Kiến trúc - Xây dựng - Thiết kế khung phẳng kết cấu thép

ETABS Bài tập cơ bản mở đầu THIẾT KẾ KHUNG PHẲNG KẾT CẤU THÉP BÀI TẬP 1 Hình 1.1a. Liên kết dầm sàn Hình 1.1b. Sơ đồ khung Một khung thép có nhịp 9m, chiều cao tầng 1 là 4.2m, các tầng còn lại là 3.6m (hình 1.1b). Đây là khung chịu lực chính của công trình dùng kết cấu sàn composite (hình 1.1a). Tĩnh tải tiêu chuẩn và hoạt tải tiêu chuẩn từ các dầm phụ truyền vào khung như (hình 1.3 và 1.4), tải trọng gió tiêu chuẩn như (hình 1.5). - Các cấu kiện có tiết diện chữ I làm bằng thép CT3 tổ hợp hàn, kích thước như sau (hình 1.2): * Cột : t3=400mm; t2=300mm; tf=12mm; tw=8mm. * Dầm sàn : t3=600mm; t2=200mm; tf=10mm; tw=8mm. * Dầm mái : t3=500mm; t2=200mm; tf=10mm; tw=8mm. - Dầm và cột liên kết cứng, cột và móng liên kết khớp Hình 1.2. Tiết diện chữ I Nội dung của bài tập : (1) Chạy bài toán Analysis để phân tích kết cấu (nội lực và biến dạng). (2) Chạy bài toán Design để kiểm tra kích thước tiết diện theo tiêu chuẩn AISC-LRFD99, với hai trường hợp: • tổ hợp tải trọng theo TCVN • tổ hợp tải trọng theo AISC-LRFD99 (3) Tiết diện đã chọn ban đầu khá dư. Thực hiện quá trình lặp Analysis → Design → Analysis → Design→ ... để thiết kế tối ưu khung thép, trong đó sẽ cho ETABS tự động chọn tiết diện nhỏ nhất mà vẫn bảo đảm khả năng chịu lực (kinh tế nhất). (4) Thiết kế tối ưu khung thép có xét thêm điều kiện về khống chế chuyển vị (độ võng của dầm do toàn bộ tải trọng đứng, độ nghiêng của cột do tải trọng ngang, ...). So sánh tiết diện được chọn với kết quả tiết diện ở mục (3). Nguyễn Hữu Anh Tuấn 1 ETABS Bài tập cơ bản mở đầu Hình 1.3. Tĩnh tải (T) Hình 1.4. Hoạt tải (T) Nguyễn Hữu Anh Tuấn 2 ETABS Bài tập cơ bản mở đầu Hình 1.5. Tải trọng gió từ trái sang phải (T) THIẾT KẾ KHUNG THÉP TIỀN CHẾ CÓ TIẾT DIỆN THAY ĐỔI BÀI TẬP 2 Hình 2.1. Sơ đồ khung ngang nhà xưởng Số liệu L = 32m H = 6.5m i = 15% Bước cột = 8m Thép CT3 Vùng gió II-A Địa hình dạng B Bảng 2.1. KÍCH THƯỚC TIẾT DIỆN CHỮ I CỦA KHUNG NGANG Vị trí t3 (mm) t2 (mm) tf (mm) tw (mm) Chân cột 400 250 12 8 Đỉnh cột (nách) 700 250 12 8 Đầu xà ngang (nách) 700 250 12 8 Giữa xà ngang 400 250 12 8 Đỉnh xà ngang 500 250 12 8 Nguyễn Hữu Anh Tuấn 3 ETABS Bài tập cơ bản mở đầu Ta dự định sẽ chỉ tính khung ngang chính, do đó tải trọng (thẳng đứng và gió) tác dụng lên khung cửa mái được quy về thành lực tập trung trên khung ngang. Tĩnh tải - Phân bố trên chiều dài