Bài giảng Kết cấu công trình - Chương 3: Kết cấu mái

KẾT CẤU MÁI Môn học: KẾT CẤU CÔNG TRÌNH Ngành: Kiến trúc-Quy hoạch KHOA XÂY DỰNG, TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP.HCM 21.KHÁI QUÁT 1.1. Yêu cầu của kết cấu mái - Đủ khả năng chịu lực (tải trọng mái, giĩ) - Bền vững lâu dài - Cách nhiệt, chống thấm, chịu được mưa nắng, cĩ độ dốc thốt nước mưa - Cĩ hình dạng phù hợp kiến trúc cơng trình - Thi cơng dễ dàng, giá thành hợp lý 1.2. Phân loại kết cấu mái a. Mái phẳng và mái khơng gian 31.KHÁI QUÁT 1.2. Phân loại kết cấu mái b. Mái nặng và mái nhẹ Mái nặng: kết cấu mang lực mái bằng BTCT hoặc thép. Bản mái BTCT đúc tại chỗ hoặc đúc sẵn Mái nhẹ: kết cấu mang lực mái bằng thép hoặc gỗ. Mái lợp ngĩi hoặc các vật liệu nhẹ (tơn, tấm nhựa, ...) 42. MÁI BTCT - Tồn khối, lắp ghép, bán lắp ghép - Mái phẳng, mái vỏ mỏng khơng gian - Mái bằng (i  1/8), mái dốc (i > 1/8) 2.1. Mái tồn khối - Ưu điểm: khả năng chống thấm cao, tạo độ cứng khơng gian lớn cho cơng trình - Bản cĩ sườn (bản dầm, bản kê bốn cạnh), hoặc bản khơng sườn. -Lớp cách nhiệt (dày 100150mm), vữa chống thấm (dày 1520mm), gạch lá nem - Tính tốn bản mái tồn khối: tương tự sàn tồn khối. 2.2. Mái lắp ghép - Cĩ xà gồ hoặc khơng cĩ xà gồ - Các lớp cấu tạo: gạch lá nem, bêtơng chống thấm, lớp cách nhiệt, panen mái (1,5x6m; 3x6m) - Hệ kết cấu mái bao gồm: panen mái, xà gồ, dầm mái, vịm, dàn mái, kết cấu đỡ dàn, ... 53. DầM MÁI BTCT Thích hợp cho nhịp dưới 18 m; nếu dùng ứng lực trước thì nhịp ≥ 24 m 3.1. Đặc điểm cấu tạo - Hình dạng: một mái dốc, hai mái dốc, cánh thượng cong. - Độ dốc mái: 1/12 ÷ 1/8 - Tiết diện: chữ T hoặc I Chiều cao giữa dầm Chiều cao đầu dầm lh     15 1 10 1 lh     35 1 20 1 1 hay lấy h1=80cm -Hình dạng: một mái dốc, hai mái dốc, cánh thượng cong. 6Các loại dầm mái 3. DầM MÁI BTCT 7-Khi chiều cao dầm lớn  khoét lỗ bản bụng (hình trịn, đa giác) để giảm trọng lượng bản thân. Khơng khoét lỗ ở khu vực gối tựa và chỗ cĩ lực tập trung. -Bản bụng: dày ≥ 80 mm -Cánh nén: b’c = 200 ÷ 400 mm ; bảo đảm điều kiện ổn định khi chế tạo, cẩu lắp và chiều sâu gối tựa tối thiểu của panen mái. -Cánh kéo: bc = 200 ÷ 250 mm ; phụ thuộc việc bố trí cốt thép chịu kéo trong dầm và cường độ của dầm khi buơng cốt thép ứng lực trước. -Ở đầu dầm, bản bụng được mở rộng (bằng bề rộng cánh hạ) để chịu phản lực gối tựa và đảm bảo liên kết đầu dầm với đầu cột. -Dầm cĩ nhịp trên 15m phải đặt thép ứng lực trước để tránh những vết nứt đáng kể xuất hiện trong dầm. -Lỗ bản bụng được gia cố để tránh nứt do tập trung ứng suất. -Khi dầm cĩ chiều cao lớn, chịu tải tập trung lớn cấu tạo các sườn đứng (cách khoảng 3m) để đảm bảo ổn định cho bản bụng. 3. DầM MÁI BTCT 3.1. Đặc điểm cấu tạo 8 Hình dáng và bố trí cốt thép trong dầm mái ứng lực trước nhịp 18m 93. DầM MÁI BTCT 3.2. Đặc điểm tính tốn dầm hai mái dốc - Sơ đồ tính: dầm đơn giản kê tự do hai đầu -Tải trọng: trọng lượng bản thân dầm mái, trọng lượng panen mái và các lớp cấu tạo, hoạt tải sửa chữa, tải trọng của cầu trục treo (nếu cĩ), vv... -Tiết diện cần diện tích cốt thép