CHƯƠNG 1: Sau khi học xong chương này sinh viên cần: • Trình bày được nguyên lý chung trong thiết kế công trình; • Trình bày được các nguyên tắc khi thiết kế công trình bê tông cốt thép (BTCT): đảm bảo phù hợp giữa kiến trúc và kết cấu; đảm bảo tính khả thi của phương án thiết kế; đảm bảo các yêu về kỹ thuật và kinh tế; tính toán được tải trọng, nội lực, tiết diện và trình bày được bản vẽ thiết kế BTCT; • Mô tả được quy trình tính toán thiết kế công trình BTCT.1 Nguyên lý chung Nguyên lý chung trong thiết kế công trình là giải pháp thiết kế được đề xuất cần đảm bảo về: sự phù hợp lẫn nhau giữa kết cấu và kiến thúc; tính khả về kỹ thuật và hiệu quả kinh tế của phương án. Quan hệ giữa kết cấu kiến trúc và kết cấu Giải pháp kiến trúc và kết cấu của một cần phải phù hợp với nhau, đây là một mối quan hệ chặt chẽ, liên quan lẫn nhau. Khi đưa ra giải pháp kiến trúc nào đó thì phương án kết cấu cho giải pháp đó phải đảm bảo được, hoặc đảm bảo được về mặt kỹ thuật thì về mặt kính tế và thẫm mỹ cũng đảm bảo. Hình dáng (chiều cao, hình khối) và không gian kiến trúc công trình được hình thành nên từ các hệ kết cấu là khung, vách, vòm,….
Khi lựa chọn phương án, giải pháp về kiến trúc cho công trình, người kiến trúc sư phải hình dung sơ bộ giải pháp kết cấu khả thi có thể thực hiện được, phù hợp với phương án kiến trúc đưa ra. Hình dáng, chiều cao công trình sẽ có liên quan đến sự tác động của tải trọng ngang (gió động, động đất), tải trọng đứng, giải pháp về móng, vấn đề tác động nhiệt độ, lún lệch. Do đó khi đưa ra phương án kiến trúc cho công trình cần quan tâm đến giải pháp kết cấu. Nếu chỉ quan tâm đến sáng tác về kiến trúc, thẩm mỹ,… thì dễ dẫn đến mắc những sai lầm trong quá trình thiết kế, dễ dẫn đến bất khả thi của thiết kế công trình.
Do vậy, người thiết kế kiến trúc cần có hiểu biết cơ bản về kết cấu công trình. Tính khả thi của phương án thiết kế Phướng án thiết kế có tính khả thi không, có được thực thi không phụ thuộc vào nhiều yếu tố liên quan đến. Nhóm yếu tố về các yêu cầu kỹ thuật của công trình và các yêu cầu độ bền vững đáp ứng tuổi thọ đã xác định. Các yêu cầu các yêu cầu về các hệ thống kỹ thuật: Hệ thống điện, nước, Phòng cháy, chữa cháy, hệ thống thông tin liên lạc, hệ thông tháng máy, thang cuốn, âm thang, ánh sáng,… Bên cạnh đó công nghệ thi công hiện có có đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật trong xây dựng, đảm bảo chất lượng công trình.
Yếu tố giá thành công trình phải hợp lý (tổng mức đầu tư) với phương án thiết kế đề xuất. Do vậy, khi triển khai thiết kế, sáng tác giải pháp kiến trúc chúng ta phải tuân thủ các nguyên tắc, tuân thủ quy trình thực hiện, tránh đưa ra ý tưởng kiến trúc “tự do”. Quy trình thực hiện thường đi từ các phương án đề xuất cơ sở, xét duyệt, thăm dò ý kiến, cuối cùng lựa chọn phương án khả thi nhất.2 Những nguyên tắc khi thiết kế kết cấu bê tông cốt thép Những yêu cầu về kinh tế kỹ thuật Các yêu cầu kinh tế kỹ thuật là tổng hợp tất cả các quy định, quy cách về kích thước, chất lượng,…. nhằm đảm bảo chất lượng công trình.