xà ngang do tole, xà gồ, lớp cách nhiệt = 137 kG/m (chưa kể trọng lượng bản thân khung thép) - Tập trung tại chân cửa mái (do khung cửa mái, kể cả kính) = 1026 kG - Phân bố trên chiều dài cột (do vách bao che) = 137 kG/m Hoạt tải - Phân bố trên chiều dài xà ngang = 312 kG/m - Tập trung tại chân cửa mái (do khung cửa mái truyền xuống) = 945 kG Gió { xem hình 2.2 } Hình 2.2 Các sơ đồ để tính tác động của gió - Phân bố trên chiều dài cột phía đón gió = 637 kG/m - Phân bố trên chiều dài cột phía khuất gió = 398 kG/m - Phân bố trên xà ngang (gió bốc vuông góc với xà ngang) : 112 kG/m cho phía đón gió và 398 kG/m cho phía khuất gió. - Tập trung tại chân cửa mái : lực ngang 1120 kG và 268 kG; lực đứng 648 kG và 643 kG Hình 2.3. Mô hình khung thép tiền chế có tiết diện thay đổi Nguyễn Hữu Anh Tuấn 4 ETABS Bài tập cơ bản mở đầu KHUNG –SÀN KHÔNG GIAN BTCT BÀI TẬP 3 Hình 3.1. Mô hình kết cấu không gian Hình 3.2. Mặt bằng cột, dầm sàn tầng điển hình Nguyễn Hữu Anh Tuấn 5 ETABS Bài tập cơ bản mở đầu Hình 3.3. Hoạt tải tính toán (T/m2) trên sàn tầng điển hình Hình 3.4 Trọng lượng các lớp hoàn thiện (T/m2) trên sàn tầng điển hình Hình 3.5. Trọng lượng tường xây trực tiếp trên sàn, tạm quy đổi ra phân bố đều (T/m2) Nguyễn Hữu Anh Tuấn 6 ETABS Bài tập cơ bản mở đầu KHUNG SÀN KHÔNG GIAN BTCT BÀI TẬP 4 Một công trình văn phòng 8 tầng có mô hình kết cấu như hình 4.1. Hình 4.2 thể hiện mặt bằng lưới cột. Kích thước tiết diện cột BTCT có thể xem trên các mặt cắt hình 4.3, 4.4 và 4.5. Hình 4.6. thể hiện mặt bằng bố trí đà kiềng BTCT. Trong quá trình nhập tải trọng thì bạn hãy nhập trọng lượng tường xây cho hệ đà kiềng này, với các tường dày 200mm ở biên và các tường ngăn dày 100mm ở giữa, các khu vực sinh hoạt chung (sảnh, hành lang, ...) không có tường. Các hình 4.7, 4.8, 4.9 và 4.10 thể hiện mặt bằng bố trí dầm sàn BTCT, gồm có các dầm chính và dầm phụ trực giao. Kích thước tiết diện cũng được cho trên hình vẽ. Ví dụ S80 là sàn dày 80mm, S100 là sàn dày 100mm, D30x60 là tiết diện dầm có chiều cao 60cm và chiều rộng 30cm, C55x55 là tiết diện cột vuông cạnh 55cm, vv... Hình 4.1. 