THIẾT KẾ KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
Kết cấu khung bê tông cốt thép là một trong những loại kết cấu phổ biến nhất trong xây dựng hiện đại, đặc biệt là trong các công trình nhà cao tầng, nhà xưởng và các công trình công cộng. Kết cấu này kết hợp giữa bê tông và thép, mang lại sự vững chắc và khả năng chịu tải cao. Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về nguyên tắc thiết kế, các thành phần, quy trình thiết kế và các yếu tố cần xem xét khi thiết kế kết cấu khung bê tông cốt thép.
1. Sơ đồ kết cấu khung bê tông cốt thép
Khung bê tông cốt thép gồm có các cột, các dầm liên kết với nhau và liên kết với móng. Trong sơ đồ các cột và dầm được thay đường trục của nó.
Về hình học và sự làm việc cần phân biệt khung phẳng và khung không gian
-
Khung gọi là phẳng khi trục các bộ phận cảu nó cùng nằm trong một mặt phẳng và các tải trọng tác dụng trong mặt phẳng đó. Mặt phẳng đó được gọi là mặt phẳng khung hoặc mặt phẳng uốn.
-
Khung là không gian khi trục các bộ phận không cùng nằm trong mặt phẳng hoặc tuy cùng nằm trong 1 mặt phẳng nhưng có chịu tải trọng tác dụng ngoài mặt phẳng khung.
Trong kết cấu nhà, khung thường được cấu tạo thành hệ không gian (khối khung). Hệ khung không gian có thể được xem là gồm các khung phẳng liên kết với nhau bằng các dầm, ngoài mặt phẳng khung.
Tùy theo phương án kết cấu chịu lực chính của nhà mà hệ khung có thể thuộc về khung hoặc nhà kết hợp.
Với nhà khung, hệ khung chịu toàn bộ tải trọng thẳng đứng và tải trọng ngang.
Với nhà kết hợp (với lõi cứng, vách cứng) khung chịu phần tải trọng đứng trực tiếp truyền vào nó và chịu phần tải trọng ngang được phân phối cho nó.
Tuy hệ khung là không gian nhưng về sự làm việc và tính toán có thể theo sơ đồ không gian hoặc theo sơ đồ phẳng tùy thuộc vào tải trọng tác dụng và mức độ gần đúng có thể chấp nhận được.
Để phân biệt trường hợp làm việc của khung là phẳng hay không gian, ta xét trường hợp hệ khung đơn giản gồm 4 cột A, B, C, D và 4 dầm liên kết các đầu cột như hình dưới. Rồi tiến hành khảo sát các trường hợp khung chịu tải trọng đứng và ngang.
2. Khung chịu tải trọng đứng
Tải trọng trên sàn truyền vào khung tùy thuộc vào kết cấu sàn theo các trường hợp sau:
Trường hợp 1: Sàn lắp ghép dùng panen đặt theo 1 phương, tải trọng từ panen chỉ truyền lên hai khung phẳng song song. Hai khung này làm việc theo khung phẳng, các dầm vuông góc với các khung này chỉ đóng vai trò liên kết, không chịu lực.
Trường hợp 2: Khi bản sàn là toàn khối kê lên 4 dầm mà tỷ số giữa các cạnh L2/L1 > 2, xem gần đúng bản chịu uốn một phương. Tải trọng từ bản truyền lên hai khung đối diện, mỗi khung làm việc theo khung phẳng.
Trường hợp 3: Bản kê lên 4 dầm mà tỷ số cạnh bản L2/L1 < 2, bản chịu uốn theo hai phương, truyên tải trọng lên 4 dầm.
Trường hợp 4: Khi dùng thêm các dầm phụ (dầm sàn) để đỡ bản sàn, dầm phụ kê lên dầm khung. Tuỳ theo sơ đồ bố trí dầm phụ mà xét khung làm việc phẳng hoặc không gian.
3. Khung chịu tải trọng ngang (gió)
Tùy theo phương của tải trọng. Khi xét tải trọng gió theo phương ngang thì các khung AB và DC làm việc theo khung phẳng.
Khi xét gió theo phương dọc thì hai khung AD và BC làm việc theo khung phẳng.
Còn khi xét gió theo phương xiên thì khung làm việc không gian.
Chú ý rằng khi xét tác dụng của gió người ta xem sàn là cứng vô cùng trong mặt phẳng của nó nên sàn làm được nhiệm vụ truyền tải trọng gió vào các khung.
Với hệ khung của toàn nhà cũng tiến hành phân tích như trên để xem xét là khung làm việc theo phẳng hoặc theo không gian.
Từ chỗ phân tích sự làm việc của sàn để quyết định cách truyền tải trọng đứng.