Công trình hoàn thành đảm bảo về mặt kỹ thuật thì đảm bảo về mặt kinh tế, kỹ thuật là yêu cầu bắt buộc phải tuân thủ. Về kỹ thuật Yếu tố về mặt kỹ thuật phải rõ ràng, minh bạch, đúng theo các nguyên tắc, quy định. Từ việc lựa chọn sơ đồ kết cấu, vật liệu, tải trọng, các hệ thống kỹ thuật, các biện pháp kỹ thuật thi công, tổ chức thi công,… Đối với sơ đồ kết cấu chịu lực của công trình bao gồm hệ thống chịu lực chính và hệ kết cấu Sàn phải đảm bảo các yêu cầu, các nguyên tắc. Sơ đồ kết cấu phải tường minh, rõ để qua đó người thiết kế hình dung sơ bộ được sự phân phối nội lực của hệ kết cấu.
Phương án kết cấu được chọn không nên thiên về sơ đồ dễ tính toán nội lực mà phải thiên về tính toán hợp lý của sự phân bố nội lực trong kết cấu. Nên chọn hệ kết cấu siêu tĩnh hơn là kết cấu tĩnh định, đối với các công trình càng phức tạp thì càng phải chọn bậc siêu tĩnh lớn. Đối với việc lực chọn vật liệu thì cần phải lựa chọn cẩn thận, phù hợp để vừa đảm bào chất lượng công trình, vừa đảm bảo về mặt kinh tế. Trong cuốn sách Kết cấu nhà Bê tông cốt thép của GS.
Ngô Thế Phong (cb) đã nêu: “ Vật liệu làm kết cấu phải được chọn lựa căn cứ vào điều kiện thực tế cho phép và yêu cầu cụ thể đối với công trình đang thiết kế. Nên ưu tiên dùng bê tông cường độ cao (đặc biệt là đối với cấu kiện chịu nén lớn) và cốt thép có gờ. Đối với các công trình lớn, có điều kiện sản xuất bê tông tập trung với những thiết bị kiểm tra cấp phối chuẩn xác nên dung bê tông vó cấp độ bền B25, B30, B40 và lớn hơn. Nên tạo mọi điều kiện để đưa bê tông cốt thép ứng lực trước vào các kết cấu có nhịp lớn và các cấu kiện lắp ghép”.
Khi xác định sự tác động của tải trọng lên công trình cần phải nắm rõ đặc điểm, tính chất từng tải trọng. Để tính toán tải trọng và tác dụng của tải trọng, cần phải dựa tiêu chuẩn TCVN 2737- 1995: Tải trọng và tác động, và các tiêu chuẩn khác như tải trọng về Động đất,… Khi tính tải trọng thì đối với công trình thông thường có các tải trọng tác dụng như: trọng lượng bản thân, hoạt tải sử dụng, gió, động đất…, ngoài ra còn có tác động của nhiệt độ, của co ngót và từ biến của bê tông, khả năng lún không đều của móng… 2 Cần lưu ý rằng, các tiêu chuẩn thiết kế không đề cập đến các tình huống mà kết cấu phải chịu trong quá trình làm việc lâu dài, người thiết kế kết cấu phải hình dung, lường trước những tình huống đó để có biện pháp dự phòng 1. Ngoài việc tính toán thiết kế công trình cho giai đoạn sử dụng, chúng ta cần lưu ý tính toán tải trọng cho giai đoạn thi công. Mỗi giai đoạn thi công, tương ứng với biện pháp thi công thì hệ kết cấu có một sơ đồ tương ứng.
Trong một số công trình, giai đoạn thi công có nội lực xuất hiện trong kết cấu lớn hơn trong giai đoạn sử dụng. Trong trường hợp này vừa phải điểu chỉnh kết cấu, vừa tìm biện pháp thí công hợp lý. Giải pháp thiết kế đưa ra phải đảm bảo khả thi về biện pháp thi công, nếu không khả thi thì giải pháp đó ko triển khai thực tế. Như vậy, người thiết kế cần có kiến thức về thi công, công nghệ thi công hiện đại.
