sàn cầu thang khung

Giải pháp thiết kế sử dụng kết hợp lý thuyết kết cấu và công nghệ phần mềm hiện đại. Phần mềm ETABS được dùng để mô hình hóa khung nhà nhiều tầng. Chương trình cho phép phân tích tĩnh và động với độ chính xác cao. Đối với thiết kế sàn, bước đầu tiên là tính toán sơ bộ tiết diện dựa trên kinh nghiệm. Sau đó xác định tải trọng thường xuyên và hoạt tải tác dụng lên bề mặt. Kết quả phân tích được dùng để bố trí cốt thép theo tiết diện nguy hiểm. Phần mềm SAFE 2016 chuyên dụng cho phân tích sàn bê tông cốt thép. Công cụ này tính toán độ võng có xét đến hiện tượng co ngót và từ biến. Thiết kế cầu thang được thực hiện với sơ đồ tính bản dốc chịu tải trọng phân bố. Các yêu cầu cấu tạo phải tuân thủ quy định về khoảng cách cốt thép và chiều dày bảo vệ.

3.1. Sử dụng phần mềm ETABS và SAFE 2016 trong tính toán kết cấu

ETABS là phần mềm chuyên dụng cho phân tích và thiết kế nhà nhiều tầng. Công cụ này mô hình hóa khung không gian với đầy đủ tải trọng và tổ hợp. Người dùng khai báo hình học, vật liệu và điều kiện liên kết cho mô hình. SAFE 2016 dùng để phân tích sàn với khả năng tính độ võng chính xác. Phần mềm này hỗ trợ phân tích phi tuyến tính có xét vết nứt. Tác động dài hạn gồm từ biến và co ngót được tính bằng hệ số theo BS 8110. Kết quả xuất ra bao gồm biểu đồ nội lực và diện tích cốt thép yêu cầu.

3.2. Thiết kế và bố trí cốt thép cho sàn cầu thang và khung

Cốt thép dọc được bố trí theo diện tích tính toán tại tiết diện nguy hiểm. Thép đai được thiết kế để chịu lực cắt và liên kết cốt thép dọc. Đối với sàn, thép được bố trí theo hai phương chính và thép mũ tại neo. Cầu thang sử dụng thép bản dốc và thép phân bố theo quy định. Khung yêu cầu tính toán cốt thép riêng cho dầm và cột. Cột được tính theo tiết diện chịu lực nén lệch tâm. Khoảng cách cốt thép tối đa phải đảm bảo kiểm soát vết nứt. Chiều dày lớp bảo vệ tuân thủ tiêu chuẩn TCVN 5574-2012.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của đồ án tốt nghiệp chuyên đề 1 2 3

Đồ án tốt nghiệp chuyên đề tốt nghiệp 1-2-3 đã hoàn thành đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật. Kết quả tính toán được trình bày khoa học và logic theo từng cấu kiện. Các bộ phận sàn, cầu thang và khung đều đảm bảo khả năng chịu lực và điều kiện sử dụng. Kinh nghiệm thu được từ đồ án rất quý báu cho công việc thiết kế thực tế. Sinh viên học cách áp dụng tiêu chuẩn quốc gia và sử dụng phần mềm chuyên ngành. Kỹ năng phân tích kết cấu và giải quyết vấn đề kỹ thuật được rèn luyện qua từng bước. Ứng dụng thực tế của phương pháp tính toán rất rộng rãi trong ngành xây dựng. Các kỹ sư có thể áp dụng cho thiết kế nhà ở, văn phòng và công trình công cộng. Phần mềm ETABS và SAFE 2016 là công cụ không thể thiếu trong nghề thiết kế kết cấu. Đồ án cũng khẳng định tầm quan trọng của việc tuân thủ tiêu chuẩn quốc gia trong mọi tính toán.

4.1. Kết quả đạt được và ý nghĩa của đồ án tốt nghiệp

Đồ án đã hoàn thành thiết kế kết cấu cho toàn bộ công trình nhà nhiều tầng. Kết quả bao gồm tiết diện cốt thép cho sàn, cầu thang, dầm và cột. Độ võng được kiểm tra đảm bảo yêu cầu sử dụng theo tiêu chuẩn. Mô hình phân tích trên ETABS và SAFE cho kết quả tin cậy. Ý nghĩa lớn nhất là sinh viên tích lũy được kinh nghiệm thực tế quý báu. Đồ án cũng là minh chứng cho năng lực nghề nghiệp của kỹ sư mới ra trường. Đây là nền tảng vững chắc cho công việc thiết kế kết cấu chuyên nghiệp.

