CHƯƠNG 1: LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KẾT CẤU CHO CÔNG TRÌNH 1. Lựa chọn giải pháp kết cấu cho công trình Về mặt kết cấu, một ngôi nhà được xem là cao tầng khi mà độ bền vững và chuyển vị của nó do tải trọng ngang quyết định. Từ nhà thấp tầng đến nhà cao tầng có một sự chuyển tiếp quan trọng từ phân tích tĩnh học sang phân tích động học. Thiết kế nhà cao tầng so với nhà thấp tầng đặt ra một nhiệm vụ quan trọng cho kỹ sư kết cấu trong việc lựa chọn giải pháp kết cấu chịu lực cho công trình.
Việc chọn các hệ kết cấu chịu lực khác nhau có quan chặt chẽ đến các vấn đề về bố trí mặt bằng, hình khối, độ cao các tầng, yêu cầu kỹ thuật, tiến độ thi công, giá thành xây dựng. Nhà càng cao thì các yếu tố sau đây càng quan trọng: - Ảnh hưởng của tải trọng ngang do gió và động đất. - Chuyển vị ngang tải đỉnh nhà và chuyển vị lệch giữa các mức tầng nhà. - Gia tốc dao động.
- Ổn định tổng thể chống lật và chống trượt. - Độ ổn định của nền móng công trình. Do đó trong thiết kế nhà cao tầng phải quan tâm đến nhiều vấn đề phức tạp như xác định chính xác tải trọng, tổ hợp tải trọng, sơ đồ tính, kết cấu chịu lực, ổn định tổng thể và động học công trình. Phân tích lựa chọn giải pháp về hệ kết cấu chịu lực a.
Hệ khung chịu lực: Bao gồm hệ thống cột và dầm liên kết với nhau theo hai phương tạo thành hệ khung không gian vừa chịu tải trọng đứng, vừa chịu tải trọng ngang. Loại kết cấu này có ưu điểm là có không gian lớn, bố trí mặt bằng linh hoạt có thể đáp ứng đầy đủ yêu cầu sử dụng công trình.Tuy nhiên, hệ kết cấu khung có độ cứng ngang nhỏ, khả năng chịu tải trọng ngang kém, hệ dầm thường có chiều cao lớn nên ảnh hưởng đến công năng sử dụng và tăng chiều cao nhà.Các công trình sử dụng kết câu khung thường là những công trình có chiều cao không lớn.Với khung BTCT không quá 20 tầng, với khung thép cũng không quá 30 tầng. Kết cấu vách cứng: Là hệ kết cấu chịu lực cấu thành bởi những bức tường chịu lực và sàn nhà. Các vách cứng làm việc như những console đứng có chiều cao tiết diện lớn.
Trong hệ này, tường chịu lực thay thế dầm, cột trong khung để chịu các tải trọng đứng và tải trọng SVTH:NGUYỄN NHẬT MINH - LỚP: 53K2KTXD 9 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH - KHOA XÂY DỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ngang.Tải trọng ngang được truyền đến các vách cứng thông qua kết cấu sàn được xem là tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của chúng. Tường chịu lực ngoài chịu lực nén thẳng đứng do tải trọng thẳng đúng gây ra, còn phải chịu lực trượt và mômen do tải trọng ngang sinh ra. Ưu điểm của kết cấu vách là độ cứng lớn do đó khả năng chịu tải trọng ngang tốt hơn so với kết cấu khung và chuyển vị ngang nhỏ. Do đó tác dụng chính của vách là để tăng độ cứng (giảm chuyển vị ngang), tăng tải trọng ngang trong nhà cao tầng.
Nhược điểm của hệ vách là khả năng chịu tải của vách cứng phụ thuộc rất lớn về hình dạng tiết diện ngang và vị trí bố trí chúng trên mặt bằng.Nhà kết cấu vách có nhiều tường chịu lực nên không gian hẹp. Hệ lõi chịu lực: Lõi chịu lực có dạng vỏ hộp rỗng, tiết diện kín hoặc hở có tác dụng nhận toàn bộ tải trọng tác động lên công trình và truyền xuống đất. Phần không gian bên trong thường được chọn để bố trí các thiết bị vận chuyển theo phương đứng (thang máy, cầu thang,…) và các đường ống kỹ thuật (điện, nước…). Hệ lõi chịu lực có khả năng chịu tải trọng ngang khá tốt.