Khi mà có thể xem toàn bộ tải trọng thẳng đứng trên sàn chỉ truyền lên các khung ngang (hoặc khung dọc) thì các khung ấy được xem là làm việc theo khung phẳng dưới tác dụng của tải trọng đứng. Ngược lại thì phải truyền tải trọng đứng lên cả các khung dọc và ngang và có khung không gian
Với tải trọng nằm ngang, thường người ta dựa vào mặt bằng kết cấu nhà để xét trường hợp bất lợi của tải trọng.
Khi mặt bằng nhà hẹp mà dài, độ cứng tổng thể của nhà theo phương ngang là khá bé so với phương dọc. Lúc này tác dụng của gió theo phương ngang sẽ bất lợi hơn do đó chỉ xét gió theo phương ngang và mỗi khung ngang được tính theo khung phẳng, chịu tác dụng của phần tải trọng gió phân phối cho nó.
Khi mặt bằng kết cấu nhà có dạng gần vuông; độ cứng tổng thể của nhà theo hai phương gần bằng nhau; thì phải xét tác dụng của gió theo ba trường hợp: Ngang, dọc và xiên.
Với gió dọc và ngang nhà các khung làm việc phẳng còn với gió xiên, khung làm việc không gian.
Tính toán nội lực phẳng là bài toán kết cấu thông thường; có thể giải bằng nhiều phương pháp khác nhau. Hiện nay các bài toán khung phẳng chủ yếu được giải nhờ việc sử dụng các phần mềm tính toán như sap 2000, etabs, robot,…
Tính toán nội lực khung không gian là khá phức tạp; và thường chỉ có thể giải nhờ các chương trình phần mềm mạnh. Có thể giải gần đúng bài toán khung không gian bằng cách đưa về bài toán phẳng; theo cách phân chia hệ khung thành các khung dọc và khung ngang; trên mỗi khung xếp đặt các tĩnh tải và hoạt tải tác dụng lên
khung đó. Giải toàn bộ các khung dọc và khung ngang theo trường hợp khung phẳng. Nội lực trong dầm của khung nào là của dầm đó; còn nội lực trong cột là bằng tổng nội lực trong cột ấy của hai khung giao nhau.
4. Nguyên tắc thiết kế
4.1. Đảm bảo an toàn
- Tải trọng thiết kế: Tất cả các tải trọng tác động lên kết cấu cần được xác định một cách chính xác, bao gồm:
-
Tải trọng cố định: Là tải trọng không thay đổi theo thời gian như trọng lượng của kết cấu, thiết bị cố định, tường, mái.
-
Tải trọng động: Bao gồm tải trọng do người, xe cộ, gió, động đất. Cần sử dụng các tiêu chuẩn hiện hành (như TCVN, AISC) để xác định tải trọng động.
- Tính ổn định: Đảm bảo rằng kết cấu không bị mất ổn định dưới tác động của tải trọng, bao gồm khả năng chống lại lật, trượt và uốn cong.
4.2. Tối ưu hóa kinh tế
- Lựa chọn vật liệu: Chọn vật liệu có chi phí phù hợp nhưng vẫn đảm bảo chất lượng. Sự lựa chọn vật liệu ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí thi công và hiệu suất của kết cấu.
- Thiết kế tiết kiệm: Sử dụng các công nghệ thiết kế tiên tiến để tối ưu hóa kích thước và hình dạng của các thành phần kết cấu, giảm lượng bê tông và thép sử dụng mà không làm giảm tính an toàn.
4.3. Dễ thi công
- Quy trình thi công: Thiết kế cần tính đến khả năng thi công thực tế, bao gồm việc vận chuyển, lắp đặt và sử dụng thiết bị thi công. Cần có sự tính toán về kích thước và trọng lượng của từng thành phần để đảm bảo rằng chúng có thể được lắp đặt một cách dễ dàng.
- Công nghệ thi công: Cần xem xét các phương pháp thi công hiện đại, như sử dụng bê tông tự định hình hoặc kết cấu lắp ghép, để nâng cao hiệu quả và chất lượng công trình.
5. Các thành phần của kết cấu khung bê tông cốt thép
5.1. Cột
-
Chức năng: Cột chịu tải trọng từ mái, sàn và các thành phần khác của công trình, truyền tải lực xuống móng. Cột là thành phần chính tạo ra khung cho toàn bộ kết cấu.
-
Thiết kế: Cần xác định kích thước, hình dạng và số lượng cột dựa trên tải trọng tác động và điều kiện địa chất. Cột có thể có dạng vuông, chữ nhật hoặc hình tròn tùy thuộc vào yêu cầu thiết kế.