Khi chọn phương án kết cấu và thi công thường phải cân nhắc giữa kết cấu toàn khối (đổ tại chỗ), kết cấu lắp ghép và kết cấu nửa lắp ghép2. Với công nghệ thi công, công nghệ sản xuất bê tông thương phẩm phát triển mạnh do đó kết cấu bê tông cốt thép toàn khối được phát triển mạnh, được sử dụng rộng rãi trong xã hội. Chất lượng công trình bê tông cốt thép toàn khối vì thế được nâng cao, thời gian thi công được rút ngắn, đặc biết đối với kết cấu đặc biệt: nhà cao tầng, kết cấu vòm, cupon, kết cấu nhịp lớn,… Về kinh tế Khi phương án kết cấu được đề xuất thì phải có giá thành hợp lý. Giá thành của công trình được xác định bao gồm chi phí vật liệu, nhân công, máy thi công, chi phí khác,.
Khi xét trên một công trình, một phương án đưa ra có thể giá thành vật liệu lớn, hoặc giá nhân công lớn, hoặc chi phí cho máy, thiết bị lớn. Do vậy, cần có sự xem xét các phương án đề xuất để có sự hài hòa hợp lý giữa kỹ thuật và giá thành. Kết cấu phải được thiết kế sao cho biện pháp thi công khả thi để tiến độ thi công được bảo đảm, việc đưa công trình vào sử dụng đúng hạn có ý nghĩa kinh tế - xã hội to lớn không chỉ đối với các công trình công nghiệp mà cả đối với các công trình dân dụng và quốc phòng. Tải trọng tác dụng lên công trình Tải trọng là các lực chủ động tác dụng lên công trình.
Mỗi công trình thường chịu các loại tải trọng tác dụng như là:trọng lượng bản thân (tĩnh tải), hoạt tải sử dụng, gió, động đất, nổ,… Dựa và đặc điểm, tính chất tác động của tải trọng, có thể có nhiều cách phân loại tải trọng: tải trọng ngắn hạn và tải trọng dài hạn; tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời; hoạt tải và tĩnh tải; tải trọng tĩnh và tải trọng động; tải trọng cố định và tải trọng di động. TCVN 2737:1995 1 Ngô Thế Phong, Phan Quang Minh, Kết cấu nhà bê tông cốt thép, Nxb Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2015, trang 11. 2 Trong mấy năm gần đây kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép, bán lắp ghép ít được sử dụng hơn là kết cấu toàn khối 3 tiêu chuẩn thiết kế “Tải trọng và tác động” đã quy định đây đủ các tính chất, đặc điểm, giá trị của tất cả các loại tải trọng. Khi nói đến tải trọng nào đó, hay nói đến cách phân loại thì đi kèm là tính chất tác động của nó.
Phụ thuộc vào mục tiêu sử dụng mà chúng ta xem xét đặc điểm tác động của tải trọng ở khía cạnh phù hợp. Khi tính toán thiết kế thường xem xét sự tác động của tải trọng ở tính chất thường xuyên hay không thường xuyên của tải trọng. Trong TCVN 2737:1995 tiêu chuẩn thiết kế “Tải trọng và tác động”, tải trọng được chia thành tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời. Tải trọng thường xuyên (còn gọi là tĩnh tải) là tải trọng tác dụng thường xuyên, liên tục lên công trình, có giá trị, vị trí, phương, chiều không đổi theo thời gian.
Như vậy theo tính chất tác dụng đó, các tải trọng tác dụng thường xuyên như là: trọng lượng bản thân công trình, trọng lượng và áp lực của đất lấp, đất đắp…Lực ép trước trong kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước cũng được xem như tải trọng thường xuyên. Tải trọng thường xuyên thuộc loại tải trọng tác dụng dài hạn.