Giáo trình Kết cấu công trình - Chuyên ngành Kỹ thuật thi công (THCN, 2007)

Giáo trình kết cấu công trình chuyên sâu dành cho kỹ sư thi công. Tổng hợp kiến thức về thiết kế, tính toán và thi công các công trình xây dựng.

• Tác giả: Nguyễn Thị Xuân
• Người hướng dẫn: Phạm Quốc Tuấn
• Trường học: Trường Trung học Xây dựng Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật thi công
• Đề tài: Giáo trình Kết cấu công trình
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan giáo trình Kết cấu công trình NXB Hà Nội 2007

Giáo trình Kết cấu công trình do tác giả Nguyễn Thị Xuân biên soạn, Nhà xuất bản Hà Nội ấn hành năm 2007 với độ dày 313 trang. Đây là tài liệu giảng dạy chính thức dành cho hệ Trung học chuyên nghiệp (THCN) tại Hà Nội, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật thi công. Giáo trình được biên soạn theo Quyết định số 5620/QĐ-DB của Ủy ban nhân dân thành phố Hà Nội, trên cơ sở chương trình khung của Bộ Giáo dục và Đào tạo. Nội dung bao gồm các kiến thức cơ bản về kết cấu bê tông cốt thép, kết cấu thép và nguyên lý tính toán các bộ phận chịu lực trong công trình xây dựng. Tài liệu được đánh giá là hệ thống, cập nhật kiến thức thực tiễn phù hợp với đối tượng học sinh THCN Hà Nội. Giáo trình cũng phục vụ nhu cầu tham khảo cho các trường đào tạo kỹ thuật - nghiệp vụ và những người quan tâm đến lĩnh vực xây dựng.

1.1. Thông tin xuất bản và tác giả

Giáo trình do KS. Nguyễn Thị Xuân biên soạn, chịu trách nhiệm xuất bản bởi ông Nguyễn Khắc Oánh. Biên tập thực hiện bởi Phạm Quốc Tuấn, bìa thiết kế bởi Trần Quang. Ấn phẩm in 500 cuốn, khổ 17x24cm tại Nhà in Hà Nội thuộc Công ty Sách Hà Nội, địa chỉ 67 Phó Đức Chính, Ba Đình, Hà Nội. Quyết định xuất bản số 154-2006/CXB/466GT-I15/HN được cấp ngày 28/02/2006, sách hoàn thành và nộp lưu chiểu quý I năm 2007. Địa chỉ Nhà xuất bản tại 4 Tông Đuy Tân, quận Hoàn Kiếm, Hà Nội.

1.2. Bối cảnh biên soạn và mục đích sử dụng

Việc biên soạn giáo trình nằm trong đề án nâng cao chất lượng đào tạo nguồn nhân lực Thủ đô, hướng tới kỷ niệm 50 năm giải phóng Hà Nội và 1000 năm Thăng Long. Sở Giáo dục và Đào tạo Hà Nội chỉ đạo các trường THCN tổ chức biên soạn chương trình một cách khoa học, hệ thống. Giáo trình phục vụ giảng dạy và học tập chính thức trong các trường THCN, đồng thời là tài liệu tham khảo hữu ích cho các cơ sở đào tạo kỹ thuật - nghiệp vụ trên cả nước. Đây là bước chuẩn bị quan trọng cho quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.

II. Phân tích nội dung tính toán dầm và tiết diện

Phần trọng tâm của giáo trình tập trung vào phương pháp tính toán tiết diện dầm thép định hình và dầm bê tông cốt thép. Nội dung trình bày cách xác định mômen uốn, lực cắt và kiểm tra điều kiện chịu lực cho các loại dầm đơn giản, dầm liên tục. Giáo trình giới thiệu hệ số W và hệ số J (mômen quán tính) đối với dầm chữ I thép CT3, CT4, kèm theo bảng tra cứu chi tiết. Phương pháp tính toán bao gồm xác định tiết diện từ điều kiện bền và điều kiện võng cho phép. Ví dụ minh họa cụ thể về thiết kế tiết diện dầm đơn giản nhịp 6m, chịu tải trọng phân bố đều, giúp học sinh nắm vững quy trình tính toán từng bước. Nội dung cũng đề cập đến hệ số vượt tải, độ võng tương đối cho phép và module đàn hồi của thép.