Hệ kết cấu khung, vách, lõi kết hợp: Trong hệ kết cấu này sự dụng kết hợp cả khung, tường và lõi chịu lực.Hệ thống vách cứng thường được tạo ra tại khu vực cầu thang bộ, cầu thang máy, khu vệ sinh hoặc tường biên. Hệ thống khung được bố trí khu vực còn lại. Hai hệ thống khung và vách cứng liên kết với nhau thông qua hệ thống sàn. Hệ kết cấu khung, vách, lõi khắc phục được nhược điểm của các hệ kết cấu riêng rẽ.
Việc sử dụng vách, lõi cùng chịu tải trọng ngang và đứng với hệ khung sẽ làm tăng hiệu quả chịu lực của kết cấu, đồng thời nâng cao hiệu quả sự dụng không gian. Đặc biệt có sự hỗ trợ của lõi làm giảm tải trọng ngang do gió tác dụng vào từng khung. Lõi thường được bố trí kết hợp với lồng thang máy nên không ảnh hưởng đến không gian sử dụng. Kết luận: Công trình đang xét có chiều cao 37m bao gồm các khu chung cư vì vậy đòi hỏi giải pháp kiến trúc phải tạo được không gian rỗng rãi, linh hoạt, phù hợp với công năng sử dụng của các tầng và đảm bảo khả năng chịu tải, làm việc của hệ kết cấu.
Bên cạnh đó, giải pháp kết cấu phải đảm bảo yếu tố kinh tế và công nghệ thi công trong khả năng đáp ứng của chủ đầu tư. Căn cứ vào bản vẽ kiến trúc và các phân tích ưu nhược điểm của từng hệ kết cấu trên đây, chọn sử dụng hệ kết cấu khung kết hợp với sơ đồ khung giằng. Hệ khung gồm các cột liên kết với dầm bố trí theo các trục chính giữa, chịu một phần tải trọng ngang và một phần tải trọng đứng tương ứng với diện chịu tải của nó. SVTH:NGUYỄN NHẬT MINH - LỚP: 53K2KTXD 10 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH - KHOA XÂY DỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.
Phân tích lựa chọn giải pháp kết cấu sàn a. Phương án sàn bêtông ứng lực trước không dầm: Cấu tạo hệ kết cấu sàn bao gồm các bản kê trực tiếp lên cột (có mũ cột hoặc không). - Ưu điểm: + Chiều cao kết cấu nhỏ nên giảm được chiều cao công trình, tiết kiệm được không gian sử dụng, dễ phân chia không gian. + Tiến độ thi công sàn ứng lưc trước (6 – 7 ngày/ 1 tầng/ 1000m2 sàn) nhanh hơn so với thi công sàn BTCT thường.
+ Do không có dầm giữa sàn nên công tác thi công lắp ghép ván khuôn cũng dễ dàng và thuận tiện từ tầng này sang tầng khác. Ván khuôn được tổ hợp thành những mảnglớn, không bị chia cắt do đó lượng tiêu hao vật tư giảm đáng kể, năng suất lao động được nâng cao… - Nhược điểm: + Tính toán tương đối phức tạp, mô hình tính mang tính quy ước cao, đòi hỏi nhiều kinh nghiệm vì phải thiết kế theo tiêu chuẩn nước ngoài. + Thi công phức tạp đòi hỏi quá trình giám sát chất lượng nghiêm ngặt. + Thiết bị và máy móc thi công chuyên môn hóa, đòi hỏi thợ tay nghề cao.
Phương án sàn sườn toàn khối BTCT: Bản sàn được liên kết với dầm hoặc tường theo các cạnh. Khi kết cấu sàn dầm độ cứng ngang của công trình sẽ tăng do đó chuyển vị ngang sẽ giảm. Do có hệ thống dầm đỡ nên nhịp sàn nhỏ hơn dẫn đến chiều dày sàn nhỏ, tiết kiệm vật liệu, giảm khối lượng tham gia dao động. Chiều cao dầm sẽ chiếm nhiều không gian phòng ảnh hưởng nhiều đến thiết kế kiến trúc, làm tăng chiều cao tầng.