4.2. Ứng dụng thực tế và hướng phát triển trong ngành xây dựng

Phương pháp tính toán trong đồ án áp dụng được cho nhiều loại công trình khác nhau. Nhà ở cao tầng, tòa nhà văn phòng và trung tâm thương mại đều sử dụng kết cấu tương tự. Phần mềm ETABS và SAFE ngày càng được nâng cấp với nhiều tính năng mới. Hướng phát triển bao gồm áp dụng mô hình BIM trong thiết kế và quản lý thi công. Công nghệ trí tuệ nhân tạo cũng đang được tích hợp vào phần mềm kết cấu. Kỹ sư xây dựng cần liên tục cập nhật kiến thức và công nghệ mới. Đồ án tốt nghiệp là bước đệm quan trọng cho sự phát triển nghề nghiệp lâu dài.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I/ Giới thiệu chung: - Tên công trình: Văn phòng - Địa chỉ công trình: Vũng Tàu - Quy mô công tình. + Công trình bao gồm: 1 tầng trệt, 7 tầng lầu, 1 mái BTCT, mỗi tầng cao 3.5 m + Chiều cao công trình: 28 m tính từ mặt đất tự nhiên. + Kích thước L1 = 5.6 m, L4 = 4 m II/ Tải trọng tác động: II.1/ Tải đứng: II.1/ Tĩnh tải: - Tĩnh tải tác dụng lên công trình bao gồm: + Trọng lượng bản thân công trình. + Trọng lượng các lớp hoàn thiện, tường, kính, đường ống thiết bị… II.2/ Hoạt tải: - Hoạt tải tiêu chuẩn tác dụng lên công trình được xác định theo công năng sử dụng của sàn ở các tầng.2/ Tải ngang: - Công trình được đặt tại Thành Phố Tân An - Tỉnh Long An nên có phân vùng áp lực gió là IIA III/ Phương án thiết kế: - Căn cứ vào hồ sơ khảo sát địa chất, mặt bằng từ đề bài, tải trọng tác động vào công trình nên phương án thiết kế kết cấu được chọn như sau: + Hệ sàn dầm.