2.1. Kiểm tra điều kiện chịu lực dầm thép

Dầm I định hình phải thỏa mãn nhiều điều kiện kiểm tra khả năng chịu lực. Điều kiện bền yêu cầu ứng suất uốn không vượt quá giới hạn cho phép của vật liệu. Điều kiện ổn định tổng thể kiểm tra hiện tượng mất ổn định bên của dầm khi làm việc ở giai đoạn đàn hồi và đàn hồi dẻo. Hệ số giảm khả năng chịu lực được xác định theo công thức liên quan đến hệ số α, mối quan hệ giữa các hệ số được lập sẵn thành bảng tra cứu. Mômen quán tính khi xoắn Jt cũng được tính riêng cho từng loại thép cán.

2.2. Xác định tiết diện dầm từ điều kiện bền và võng

Để thiết kế tiết diện dầm định hình, từ điều kiện bền và điều kiện võng cho phép, người tính xác định Wmin và Jmin cần thiết. Sau đó tra bảng thép định hình để chọn loại thép phù hợp và kiểm tra lại các điều kiện chịu lực. Quy trình có thể phải thay đổi nhiều lần cho đến khi đảm bảo tất cả yêu cầu. Giáo trình cung cấp bảng hệ số W cho thép CT3, CT4 với các trường hợp tải trọng tập trung và tải trọng phân bố đều, áp dụng cho cả dầm có và không có liên kết ngang trong nhịp.

III. Phương pháp bố trí cốt thép trong bản bê tông

Giáo trình trình bày chi tiết phương pháp bố trí cốt thép trong bản chịu lực một phương và hai phương. Đối với bản chịu lực hai phương, cốt thép được đặt theo cả hai phương và song song với phương tương ứng. Cốt chịu lực theo phương lx được ưu tiên đặt xa trục trung hòa hơn. Cốt chịu mômen dương đặt ở biên dưới, cốt chịu mômen âm đặt ở biên trên của bản. Tại vị trí có mômen lớn ở giữa ô bản, lượng thép đặt theo tính toán đầy đủ. Tại vị trí biên gần gối tựa, lượng thép bố trí được phép giảm 50% so với tính toán nhưng phải đảm bảo không ít hơn 3 thanh trên mỗi mét chiều dài. Phương pháp bố trí thép không đều (phân dải) được áp dụng khi cần tiết kiệm vật liệu, đặc biệt hiệu quả cho bản có nhịp lớn.

3.1. Bố trí cốt thép đều và không đều

Bố trí cốt thép đều là cách đặt thép với khoảng cách bằng nhau trên toàn bộ chiều dài ô bản. Cách này đơn giản trong thi công nhưng có thể lãng phí thép ở vùng mômen nhỏ. Bố trí cốt thép không đều (phân dải) cho phép tập trung thép tại vùng có mômen lớn và giảm bớt tại vùng mômen nhỏ. Giáo trình minh họa bằng hình vẽ mặt bằng bố trí cốt thép, các mặt cắt ngang và dọc, giúp học sinh hiểu rõ vị trí đặt từng loại cốt thép trong kết cấu thực tế.

3.2. Quy trình tính toán tải trọng trên bản

Quy trình tính toán bắt đầu bằng việc xác định tải trọng tác dụng trên mỗi mét vuông bản. Căn cứ vào cấu tạo và tính chất chịu lực, sử dụng bảng tra cứu để xác định hệ số phân bố tải trọng. Giáo trình hướng dẫn cách tính tải trọng tĩnh bao gồm trọng lượng bản thân, tải trọng sử dụng và tải trọng tạm thời. Các hệ số động và hệ số an toàn được áp dụng theo tiêu chuẩn hiện hành. Kết quả tính toán tải trọng là cơ sở để xác định tiết diện cốt thép cần thiết cho từng phương của bản.

IV. Ứng dụng và ý nghĩa thực tiễn của giáo trình

Giáo trình Kết cấu công trình NXB Hà Nội 2007 có giá trị ứng dụng cao trong đào tạo nguồn nhân lực xây dựng. Nội dung được biên soạn phù hợp với trình độ học sinh THCN, cung cấp kiến thức nền tảng vững chắc về kết cấu bê tông cốt thép và kết cấu thép. Các ví dụ tính toán thực tế giúp người học dễ dàng áp dụng vào công việc sau khi tốt nghiệp. Giáo trình cũng là tài liệu tham khảo quý giá cho kỹ thuật viên, cán bộ kỹ thuật tại các công trường xây dựng. Phương pháp trình bày từ cơ bản đến nâng cao, kèm theo bảng tra cứu và công thức tính toán sẵn, tạo thuận lợi cho việc tự học và tra cứu khi cần. Ấn phẩm đóng góp tích cực vào sự nghiệp đào tạo nghề xây dựng tại Thủ đô và cả nước.

