LỜI NÓI ĐẦU Giáo trình “Kết cấu bêtông cốt thép – phần kết cấu nhà cửa” đƣợcviết ra trên cơ sởđề cƣơng hệ tín chỉ của môn học “ Bê tông cốt thép – phần II “ của trƣờng Đại học Kiến trúc – Thành phố Hồ Chí Minh. Trong sách này trình bày những vấn đề về tính toán và cấu tạo các kết cấu của nhà dân dụng và công nghiệp. Sách đƣợc dùng làm tài liệu học tập cho sinh viên các ngành xây dựng cơ bản của các trƣờng đại học, hoặc có thể làm tài liệu tham khảo cho các kỹ sƣ thiết kế kết cấu bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn hiện hành. Trong quá trình viết quyển sách này , chúng tôi có tham khảo các tài liệu về kết cấu bê tông cốt thép của các tác giả trƣớc nhằm kế thừa kiến thức đã có và bổ sung, cập nhật các nguyên lý tính toán mới để phục vụ bạn đọc. Sách gồm sáu chƣơng. Trần Thị Nguyên Hảo viết chương 1,2,4,6 và là chủ biên. Đỗ Huy Thạc viết chương 3. Lê Tuấn Em viết chương 5. Với kiến thức và thời gian có hạn, tuy đã cố gắng rất nhiều trong biên soạn , song khó tránh khỏi những thiếu sót . Chúng tôi rất mong các bạn sinh viên và bạn đọc cảm thông và góp ý chân tình để quyển sách này ngày càng đƣợc hoàn chỉnh hơn. Xin chân thành cảm ơn Khoa Xây dựng trƣờng Đại học Kiến Trúc đã hỗ trợ và giúp đỡ chúng tôi hoàn thành giáo trình này. NHÓM TÁC GIẢ CHƯƠNG 1 - KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Trang1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP. HCM Kết Cấu Bê Tông Cốt Thép- Phần 2 : Kết Cấu Nhà Cửa CHƢƠNG 1. KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG Ngày nay, kết cấu khung bê tông cốt thép sử dụng rộng rãi trong xây dựng dân công nghiệp. Đối với các công trình nhà ở và nhà làm việc, kết cấu khung cho ta mặt bằng khá linh hoạt các không gian sử dụng vì tƣờng ngăn các phòng không chịu lực có thể phá bỏ chúng để mở rộng không gian hoặc xây thêm vách ngăn. Khung bê tông cốt thép có thể dùng cho nhà một tầng, nhiều tầng, một nhịp, nhiều nhịp. Khung bê tông cốt thép có thể đổ toàn khối hoặc lắp ghép từ các cấu kiện dầm và cột. Hệ lƣới cột phải phù hợp với không gian kiến trúc mặt ngoài của công trình. 1.1.1 KHE BIẾN DẠNG Khe biến dạng là các khe đƣợc thiết kế đặc biệt nhằm cho phép xảy ra sự dịch chuyển tƣơng tối của hai phần cấu kiện kế cận nhau mà không phá hỏng tính nguyên vẹn của kết cấu. Chức năng chung của các khe biến dạng là cho phép xảy ra khả năng dịch chuyển có thể kiểm soát đƣợc, tránh đƣợc các ứng suất có hại. – Khe nhiệt độ Khe giữa hai cột riêng trên một bản móng chung, biến dạng chênh lệch giữa các móng đƣợc giải quyết một phần, nếu hai khối bị biến dạng lớn thì móng này trở thành khớp. Khoảng cách giữa hai khe phụ thuộc vào loại kết cấu chịu lực và kết cấu tƣờng ngoài của nhà. Với hệ kết cấu khung vách BTCT: + Khoảng cách giữa 2 khe co giãn là 45m nếu tƣờng ngoài là liền khối. + Khoảng cách giữa 2 khe co giãn là 65m nếu tƣờng ngoài là lắp ghép. Đối với kết cấu bê tông cốt