+ Hệ khung bê tông cốt thép đổ toàn khối. + Phương án thiết kế móng: móng cọc ép. IV/ Vật liệu sử dụng:  Bê tông - Bê tông sử dụng trong công trình là loại bê tông có cấp độ bền B20 với các thông số tính toán như sau:  Cường độ tính toán chịu nén: Rb = 11.5 MPa  Cường độ tính toán chịu kéo: Rbt = 0.9 MPa  Mô đun đàn hồi: Eb = 27000 MPa  Cốt thép - Cốt thép loại AI (đối với cốt thép có Ø ≤ 10)  Cường độ tính toán chịu nén: Rsc = 225 MPa SVTH: NGUYỄN VIỆT MSSV: 16349029 Trang 6 CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP  Cường độ tính toán chịu kéo: Rs = 225 MPa  Cường độ tính toán cốt ngang: Rsw = 175 MPa  Mô đun đàn hồi: Es = 210000 MPa - Cốt thép loại AIII (đối với cốt thép có Ø > 10)  Cường độ tính toán chịu nén: Rsc = 365 MPa  Cường độ tính toán chịu kéo: Rs = 365 MPa  Mô đun đàn hồi: Es = 200000 Mpa  Vật liệu khác:  Gạch: - Loại đặc: γ = 18 kN/m3 - Loại rỗng: γ = 15(kN/m3) 3  Gạch lát nền Ceramic: γ = 22 kN/m 3  Vữa xây: γ = 16 kN/m SVTH: NGUYỄN VIỆT MSSV: 16349029 Trang 7 CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN – THIẾT KẾ SÀN I/ Tính toán sơ bộ tiết diện: D 0.8 - Chiều dày bản sàn có thể chọn sơ bộ theo công thức sau: hb  m L  45  7000  124.44 mm  Chọn hb  120 mm - Xác định sơ bộ kích thước của dầm chính trục Y: 1 1  1 1  h dc      Ldc      7000   437  583 mm  16 12   16 12   Chọn hdc  500 mm  1 1   1 1      b   h    500  125  250 mm dc  4 2  dc  4 2   Chọn bdc = 200 mm - Xác định sơ bộ kích thước của dầm chính trục X: 1 1  1 1  h dc      Ldc      5500   343  458 mm  16 12   16 12   Chọn hdc  500 mm  1 1   1 1      b   h    500  125  250 mm dc  4 2  dc  4 2   Chọn bdc = 200 mm - Xác định sơ bộ kích thước của dầm phụ:  1 1   1 1  h dp      Ldp      7000   350  437 mm  20 16   20 16   Chọn hdp  400 mm  1 1   1 1      b   h    400  100  200 mm dc  4 2  dc  4 2   Chọn bdc = 200 mm SVTH: NGUYỄN VIỆT MSSV: 16349029 Trang 8 CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP II/ Tải trọng: II.1/ Tải trọng thường xuyên do các lớp sàn: Bảng 1: Trọng lượng các lớp cấu tạo sàn Trọng lượng Tĩnh tải tiêu Tĩnh tải tính Cấu tạo sàn Bề dày Hệ số tin cậy riêng chuẩn toán thường (m) 3 2 n 2 (kN/m ) (kN/m ) (kN/m ) Gạch Ceramic 0.468 Tải trọng thiết bị 0.55 Lớp vữa trát trần 0.351 Tổng tải cấu tạo 1.59 Bảng 2: Trọng lượng các lớp cấu tạo sàn nhà vệ sinh Trọng lượng Tĩnh tải tiêu Tĩnh tải tính Cấu tạo sàn Bề dày Hệ số tin cậy riêng chuẩn toán thường (m) 3 2 n 2 (kN/m ) (kN/m ) (kN/m ) Gạch Ceramic 0.22 Lớp tạo độ dốc 0.819 Lớp chống thấm 0.143 Tải trọng thiết bị 0.55 Lớp vữa trát trần 0.351 Tổng tải cấu tạo 1.2/ Tải trọng thường xuyên do tường xây: - Ta quy tải trọng tường ngăn thành tải phân bố đều trên các dầm ảo. Tải trọng do tường ngăn gây ra: g tt  n  δ t  q t  ht Trong đó: δ t : bề dày tường 2 q t : trọng lượng riêng của tường qt = 18 (kN/m ) n : hệ số vượt tải n = 1.1 SVTH: NGUYỄN VIỆT MSSV: 16349029 Trang 9 CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP h t : chiều cao tường ht = 3.1 (m) Bảng 3: Tải trọng tường ngăn δt ht qt gt.tt Các loại tường gạch n 2 (m) (m) (kN/m ) (kN/m) (kN/m) Tường 10 gạch ống 0.14 Tường 20 gạch ống 0.28 Tường 10 gạch ống 0.14 Tường 20 gạch ống 0.3/ Hoạt tải tác dụng lên sàn: - Hoạt tải tác dụng lên sàn được lấy theo tiêu chuẩn TCVN 2737-1995.

Hệ số vượt tải n, đối với tải trọng phân bố đều trên sàn xác định theo điều 4.3 tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 2 + Khi ptc < 2 kN/m thì n = 1.3 2 + Khi ptc ≥ 2 kN/m thì n = 1.2 Bảng 4: Hoạt tải tác dụng 2 2 Loại Phòng ptc (kN/m ) Hệ số vượt tải n ptt (kN/m ) Khu vực WC 1.6 III/ Xác định nội lực bằng Phương pháp PTHH. - Dưới tác động của tải trọng ngang, nội lực xuất hiện trong sàn không đáng kể (tải trọng ngang được truyền vào lỏi cứng), nội lực trong sàn xuất hiện chủ yếu do tải trọng đứng. Do đó, khi tính toán sàn, không nhất thiết phải tính đến ảnh hưởng của tải trọng ngang, mà chỉ xét các trường hợp tải trọng đứng. Bảng 5: Các trường hợp tải trọng tính toán.