5.2. Kèo (thanh ngang)
-
Chức năng: Kèo kết nối các cột và chịu tải trọng từ mái, đồng thời phân bố tải trọng xuống các cột. Kèo cũng có thể được sử dụng để hỗ trợ sàn.
-
Thiết kế: Kèo thường có tiết diện chữ I hoặc chữ H. Thiết kế cần xem xét đến độ dài và độ dày của kèo để đảm bảo khả năng chịu lực và độ bền.
5.3. Mái và sàn
-
Chức năng: Mái bảo vệ công trình khỏi thời tiết và tạo không gian sử dụng cho tầng trên cùng. Sàn tạo ra không gian làm việc và phân chia các tầng.
-
Thiết kế: Mái cần được thiết kế với độ dốc hợp lý để thoát nước mưa, trong khi sàn cần tính toán độ dày và khả năng chịu tải để đáp ứng nhu cầu sử dụng.
6. Quy trình thiết kế
6.1. Xác định tải trọng
- Phân loại tải trọng: Phân loại các loại tải trọng tác động vào kết cấu, bao gồm:
-
Tải trọng chết: Trọng lượng của vật liệu xây dựng và kết cấu.
-
Tải trọng sống: Tải trọng từ người, đồ đạc, và các yếu tố thay đổi theo thời gian.
-
Tải trọng gió: Tính toán theo tiêu chuẩn gió khu vực xây dựng.
-
Tải trọng động đất: Dựa vào các tiêu chuẩn địa phương và phân vùng địa chấn.
- Tiêu chuẩn thiết kế: Sử dụng các tiêu chuẩn hiện hành (như TCVN, AISC, Eurocode) để xác định và tính toán các tải trọng.
6.2. Phân tích kết cấu
-
Phân tích tĩnh: Sử dụng các phương pháp phân tích như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) để xác định ứng suất và biến dạng của kết cấu dưới tải trọng. Các phần mềm như SAP2000, ETABS có thể hỗ trợ phân tích.
-
Phân tích động: Đối với các công trình chịu tác động của gió hoặc động đất, cần thực hiện phân tích động để đánh giá phản ứng của kết cấu. Phân tích động có thể sử dụng các phương pháp như phương pháp phân tích động phổ hoặc phân tích động trực tiếp.
6.3. Thiết kế chi tiết
-
Kích thước và hình dạng: Dựa trên kết quả phân tích, xác định kích thước và hình dạng cụ thể cho từng thành phần của kết cấu. Các kích thước cần đảm bảo tuân thủ quy định của tiêu chuẩn thiết kế.
-
Tính toán cốt thép: Xác định lượng và vị trí cốt thép cần thiết cho từng thành phần bê tông. Cần đảm bảo rằng cốt thép được bố trí hợp lý để chống lại các lực tác động và đảm bảo tính toàn vẹn của kết cấu.
7. Tổng quan các bước thiết kế kết cấu khung bê tông cốt thép
Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép nói chung và kết cấu khung nói riêng; thường theo thứ tự các bước sau:
-
Bước 1: Giới thiệu, mô tả kết cấu;
-
Bước 2: Lựa chọn phương án, lập sơ đồ kết cấu;
-
Bước 3: Chọn kích thước sơ bộ các tiết diện, chọn vật liệu;
-
Bước 4: Tính toán các tải trọng, dự kiến các tác động;
-
Bước 5: Xác định nội lực, tổ hợp nội lực;
-
Bước 6: Tính toán tiết diện, kiểm tra các điều kiện sử dụng;
-
Bước 7: Thiết kế chi tiết, chọn cấu tạo và thể hiện.
Các bước trên được quy về các giai đoạn thiết kế gồm:
-
Thiết kế cơ sở (hay còn gọi là thiết kế sơ bộ);
-
Thiết kế kỹ thuật;
-
Thiết kế bản vẽ thi công.
Với các công trình lớn thiết kế theo ba giai đoạn thì:
-
Thiết kế cơ sở gồm nội dung các bước 1,2,3;
-
Thiết kế kỹ thuật gồm nội dung các bước 4,5,6;
-
Thiết kế bản vẽ thi công gồm nội dung bước 7.
Với các công trình vừa và nhỏ thiết kế theo hai giai đoạn hoặc 1 giai đoạn thì:
Thiết kế trực tiếp luôn bản vẽ thi công, tuy vậy vẫn thực hiện cả 7 bước; trong đó có 1 số bước có thể làm gần đúng và đơn giản hóa đi.
Hồ sơ thiết kế gồm có:
-
Bản thuyết minh;
-
Các bản vẽ thiết kế.