Phương án sàn dày sườn BTCT (sàn ô cờ): Cấu tạo hệ kết cấu sàn bao gồm hệ dầm vuông góc với nhau theo hai phương, chia bản sàn thành các ô bản kê bốn cạnh có nhịp bé, theo yêu cầu cấu tạo khoảng cách giữa các dầm vào khoảng 3m. Các dầm chính có thể làm ở dạng dầm bẹt để tiết kiệm không gian sử dụng trong phòng. - Ưu điểm: + Số lượng cột giảm nên tiết kiệm được không gian sử dụng và có kiến trúc đẹp thích hợp với các công trình yêu cầu thẩm mỹ cao và không gian sử dụng lớn như hội trường, câu lạc bộ. + Khả năng chịu lực tốt thuận tiện cho bố trí mặt bằng.
- Nhược điểm: SVTH:NGUYỄN NHẬT MINH - LỚP: 53K2KTXD 11 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH - KHOA XÂY DỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP + Số lượng dầm nhiều nên tốt vật liệu, thi công phức tạp. Mặt khác khi mặt bằng sàn quá rộng cần phải bố trí thêm các dầm chính. Vì vậy, nó cũng không tránh khỏi được những hạn chế do chiều cao dầm chính lớn để giảm độ võng. Kết luận: Công trình đang xét, đối với hệ kết cấu chịu lực chính đã chọn và những phân tích về ưu nhược điểm của các hệ kết cấu sàn ở trên lựa chọn phương án sàn sườn bêtông cốt thép toàn khối.
Công trình với nhịp sàn lớn song trong khoảng hợp lý về mặt chịu lực và cả yếu tố kinh tế đối với phương án sàn sườn toàn khối. Như vậy hệ kết cấu tổng thể của công trình là hệ khung, và kết cấu sàn bêtông cốt thép toàn khối. Vật liệu - Bê tông sử dụng cho kết cấu bên trên và cọc dùng B25 với các chỉ tiêu như sau: + Khối lượng riêng: γ = 2500(kG/m3) + Cường độ tính toán:Rb = 14.5(MPa) + Cường độ chịu kéo tính toán: Rbt = 1.05(MPa) + Môđun đàn hồi: Eb = 3x104(MPa) - Cốt thép φ ≥ 10 dùng cho kết cấu bên trên và cọc dùng loại AIII với các chỉ tiêu: + Cường độ chịu nén tính toán: Rs = 365(MPa) + Cường độ chịu kéo tính toán: Rsc = 365(MPa) + Cường độ tính cốt thép ngang:Rsw = 285(MPa) + Mô đun đàn hồi:Es =2.1x105(MPa) - Cốt thép trơn φ ≤ 10 dùng loại AI với các chỉ tiêu: + Cường độ chịu nén tính toán: Rs = 225(MPa) + Cường độ chịu kéo tính toán: Rsc = 225(MPa) + Cường độ tính cốt thép ngang: Rsw = 175(MPa) + Mô đun đàn hồi: Es =2.1x105(MPa) + Vữa xi măng – cát, gạch xây tường: γ = 1800(kG/m3) + Gạch lát nền Ceramic: γ = 2000(kG/m3) - Trọng lượng riêng của vật liệu và hệ số vượt tải: Trọng lượng STT Vật liệu Đơn vị tính Hệ số vượt tải riêng 1 Bê tông cốt thép kG/m3 1800 1.3 2 Vữa ximăng trát, ốp lát kG/m3 2000 1.1 3 Gạch ốp lát kG/m3 2000 1.2 SVTH:NGUYỄN NHẬT MINH - LỚP: 53K2KTXD 12 TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH - KHOA XÂY DỰNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4 Đất đầm nện chặt kG/m3 2000 1.2 5 Tường xây gạch thẻ kG/m 3 1800 1.2 6 Bêtông lót móng kG/m3 2000 1. Lập mặt bằng kết cấu cho công trình Căn cứ vào mặt bằng kiến trúc tiến hành lập mặt bằng kết cấu cho tất cả các tầng (từ tầng 1 đến tầng mái).
Tên của các cấu kiện trên mặt bằng được đặt với nguyên tắc sau: + Các khung (kết cấu cột + dầm) được đặt tên Ki (với là số tự nhiên tương ứng với tên trục định vị → khung sẽ có tên là K1, K2,…).