thép thƣờng và kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trƣớc có yêu cầu chống nứt cấp 3, cho phép không cần tính toán khoảng cách nói trên nếu chúng không vƣợt quá trị số trong bảng 1.1. CHƯƠNG 1 - KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Trang2 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP. HCM Kết Cấu Bê Tông Cốt Thép- Phần 2 : Kết Cấu Nhà Cửa Bảng 1.1. Khoảng cách lớn nhất giữa các khe co giãn nhiệt cho phép không cần tính toán, m. Kết cấu Điều kiện làm việc của kết cấu Trong đất Trong nhà Ngoài trời Bê tông Khung lắp ghép 40 35 30 Toàn khối có bố trí thép cấu tạo 30 25 20 không bố trí thép cấu tạo 20 15 10 Bê tông cốt thép Khung lắp ghép nhà một tầng 72 60 48 nhà nhiều tầng 60 50 40 Khung bán lắp ghép hoặc toàn khối 50 40 30 Kết cấu bản đặc toàn khối hoặc bán lắp ghép 40 30 25 Chú thích: Trị số trong bảng này không áp dụng cho các kết cấu chịu nhiệt độ dƣới 40oC. Đối với kết cấu nhà một tầng , đƣợc phép tăng trị số cho trong bảng lên 20%. Trị số cho trong bảng này đối với nhà khung là ứng với trƣờng hợp khung không có hệ giằng cột hoặc khi hệ giằng đặt ở giữa khối nhiệt độ. – Khe lún Khe lún tách rời hai cột trên hai móng riêng rẻ, giải pháp này giải quyết đƣợc triệt để cho hai khối lún biệt lập. Tuy nhiên trở nên phức tạp khi tính toán , móng tại vị trí này bị lệch tâm rất lớn. Đƣợc phép không bố trí khe lún khi công trình tựa trên nền cọc, nền đá hoặc nền đƣợc gia cố có độ lún rất nhỏ. Móng giữa các phần nhà cao thấp khác nhau có phải tách ra hay không phải căn cứ vào tính chất đất nền, kiểu loại móng, hình dáng của mặt bằng công trình để xử lý cụ thể. Khi đất nền rất kém, khó hạn chế đƣợc độ lún thì đành phải dùng khe lún để tách rời móng của hai phần nhà có tầng cao thấp khác nhau. Ngƣợc lại, khi tình hình địa chất là tƣơng đối tốt, tính ra lún giữa các phần nhà cao thấp là đủ độ tin cậy, trị số lún tƣơng đối nhỏ thì có thể làm móng liền thành một khối, không làm khe lún. Khi không làm khe lún, để giảm nội lực trong kết cấu do lún không đều gây ra, có thể làm băng đổ sau ở chỗ nối giữa nhà cao với nhà thấp, băng đổ sau đặt ở một bên của nhà vây, bề rộng không nhỏ hơn 800mm . CHƯƠNG 1 - KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Trang3 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP. HCM Kết Cấu Bê Tông Cốt Thép- Phần 2 : Kết Cấu Nhà Cửa Hình 1.1. Khe biến dạng – Khe kháng chấn Trong các trƣờng hợp sau, phải cắt nhà và công trình ra thành những khối nhà riêng biệt (đơn nguyên) bằng các khe kháng chấn : - Các kích thƣớc mặt bằng công trình không thỏa mãn các điều kiện trong bảng 1.2 mà không có biện pháp tăng cƣờng. khe luùn khe nhieät khe luùn CHƯƠNG 1 - KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Trang4 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP. HCM Kết Cấu Bê Tông Cốt Thép- Phần 2 : Kết Cấu Nhà Cửa - Công trình với các khu vực có số tầng chênh nhau