4.1. Giá trị đào tạo nghề kỹ thuật xây dựng

Giáo trình đáp ứng yêu cầu đào tạo nhân lực kỹ thuật cho ngành xây dựng trong thời kỳ công nghiệp hóa. Nội dung bám sát chương trình khung của Bộ Giáo dục, được bổ sung kiến thức thực tiễn từ kinh nghiệm giảng dạy tại các trường THCN Hà Nội. Học sinh được trang bị kỹ năng tính toán cơ bản, đọc bản vẽ kết cấu và hiểu nguyên lý làm việc của các bộ phận chịu lực. Đây là nền tảng để người học tiếp tục nâng cao trình độ hoặc tham gia trực tiếp vào hoạt động thi công xây dựng.

4.2. Ý nghĩa đối với ngành xây dựng Việt Nam

Giáo trình góp phần chuẩn hóa kiến thức chuyên môn cho đội ngũ kỹ thuật viên xây dựng. Nội dung cập nhật các tiêu chuẩn tính toán mới nhất, phù hợp với điều kiện vật liệu và kỹ thuật thi công tại Việt Nam. Việc có giáo trình riêng cho hệ THCN Hà Nội thể hiện sự quan tâm của chính quyền thành phố đối với chất lượng đào tạo nghề. Sản phẩm là kết quả hợp tác giữa cơ quan quản lý giáo dục, các nhà khoa học và giảng viên, đảm bảo tính khoa học và thực tiễn của nội dung đào tạo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1]: Một số kết cấu khác Bài tập các chương Các phụ lục kèm theo Trọng tâm chương trình - Chương 7 - Chương 9 - Chương 10 Chuong 1 KHAI NIEM CHUNG VE KET CAU CONG TRINH Muc tiéu: Học xong chương này học sinh phải: - Hiểu được khái niệm vẽ kết cấu công trình xây dựng và tầm quan trọng về độ an toàn của chúng. - Phân biệt được các loại tải trọng. - Biết các phương pháp tính toán kết cấu và tải trọng dùng trong mỗi phương pháp. - Ôn lại các kiến thức cũ về đơn vị và chuyển đổi đơn vị một số đại lượng như lực, chiều dài, diện tích, thể tích.

Trọng tâm: - Hiểu khái niệm về kết cấu và độ an toàn của kết cấu. KẾT CẤU CÔNG TRÌNH (KCCT) Nói đến KCCT là đẻ cập đến các vấn dé sau đây: - Hệ thống những phần tử chịu lực tạo nên công trình xây dựng. - Vật liệu tạo nên các phần tử chịu lực. - Sự kết hợp giữa các phần tử.

- Nguyên lý tính toán và cấu tạo của các phần tử để chúng hoàn thành chức năng chịu lực. Sự bền vững của công trình xây dựng được quyết định bởi độ bền vững, độ ổn định của hệ thống những phần tử này. Vấn dé lua chon vật siéu va su két hợp hợp lí các phần tử chịu lực góp phần quyết định tính kinh tế cho công trình. Sự lựa chọn đó là giải pháp kết cấu công trình.

10 Kết cấu - cấu kiện: Một phần tử chịu lực độc lập được coi là một cấu kiện. Ví dụ như môt thanh chịu kéo là cấu kiện chịu kéo, một thanh chịu nén hay một thanh chịu uốn. là cấu kiện chịu nén, cấu kiện chịu uốn. Nhiều cấu kiện được liên kết với nhau để cùng thực hiện nhiệm vụ chịu lực gọt là kết cấu.

Kết cấu được làm từ vật liệu gì thì gọi tên theo vật liệu đó như kết cấu gỗ, kết cấu thép, kết cấu bê tông cốt thép. Nén léch tâm Hình 1-1 Trên hình I-I các thanh này làm việc độc lập và được gọi là cấu kiện, cấu kiện chịu uốn phẳng (a), cấu kiện chịu nén đúng tâm (b), cấu kiện chịu nén lệch tâm (c). Trong kết cấu công trình, cấu kiện chịu uốn thường là dầm và bản, cấu kiện chịu nén đúng tâm, nén lệch tâm thường là cột chịu tải trọng đúng tâm hay lệch tam. Trên hình 1-2 các cột C1, C2, C3 và dầm DI, ở đầu trên hình vẽ được liên kết với nhau để cùng làm việc được gọi là kết cấu khung: - Khung làm bằng bê tông cốt thép được gọi là khung bê tông cốt thép.