Nội dung của các bước có thể được trình bày trong bản thuyết minh hoặc trong các bản vẽ.
8. Các yếu tố cần xem xét
-
Đánh giá tình hình địa chất: Thực hiện khảo sát địa chất để xác định loại đất, khả năng chịu lực, và các yếu tố ảnh hưởng đến móng và kết cấu. Các phương pháp thí nghiệm như thí nghiệm SPT, CPT có thể được sử dụng.
-
Các yếu tố môi trường: Cần xem xét các yếu tố thời tiết như nhiệt độ, độ ẩm, và sự ăn mòn của môi trường. Đối với những khu vực có khí hậu khắc nghiệt, cần lựa chọn vật liệu và thiết kế phù hợp để đảm bảo độ bền.
-
Quy chuẩn xây dựng: Đảm bảo tuân thủ các quy định, tiêu chuẩn và quy chuẩn xây dựng hiện hành để đảm bảo tính hợp pháp và an toàn của công trình. Điều này bao gồm các quy định về an toàn lao động, bảo vệ môi trường, và chất lượng công trình.
Thiết kế kết cấu khung bê tông cốt thép là một quá trình phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức lý thuyết và kinh nghiệm thực tế. Việc tuân thủ các nguyên tắc thiết kế và quy trình chặt chẽ không chỉ giúp đảm bảo an toàn cho công trình mà còn tối ưu hóa chi phí và nâng cao chất lượng công trình. Hy vọng bài viết này đã cung cấp cho bạn cái nhìn toàn diện và chi tiết về thiết kế kết cấu khung bê tông cốt thép.
5. Giới thiệu đơn vị cung cấp dịch vụ tư vấn thiết kế & thi công uy tín
Tầm quan trọng của các đơn vị thi công là không thể phủ nhận, uy tín của họ sẽ đảm bảo chất lượng và tính thẩm mỹ cho công trình của bạn. Hiện nay, có rất nhiều đơn vị cung cấp dịch vụ thiết kế và thi công để đáp ứng nhu cầu xây dựng ngày càng tăng cao tại nước ta. Do đó, việc tìm kiếm một đơn vị uy tín không phải là điều dễ dàng và đòi hỏi bạn phải dành thời gian tìm hiểu. Trong quá trình lựa chọn, bạn cần tìm hiểu thật kỹ và đảm bảo rằng đơn vị đi cùng phải có chuyên môn cao, nhiều năm kinh nghiệm, có hợp đồng ký kết rõ ràng, chi phí minh bạch,... Để giúp khách hàng tiết kiệm thời gian tìm kiếm, Công ty TNHH Đầu tư Xây dựng Hưng Nghiệp Phú tự tin rằng sẽ là sự lựa chọn tốt nhất dành cho bạn.
Công ty TNHH Đầu tư Xây dựng Hưng Nghiệp Phú với sứ mệnh cung cấp các giải pháp và dịch vụ tốt nhất, xây dựng cộng đồng thịnh vượng cùng khách hàng, Hưng Nghiệp Phú đang từng bước khẳng định thương hiệu của mình thông qua sự hợp tác chân thành, với đội ngũ lãnh đạo có năng lực đạo đức, sáng tạo, chuyên môn cao và tầm nhìn chiến lược. Hưng Nghiệp Phú sở hữu đội ngũ nhân viên lành nghề, trình độ cao sẽ mang đến cho khách hàng những công nghệ chất lượng tốt nhất.
Công ty TNHH Đầu tư Xây dựng Hưng Nghiệp Phú - chuyên thi công các công trình dân dụng và công nghiệp. Chúng tôi mong muốn được đồng hành cùng khách hàng trong các dự án xây dựng cũng như các thủ tục liên tục như sơ đồ quy hoạch, xin giấy phép xây dựng, hoàn thiện thủ tục, xin cấp chứng chỉ phòng cháy chữa cháy,... Nếu bạn có bất kỳ thắc mắc nào hoặc đang có nhu cầu thiết kế, hoàn thiện thủ tục, hãy liên hệ ngay với chúng tôi để được tư vấn miễn phí!
>>> Xem thêm:
_____________________
THÔNG TIN LIÊN HỆ:
Facebook: Công ty TNHH Đầu tư Xây dựng Hưng Nghiệp Phú (興業富)
Đường dây nóng: 1800.3368 (Miễn phí)
Trang web: xaydunghungnghiepphu.com
Gmail: kinhdoanh01@xaydunghungnghiepphu.com
Địa chỉ: Số 2034D, tổ 22, Ấp Phước Thái, P. Thái Hòa, TP. Tân Uyên, Tỉnh Bình Dương
------
Nguồn: Tổng hợp từ Internet