3-D view Hình 4.2. Lưới cột Nguyễn Hữu Anh Tuấn 7 ETABS Bài tập cơ bản mở đầu Hình 4.3. Mặt cắt qua trục D hoặc B Ghi chú : Khoảng cách từ mặt móng tới đà kiềng : 1.5m Chiều cao mỗi tầng từ tầng 1 tới mái : 4.2 m Chiều cao buồng che cầu thang : 2.8m Bảng 4.1. CÁC TRƯỜNG HỢP TẢI TRỌNG Tên Diễn giải BanThan Trọng lượng bản thân kết cấu, do phần mềm tự tính (n=1.1) HoanThien Trọng lượng các lớp hoàn thiện, được nhập dưới dạng tải phân bố trên sàn có chiều gravity với trị số được cho ở hình 4.11 Tuong Trọng lượng tường xây trên dầm được nhập dưới dạng lực phân bố trên Frame. Trọng lượng tường xây trên sàn được nhập dưới dạng tải phân bố trên AREA có chiều gravity với trị số được cho ở hình 4.12 HoatTai1 HoatTai2 HoatTai3 HoatTai4 Hoạt tải sử dụng trên sàn với trị số được cho trên hình 4.13. Ta xét bốn trường hợp xếp hoạt tải cách tầng theo từng dãy như hình 4.15 (HoatTai1), 4.16 (HoatTai2), 4.17 (HoatTai3) và 4.18 (HoatTai4); trong đó các ô sàn được gạch chéo là các ô sàn được nhập hoạt tải. GioX Gió theo chiều trục X GioY Gió theo chiều trục Y Nguyễn Hữu Anh Tuấn 8 ETABS Bài tập cơ bản mở đầu Một số chú ý khi nhập tải trọng đứng : - Nhập thêm tải trọng trên dầm ở khu vực chiếu tới cầu thang (trục 1-2-B-C và trục 5-6-B-C) do cầu thang truyền vào (tải phân bố trên một đoạn dầm). - Nhập thêm tải trọng tập trung tại cột trục 1-B, 1-C, 6-B, 6-C các tầng do dầm chiếu nghỉ truyền vào. - Nhập thêm tải trọng tập trung tại cột trục 1-B, 1-D, 2-B, 2-D, 5-B, 5-D, 6-B, 6-D ở đỉnh buồng thang do hồ nước mái truyền vào. Lưu ý là do ta chưa đưa cầu thang và hồ nước mái vào mô hình tính nên cần nhập các tải trọng này. - Bạn có thể cho hoạt tải của mái khác với hoạt tải các sàn dưới theo hướng dẫn của tiêu chuẩn Tải trọng và tác động. Một số chú ý khi nhập tải trọng ngang: - Có nhiều cách mô tả tải trọng gió. Trong bài tập này ta quy lực gió thành lực tập trung tác dụng tại các nút cột biên mỗi tầng, gom gió đẩy và gió hút thành một trị số luôn cho gọn. Chẳng hạn lực gió của trường hợp GioX và GioY tại tầng 2 được nhập như hình 4.14. - Trị số tính toán của áp lực gió (T/m2) và lực gió (T) được thể hiện trong bảng 4.2 và 4.3. Hình 4.4. Mặt cắt qua trục A hoặc E Nguyễn Hữu Anh Tuấn 9 ETABS Bài tập cơ bản mở đầu Hình 4.5. Mặt cắt qua trục C Bảng 4.2. ÁP LỰC GIÓ Tầng Chiều cao Cao trình k c Áp lực gió tầng (m) z (m) W (T/m2) Trệt 4.2 0 có thể bỏ qua nếu muốn Lầu 1 4.2 4.2 0.8552 1.4 0.119 Lầu 2 4.2 8.4 0.9688 1.4 0.135 Lầu 3 4.2 12.6 1.0422 1.4 0.145 Lầu 4 4.2 16.8 1.0976 1.4 0.153 Lầu 5 4.2 21 1.1426 1.4 0.159 Lầu 6 4.2 25.2 1.1807 1.4 0.165 Lầu 7 4.2 29.4 1.2139 1.4 0.169 Mái 4.2 33.6 1.2434 1.4 0.173 Buồng thang 2.8 36.4 1.2615 1.4 0.176 Ghi chú : Vùng áp lực gió