khá lớn. - Độ cứng hoặc tải trọng của các bộ phận kết cấu chênh nhau rõ rệt màkhông có biện pháp hiệu quả. Bảng 1.2 Giới hạn của L và B Cấp động đất L/B L/Bmax l/b VII ≤6 ≤6 ≤2 VIII- IX ≤5 ≤5 ≤1,5 Hình 1.2 Mặt bằng công trình CHƯƠNG 1 - KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Trang5 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP. HCM Kết Cấu Bê Tông Cốt Thép- Phần 2 : Kết Cấu Nhà Cửa Bảng 1.3 Bề rộng tối thiểu của khe chống động đất (mm) Hệ kết cấu Cấp động đất thiết kế VI VII XIII IX Khung 4H+10 5H-5 7H- 35 10H-80 Khung- vách cứng 2,5H+9 4,2H-4 6H-30 8,5H-68 Vách cứng 2,8H+7 3,5H-3 5H-25 7H-55 Ghi chú : H là độ cao mái của đơn nguyên thấp hơn trong các đơn nguyên kề nhau tính bằng mét. Nếu nhà có chiều cao H ≤ 5m thì chiều rộng của khe kháng chấn không nhỏ hơn 30mm. Nếu nhà có chiều cao lớn hơn thì cứ 5m chiều cao thêm, chiều rộng của khe kháng chấn phải tăng thêm 20mm. Khe kháng chấn phải phân chia nhà và công trình theo toàn bộ chiều cao nhƣng không nhất thiết phải xuyên qua móng ( trừ trƣờng hợp khe kháng chấn trùng với khe lún). Các khe co giãn, khe lún và khe kháng chấn nên bố trí trùng nhau. Khi công trình đƣợc thiết kế kháng chấn thì khe co giãn và khe lún phải theo yêu cầu của khe kháng chấn. Chiều rộng bé nhất của khe lún và khe kháng chấn đƣợc tính theo công thức sau: D min = V 1 + V 2 + 20mm Trong đó V 1 và V 2 là chuyển dịch ngang cực đại tại đỉnh của khối thấp hơn theo phƣơng vuông góc với khe lún và khe kháng chấn. 1.1.2 KHÁI NIỆM NHÀ CAO TẦNG. Ủy ban Nhà cao tầng Quốc tế đƣa ra định nghĩa nhà cao tầng nhƣ sau: Ngôi nhà mà chiều cao của nó là yếu tố quyết định các điều kiện thiết kế, thi công hoặc sử dụng khác với ngôi nhà thông thƣờng thì đƣợc gọi là nhà cao tầng. Căn cứ vào chiều cao và số tầng nhà, phân ra 4 loại nhƣ sau: - Nhà cao tầng loại 1: 9- 16 tầng (cao nhất 50m); CHƯƠNG 1 - KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Trang6 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP. HCM Kết Cấu Bê Tông Cốt Thép- Phần 2 : Kết Cấu Nhà Cửa - Nhà cao tầng loại 2: 17- 25 tầng (cao nhất 75m); - Nhà cao tầng loại 3: 26- 40 tầng (cao nhất 100m); - Nhà cao tầng loại 4: 40 tầng trở lên (gọi là siêu cao tầng); Các nƣớc tùy theo sự phát triển nhà cao tầng của mình thƣờng có cách phân loại kh ác nhau. Hiện nay ở nƣớc ta đang có xu thế chấp nhận sự phân loại trên đây. Theo TARANATH B.S, đối với nhà cao tầng, hệ chịu lực bằng bê tông cốt thép. HỆ CHỊU LỰC SỐ TẦNG TỐI ĐA Sàn phẳng (không dầm) và cột 10 Sàn phẳng và vách cứng 15 Sàn phẳng, vách cứng và cột 20 Khung cứng (có dầm) 25 Khung cứng với dầm mở rộng vách 30 Có lõi cứng chịu lực (và cột ) 40 H ệ khung và vách cứng 50 H ệ khung và vách cứng, dầm có vách 60 1.2 KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP TOÀN KHỐI. Hệ khung thực chất là khung không gian nhƣng có thể xem nhƣ nó đƣợc tạo nên từ những khung phẳng nối với nhau. Tùy