- Khung làm bằng thép gọi là khung thép. - Khung làm bằng gỗ gọi là khung gỗ. Khái niêm cấu kiện và kết cấu mang tính tương đối. Cũng la một sản phẩm nhưng có thể được coi là cấu kiện, cũng có thể được coi là kết cấu tuỳ trường hợp cụ thể.1 C; Cy Cs _ @® © © Hình 1-2.

Kết cấu khung Hình 1-3. Sơ đồ một dàn tam giác Đàn là một kết cấu được tạo nên bởi nhiều thanh liên kết với nhau. Giao của các thanh dàn là mắt dàn. Mỗi đoạn thanh giới hạn bởi hai mất ở hai đầu được coI là một cấu kiện khi tính toán.

Lúc này dần được coi là một kết cấu- kết cấu dàn. Nhưng để chịn lực từ mái thì đàn phải được liên kết với cột, cột truyền lực xuống móng, xét ở góc độ đơn vị sản phẩm thi công thì dàn được xem như mội cấu kiện. TẢI TRỌNG TÁC DUNG - PHAN LOAI TAI TRONG Trong cơ học xây dựng ta nói lực tác dụng lên một hệ thì trong kết cấu công trình người ta gọt là tát trọng tác dụng lên kết cấu. Tuỳ theo đặc điểm và tính chất tác dụng của tải trọng mà người ta phân nó ra thành các loại: 1.

Theo thời gian tác dụng 1. Tải trọng thường xuyên Là loại tải trọng tồn tại đồng thời với kết cấu trong suốt quá trình sử dụng của công trình và thậm chí ngay từ khi thi công. 12 Loại tải trọng này bao gồm trọng lượng bản thân kết cấu và trọng lượng các bộ phận khác truyền vào nó. Tải trọng thường xuyên còn được gọi là tĩnh tải.

Tải trọng tạm thời Là loại tải trọng không cùng tồn tại đồng thời với kết cấu mà lúc xuất hiện, lúc mất đi. Tuỳ theo thời gian xuất hiện được chia thành: - Tải trọng tạm thời ngắn hạn: gồm trọng lượng của người khi sử dụng hoặc sửa chữa công trình. - Tai trong tam thoi dai han: gồm các loại có thời gian xuất hiện dài như trọng lượng đồ vật, trọng, lượng hàng trong kho, trọng lượng của sách trong thư viện. Theo phạm vị tác dụng Tải trọng được chĩa thành các loại: - Tải trọng phân bố (đều hoặc không đều, phân bố trên đơn vị diện tích hay đơn vi chiéu dai).

- Tai trong tap trung. a) b) Ac) | e) œ,b, ©: tải trọng phán bố trên theo chiêu đài, dai trong phan bố đều theo diện tích, ©: tải trọng tập trune Hình 1-4. Theo giá trị của tải trọng Mỗi loại tải trọng đều có hai giá trị. Một giá trị xác định theo hồ sơ thiết kế kiến trúc.

Nó mang tính chất thống kê, được gọi là giá trị tiêu chuẩn. Trong thực tế thi công và sử dụng tải trọng thường có giá trị sai lệch với giá trị tiêu chuẩn, gây nguy hiểm cho kết cấu. Để đảm bảo an toàn cho công trình, trong 13 tính toán kết cấu người ta dùng giá trị lớn hơn giá trị tiêu chuẩn gọi là giá trị tính toán của tải trọng.n Trong đó: P: Giá trị tính toán của tải trọng. pịạ: Giá trị tiêu chuẩn của tải trọng.

n: Hệ số vượt tải. Được lấy theo quy phạm ở bảng phụ lục 32. Thông thường n > I, trường hợp tải trọng giảm gây nguy hiểm cho kết cấu thì những tải trọng đó lấy n < 1. Thường lấy n = 0.

Ví dụ, khi tính cân bằng của vật lật, những tải trọng tham gia chống lật lấy n< 1. Tai trong tạm thời không được tính tham gia chống lật. Các giá trị tiêu chuẩn của tải trọng gọi là tải trọng tiêu chuẩn. Các giá trị tính toán của tải trọng là tải trọng tính toán.

Tùy theo điều kiện tính toán của kết cấu mà ta sử dụng tải trọng tính toán hay tải trọng tiêu chuẩn. Ngoài các loại tải trọng trên, trong tính toán kết cấu còn gặp tải trọng rất ít xuất hiện như tải trọng do động đất, tải trọng do bom nổ,. chúng được gọi là tải trọng đặc biệt. Các tải trọng này được tính trong các công trình quan trọng hoặc những công trình đòi hỏi tính an toàn cao (được quy định trong tiêu chuẩn thiết kế).