II-A (W0= 83 daN/m2); địa hình dạng B; hệ số khí động c=1.4 (gộp chung phía đón gió và khuất gió); hệ số độ tin cậy n=1.2; Nguyễn Hữu Anh Tuấn 10 ETABS Bài tập cơ bản mở đầu Bảng 4.3. LỰC GIÓ TẬP TRUNG TẠI NÚT CỘT BIÊN MỖI TẦNG (T) LỰC GIÓ PHƯƠNG X LỰC GIÓ PHƯƠNG Y Cao trình TRỤC A TRỤC B TRỤC D TRỤC E TRỤC 1, 6 TRỤC 2, 5 TRỤC 3, 4 Lầu 1 1.753 3.406 3.306 1.653 1.753 3.506 2.805 Lầu 2 1.986 3.858 3.745 1.872 1.986 3.972 3.177 Lầu 3 2.136 4.150 4.028 2.014 2.136 4.272 3.418 Lầu 4 2.250 4.371 4.242 2.121 2.250 4.500 3.600 Lầu 5 2.342 4.550 4.416 2.208 2.342 4.684 3.747 Lầu 6 2.420 4.702 4.564 2.282 2.420 4.840 3.872 Lầu 7 2.488 4.834 4.692 2.346 2.488 4.976 3.981 Mái 2.549 4.952 4.806 2.403 2.549 5.097 4.078 Buồng thang 0.000 1.625 1.625 0.000 1.724 1.724 0.000 Hình 4.6. Mặt bằng đà kiềng Ghi chú : tiết diện đà chính= 300x600; đà ngăn tường nhỏ = 200x200; đà phụ = 200x400 Nguyễn Hữu Anh Tuấn 11 ETABS Bài tập cơ bản mở đầu Hình 4.7. Mặt bằng kết cấu tầng điển hình (1---> 7) Hình 4.8. Tiết diện dầm sàn tầng điển hình (1---> 7) Nguyễn Hữu Anh Tuấn 12 ETABS Bài tập cơ bản mở đầu Hình 4.9. Mặt bằng dầm sàn mái Ghi chú : chiều dày sàn và tiết diện dầm giống tầng điển hình Hình 4.10. Mặt bằng dầm sàn mái che cầu thang Ghi chú : tiết diện dầm chính = 250x500; dầm phụ 200x350; sàn dày 80 Nguyễn Hữu Anh Tuấn 13 ETABS Bài tập cơ bản mở đầu Hình 4.11. Trọng lượng các lớp hoàn thiện trên sàn tầng điển hình (T/m2) Hình 4.12. Trọng lượng tường xây trực tiếp trên sàn tầng điển hình (T/m2) Nguyễn Hữu Anh Tuấn 14 ETABS Bài tập cơ bản mở đầu Hình 4.13. Hoạt tải sàn tầng điển hình (T/m2) Hình 4.14. Lực gió ở cao trình lầu 2 Tổ hợp Cấu trúc Tổ hợp Cấu trúc 1 TinhTai + HoatTai1 16 TinhTai + 0.9 (HoatTai2 − GioX) 2 TinhTai + HoatTai2 17 TinhTai + 0.9 (HoatTai3 − GioX) 3 TinhTai + HoatTai3 18 TinhTai + 0.9 (HoatTai4 − GioX) 4 TinhTai + HoatTai4 19 TinhTai + 0.9 (HoatTaiDay − GioX) 5 TinhTai + HoatTaiDay 20 TinhTai + 0.9 (HoatTai1 + GioY) 6 TinhTai + GioX 21 TinhTai + 0.9 (HoatTai2 + GioY) 7 TinhTai − GioX 22 TinhTai + 0.9 (HoatTai3 + GioY) 8 TinhTai + GioY 23 TinhTai + 0.9 (HoatTai4 + GioY) 9 TinhTai − GioY 24 TinhTai + 0.9 (HoatTaiDay + GioY) 10 TinhTai + 0.9 (HoatTai1 + GioX) 25 TinhTai + 0.9 (HoatTai1 − GioY) 11 TinhTai + 0.9 (HoatTai2 + GioX) 26 TinhTai + 0.9 (HoatTai2 − GioY) 12 TinhTai + 0.9 (HoatTai3 + GioX) 27 TinhTai + 0.9 (HoatTai3 − GioY) Nguyễn Hữu Anh Tuấn 15 ETABS