SVTH: NGUYỄN VIỆT MSSV: 16349029 Trang 10 CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP Tên tải Loại TT Hệ số trọng lượng Ý nghĩa Giá trị khi khai báo 2 trọng bản thân (kN/m ) TTBT DEAD 1 Tải trọng BT sàn 3 TTCT DEAD 0 Tải trọng các lớp cấu tạo 1.53 TTTX DEAD 0 Tải trọng tường xây 5.16 HT LIVE 0 Hoạt tải sử dụng 1.5; 3; 2; 4 ADD (1TTBT, 1TTTX, Chuyển vị Tổng tải tác dụng 1TTCT, 1HT1, 1HT2) Tổ hợp ADD (1.1TTBT, Tính thép Tổng tải tác dụng 1.1/ Xác định nội lực. Hình 1: Mô hình sàn bằng phần mềm SAFE SVTH: NGUYỄN VIỆT MSSV: 16349029 Trang 11 CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP III.2/ Chia dãy, gán tải, mesh sàn  Để đơn giản trong việc xác định nội lực bản sàn, ta chia sàn thành những dãy theo hai phương X và Y, có 2 loại:  Dãy trên cột (Column Strip) với bề rộng bằng 1m  Dãy giữa nhịp (Middle Strip) với bề rộng bằng 1m Hình 2: Sàn được chia thành từng dãy theo phương X SVTH: NGUYỄN VIỆT MSSV: 16349029 Trang 12 CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP Hình 3: Sàn được chia thành từng dãy theo phương Y Hình 4: Mesh sàn SVTH: NGUYỄN VIỆT MSSV: 16349029 Trang 13 CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP Hình 5: Gán tĩnh tải cấu tạo cho sàn SVTH: NGUYỄN VIỆT MSSV: 16349029 Trang 14 CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP Hình 6: Gán tải tường 2 Hình 7: Gán hoạt tải dưới 2kN/m. SVTH: NGUYỄN VIỆT MSSV: 16349029 Trang 15 CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP 2 Hình 9: Gán hoạt tải từ 2kN/m trở lên III.3/ Giá trị nội lực của bản sàn: Hình 10: Moment theo phương X SVTH: NGUYỄN VIỆT MSSV: 16349029 Trang 16 CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP Hình 11: Moment theo phương Y SVTH: NGUYỄN VIỆT MSSV: 16349029 Trang 17 CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP IV/ Tính toán và bố trí thép cho các ô sàn: Bảng 6: Bảng tính toán cốt thép sàn Momen M As b Chọn thép As chọn Ô sàn Ô bản Kí hiệu 2 SAFE (daNm) 2 (mm) ϕ a (mm ) (mm ) M1 7.6 6 100 283 Vệ sinh S1vs MI 6.7 8 180 279 Hành lang MII 4.5 6 150 189 SVTH: NGUYỄN VIỆT MSSV: 16349029 Trang 18 CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP M2 3.87 SVTH: NGUYỄN VIỆT MSSV: 16349029 Trang 19 CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP M2 4.2 6 200 142 Ban công S2bc M 2.3 SVTH: NGUYỄN VIỆT MSSV: 16349029 Trang 20 CHUYÊN ĐỀ TỐT NGHIỆP S4bc M 2.6 6 200 142 V/ TÍNH TOÁN KIỂM TRA ĐỘ VÕNG BẰNG PHẦN MỀM SAFE 2016 - Sự xuất hiện của vết nứt trong bê tông khi chịu lực, dẫn tới giảm độ cứng tiết diện và làm tăng độ võng - Sự làm việc dài hạn của kết cấu BTCT, cần xét tới các yếu tố từ biến và co ngót cũng như tác dụng dài hạn của các loại tải trọng. Theo TCXDVN 356-2005, độ võng toàn phần f được tính như sau: f = f1 - f2 + f3 Trong đó: + f1: độ võng do tác dụng ngắn hạn của toàn bộ tải trọng + f2: độ võng do tác dụng ngắn hạn của tải trọng dài hạn + f3: độ võng do tác dụng dài hạn của tải trọng dài hạn Với kết cấu sàn làm việc theo hai phương, việc tính võng chỉ tiện trong thực hành khi dùng phương pháp PTHH có kể đến các yếu tố trên khi tính biến dạng.

Dùng chương trình SAFE 2016 để tính toán độ võng trong thiết kế công trình là phù hợp với sự làm việc thực tế của công trình. - Tải trọng: để tính toán võng thông thường đưa vào các trường hợp tải sau: + DEAD: chỉ kể đến trọng lượng bản thân (Self Weight Multiplier = 1) + SDEAD: trọng lượng các lớp hoàn thiện sàn (Superimpose), và tải trọng phụ thêm. + LIVE: hoạt tải tác dụng lên sàn. Theo TCVN 2737-1995, hoạt tải cũng có thành phần tác dụng dài hạn, thường chiếm 20%-30% giá trị của hoạt tải toàn phần.

Để thuận tiện và đơn giản hóa việc khai báo tải trọng vào chương trình ta dùng hệ số 0.3 cho thành phần dài hạn của hoạt tải.