trƣờng hợp cụ thể mà phải tính toán khung nhƣ khung phẳng, thí dụ đối với một ngôi nhà khá dài,bƣớc cột gần nhƣ đều nhau, khung đặt theo phƣơng ngang nhà, chúng phải đƣợc nối lại nhau bằng hệ dầm giằng dọc tại các mặt khung. Đối với nhà có mặt bằng vuông hoặc gần vuông , gió và các CHƯƠNG 1 - KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Trang7 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP. HCM Kết Cấu Bê Tông Cốt Thép- Phần 2 : Kết Cấu Nhà Cửa loại tải trọng ngang khác có thể tác dụng theo phƣơng bất kỳ, khi đó phải tính khung nhƣ một khung không gian. 1.2.1 HỆ CHỊU LỰC KHUNG. Hệ khung là hệ thanh liên kết giữa các thanh đứng (là cột), thanh ngang (là dầm) tạo thành các nút cứng khung. Điện cần và đủ để khung ổn định là hệ bất biến hình. Đối với khung BTCT toàn khối nhiều nhịp , nhiều tầng là hệ siêu tĩnh. Nút cứng khung có chuyển vị, khác với ngàm cứng giũa cột với móng cao trình ngàm tại mặt trên móng. Vì vậy khi công trình không có sàn hầm và có sàn hầm cao trình ngàm tính khung quy ƣớc nhƣ hình 1.4 Hình 1.3.Khung bê tông cốt thép CHƯƠNG 1 - KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Trang8 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP. HCM Kết Cấu Bê Tông Cốt Thép- Phần 2 : Kết Cấu Nhà Cửa Hình 1.4Quy ƣớc cao trình ngàm Mô hình tính toán khung thể hiện trục cột, trục dầm. Có thể quy ƣớc khi tỉ số L/B >2, công trình có mặt bằng chạy dài, khung dọc nhiều nhịp hơn khung ngang nên độ cứng khung ngang nhỏ hơn nhiều lần so với độ cứng khung dọc ,nội lực chủ yếu gây ra trong khung ngang.Khi đó tách riêng từng khung phẳng để xác định nội lực trong cột và dầm ngang, còn nội lực trong dầm dọc đƣợc tính nhƣ dầm liên tục nhiều nhịp. Giải pháp phân tích sơ đồ tính kết cấu nhƣ vậy chỉ phù hợp cho công trình có bƣớc cột theo phƣơng dọc đều nhau, và kết quả nội lực khung phẳng ngang sẽ lớn hơn so với kết quả nội lực của khung ngang này khi đƣợc xác lập mô hình tính theo khung không gian. Vì vậy khái niệm khung nguy hiểm là khung ít phần tử, dựa vào số nhịp khung và diện tích sàn truyền tải lên khung. CHƯƠNG 1 - KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Trang9 TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP. HCM Kết Cấu Bê Tông Cốt Thép- Phần 2 : Kết Cấu Nhà Cửa Đà kiềng thƣờng đƣợc xem không phải là bộ phận khung ngang(thiên về an toàn). Tuy nhiên có ảnh hƣởng nhất định đối với khung nhƣ: Giảm chiều dài tính toán cột giảm độ mãnh cột tầng trệt. Tăng độ cứng không gian của công trình khắc phục lún không đều. Đà kiềng đƣợc gán vào tính khung khi có đúc bêtông sàn trệt ( công trình khu vực nền đất yếu). Đối với công trình có sàn hầm cùng cao độ với đà giằng móng và mặt đài ( hình 1.4) nếu gán đà giằng móng vào cao trình ngàm tính khung, thì nhịp tính toán đà giằng không chính xác vì không kể tới kích thƣớc đài móng. -Thiết kế theo mô hình khung phẳng ngang. Hình 1.5.Sơ đồ tính khung phẳng