Bài tập cơ bản mở đầu 13 TinhTai + 0.9 (HoatTai4 + GioX) 28 TinhTai + 0.9 (HoatTai4 − GioY) 14 TinhTai + 0.9 (HoatTaiDay + GioX) 29 TinhTai + 0.9 (HoatTaiDay − GioY) 15 TinhTai + 0.9 (HoatTai1 − GioX) Envelope max,min {1,2, ...., 29} Lầu 1, 3, 5, 7, buồng thang Lầu 2, 4, 6, mái Hình 4.15. Trường hợp HoatTai1 Lầu 2, 4, 6, mái Lầu 1, 3, 5, 7, buồng thang Hình 4.16. Trường hợp HoatTai2 Lầu 1, 3, 5, 7, buồng thang Lầu 2, 4, 6, mái Hình 4.17. Trường hợp HoatTai3 Nguyễn Hữu Anh Tuấn 16 ETABS Bài tập cơ bản mở đầu Lầu 2, 4, 6, mái Lầu 1, 3, 5, 7, buồng thang Hình 4.18. Trường hợp HoatTai4 (a) Lưới trên mặt bằng (b) Lưới theo chiều cao Hình 4.19. Định nghĩa hệ thống lưới để khởi tạo mô hình. Nguyễn Hữu Anh Tuấn 17 ETABS Bài tập cơ bản mở đầu THIẾT KẾ KHUNG KHÔNG GIAN KẾT CẤU THÉP BÀI TẬP 5 Hình 5.1 Mặt bằng dầm sàn điển hình Hình 5.2. Mô hình kết cấu không gian Nguyễn Hữu Anh Tuấn 18 ETABS Bài tập cơ bản mở đầu Hình 5.3. Một số chi tiết liên kết Một công trình văn phòng 3 tầng, lưới cột 9mx9m như hình 5.1 và 5.2. Khung chịu lực chính gồm có cột và dầm thép. Hệ dầm gồm có dầm chính (nhịp 9m), và các dầm phụ (nhịp 9m) cách khoảng 1.8m. Kết cấu sàn thuộc loại composite, gồm bản bêtông nằm trên tấm deck. Có 2 ô cầu thang kết hợp giếng trời có kích thước 5m x 5.4m. Chiều cao tầng 1 là 4.5m, mỗi tầng còn lại là 4m. • Kích thước tiết diện sơ bộ (bạn đọc cần kiểm tra lại, và thay đổi cho hợp lý hơn) : Cột H400x400x12x8; Dầm chính I600x200x12x8; Dầm phụ I500x180x10x6; bản BT dày 60 • Tải trọng • Tầng 1 và 2 : Tĩnh tải: - Lớp hoàn thiện và vách ngăn cố định trên sàn : 0.20 T/m2 - Trên các dầm biên theo chu vi : 0.38 T/m - Trên dầm chiếu tới khu cầu thang : 1.50 T/m Hoạt tải: - Trên sàn : 0.24 T/m2 - Trên dầm chiếu tới (do cầu thang truyền vào) : 1.50 T/m • Mái bằng : Tĩnh tải: - Lớp hoàn thiện (kể cả chống thấm, cách nhiệt) trên sàn : 0.22 T/m2 - Dọc các dầm biên do sênô : 0.30 T/m Hoạt tải: - Hoạt tải sửa chữa mái : 0.1 T/m2 - Dọc các dầm biên do nước mưa trên sênô, ... : 0.4 T/m • Tải trọng gió Có thể quy thành lực theo phương ngang phân bố trên dầm biên mỗi tầng. Tầng 1: 0.50 T/m; Tầng 2: 0.56 T/m; Tầng mái : 0.30 T/m • Tổ hợp phản ứng (1) Tĩnh Tải + Hoạt tải (2) Tĩnh Tải + 0.9 [ Hoạt tải + Gió chiều X ] (3) Tĩnh Tải + 0.9 [ Hoạt tải − Gió chiều X ] (4) Tĩnh Tải + 0.9 [ Hoạt tải + Gió chiều Y ] (5) Tĩnh Tải + 0.9 [ Hoạt tải − Gió chiều Y ] Nguyễn Hữu Anh Tuấn 19