IIL PHƯƠNG PHÁP TÍNH Hiện nay phương pháp tính toán được dùng phổ biến là phương pháp tính toán theo trang thái giới hạn (TTGH) và được chia thành hai nhóm: - Trạng thái giới hạn thứ nhất gọi tắt TTGH.1 - Trạng thái giới hạn thứ hai gọi tắt TTGH. Trang thái giới hạn thứ nhất Day là trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực. Khi đạt đến trạng thái này, nếu tăng tải trọng thì kết cấu mất đi khả năng chống đỡ do bắt đầu bị phá hoại hoặc bị mất ổn định. Điều kiện tính toán theo TTGH -1 1a: sss] (1-1) Trong đó: 14 S: nội lực bất lợi do tải trọng tính toán gây ra.

[S]: khả năng chịu lực của cấu kiện khi nó đạt tới trạng thái giới hạn. Điều kiện (1-1) có thể biểu điễn đưới đạng khác: s<[s] (1-1a) s: ứng suất tại vị trí bất lợi do nội lực bất lợi tại đó gây ra. [s] là cường độ tính toán của vật liệu làm kết cấu. Tính theo TTGH.I, được tiến hành với mọi bộ phận của kết cấu và không chĩ tính toán cho giai đoạn sử dụng mà còn phải tính toán cho giai đoạn chế tạo, vận chuyển và sửa chữa.

Trạng thái giới hạn thứ hai Đây là TTGH về biến dạng. Khi đạt đến trạng thái này, kết cấu bắt đầu mất khả năng sử dụng bình thường do kết cấu biến đạng quá lớn.2 được tính toán theo điều kiện chuyển vị, điều kiện đao động của các kết cấu, điều kiện hạn chế vết nứt trong kết cấu bê tông cốt thếp. f£<[fI (1-2) a, < [a,] (1-3) f, a„: chuyển vị và vết nứt nguy hiểm nhất do tải trọng tiêu chuẩn gây ra. [a,Ì: chuyển vị và vết nứt giới hạn được lấy theo quy định tuỳ yêu cầu sử dụng của kết cấu.

Điều kiện (1-2) còn được biểu diễn ở đạng (1-2a): /,|/ 4£ - (1-2a) Trong dé: f/!: chuyển vị tương đối tại vị trí nguy hiểm đo tải trọng tiêu chuẩn gây ra. l: độ dài của câu kiện trong phạm vị tính. lt| chuyển vị tương đối cho phép được lấy theo quy định tuỳ yêu cầu sử dụng của kết cấu. Qua nội dung trên có thể thấy tải trọng tính toán dùng trong tính toán thco TTGH.1; tải trọng tiêu chuẩn dùng trong tính toán theo TTGH.

TRÌNH TỰ THIẾT KẾ 15 Thiết kế kết cấu cho công trình phải đảm bảo an toàn kinh tế và mỹ quan. Đề thoả mãn được các yêu cầu trên phải nghiên cứu để lựa chọn phương án tối ưu. trong tính toán phải cần thận không được phép sai sót. Quá trình thiết kế có thể tóm tắt theo trình tự: Bước 1: Lua chọn giải pháp kết cấu.

Bước 2: Triển khai tính toán kết cấu. - Chọn vật liệu. - Xác định sơ đồ kết cấu. - Xác định tải trọng tác dụng.

- Tính và vẽ biểu đồ nội lực. - Xác định tiết điện. Bước 3: Thể hiện kết quả tính trên bản vẽ. - Bản vẽ kết cấu được ký hiệu KC, kèm theo là tên bản vẽ được đặt theo thứ tự l; 2; 3; 4;.

Thứ tự này thường đánh theo trình tự thi công từ móng trở lên. Trong bản vẽ, mỗi loại kết cấu được thể hiện đầy đủ và chỉ tiết để theo bản vẽ người ta thi công được. Bước 4: Hoàn chỉnh hồ sơ thiết kế và giao nộp. - Giao nộp bản thuyết minh phần tính toán.

- Bản vẽ được đóng thành tập hoặc xếp thành bộ. Các hồ sơ này đều phải được ký duyệt đóng dấu đơn vị thiết kế, Theo trình tự trên, bước 1 là bước cơ bản quyết định tính kinh tế và tính mỹ quan. Bước này do kỹ sư kết cấu hoặc kỹ sư xây dựng làm chủ trì kết cấu đảm nhận. Bước 2 và bước 3 người cán bộ kỹ thuật trung học xây dựng có thể tham gia thiết kế các kết cấu thông dụng như dầm sàn toàn khối, cầu thang.

Đặc biệt ở bước 3, họ là người vẽ theo số liệu tính toán được cung cấp.