dọc chịu kéo lớn nhất cĩ thể khơng phải ở chính giữa nhịp dầm (nơi cĩ Mmax), mà thường cách gối tựa một đoạn x = (0,350,4)l ; hoặc cĩ thể ở dưới chân cửa mái. -Tính tốn cốt đai, cốt xiên -Tính tốn độ võng 10 4. Vịm mái BTCT 4.1. Đặc điểm cấu tạo PVSD: mái nhà nhịp trên 18m; khi nhịp trên 36m thì vịm kinh tế hơn dàn Sơ đồ kết cấu: -Vịm ba khớp: lắp ghép từ hai nửa vịm -Vịm hai khớp: thường cĩ thanh căng -Vịm khơng khớp: thường thi cơng tồn khối, tựa trên mĩng và truyền lực ngang xuống mĩng Cĩ thể tận dụng các kết cấu ở hai bên để chịu lực xơ ngang của vịm. Vịm hai khớp cĩ thanh căng (phổ biến trong kết cấu nhà cửa) lf     8 1 5 1 Độ vồng (mũi tên vịm) Trục hợp lý của vịm khi chịu tải phân bố đều 2 )(4 l xlfxy  Thực tế: vịm chịu tải trọng lệch cĩ moment uốn. Để định hình hĩa và đơn giản cấu tạo lấy trục vịm là đường trịn khi vịm thoải (f ≤ l/5). 11 4. Vịm mái BTCT 4.1. Đặc điểm cấu tạo  Tiết diện vịm: chữ nhật hoặc chữ I, với  Để thanh căng khơng bị võng  bố trí thanh treo cách khoảng 4 ÷ 6 m. lh     40 1 30 1 Nhịp vịm, m 12 15 18 21 24 27 30 Chiều cao h, cm 40 ÷ 45 45 ÷ 50 50 ÷ 60 60 ÷ 70 70 ÷ 75 75 ÷ 80 80 ÷ 85 Chiều rộng b, cm 20 20 ÷ 25 25 25 ÷ 30 25 ÷ 30 30 ÷ 35 30 ÷ 35 Số lượng thanh treo 2 3 4 5 Tiết diện thân vịm và số thanh treo trong vịm  Thân vịm: cấu tạo như cấu kiện nén (hoặc kéo) lệch tâm.  Thanh căng: thép hình, thép trịn, BTCT (ứng lực trước). 12 Hình dáng và bố trí cốt thép trong vòm mái nhịp 36m 4. Vịm mái BTCT 13 Concrete arch bridges combine the compression capacity of concrete to arch over a river with the tension capacity of steel to tie the ends of the arch together. This photo is the Wilson River Bridge, the first concrete tied-arch bridge in America, built in 1931 on Oregon’s Pacific coast highway. 14 4. Vịm mái BTCT 4.2. Một số biện pháp xử lý lực xơ ngang ở chân vịm 4.3. Khái niệm tính tốn vịm Sơ đồ tính toán vòm hai khớp -Tải trọng: tĩnh tải, hoạt tải đặt ở nửa vịm, hoạt tải đặt ở cả vịm, tải trọng cầu trục treo vv... Khi nhịp lớn phải xét co ngĩt và từ biến của bêtơng -Xác định nội lực vịm hai khớp cĩ thanh căng: xem sách -Tính tốn và cấu tạo cốt thép: oThân vịm: cấu kiện chịu nén (hoặc kéo) lệch tâm. Chiều dài tính tốn l0 bằng 0,58 S (vịm ba khớp); 0,54 S (vịm hai khớp) hoặc 0,36 S (vịm khơng khớp); với S là chiều dài trục vịm oThanh căng: cấu kiện chịu kéo đúng tâm. 15 5.1. Hình dạng dàn vì kèo 5. DÀN THÉP dàn tam giác công son dàn tam giác có thanh căng Dàn tam giác . Dàn hình thang h0 Dàn hình thang một mái dốc Hình 5.6. Dàn có cánh song song Dàn có cánh song song 1 mái dốc Dàn có cánh song song 2 mái dốc, một thanh căng . Dàn đa giác - cánh cung Dàn mái răng cưa 16 a. Dàn tam giác chỉ có thể liên kết khớp với cột, độ cứng ngoài mặt phẳng không lớn không phù hợp biểu đồ moment uốn: nội lực các thanh chênh lệch nhiều, một số thanh bụng chịu nén nhỏ nhưng chiều dài lớn nên tiết diện phải chọn theo độ mảnh giới hạn  lãng phí vật liệu Sử dụng hợp lý cho mái cần độ dốc lớn (ngói,tole)  Phù hợp với yêu cầu sử dụng  Thỏa mãn yêu cầu kiến trúc và việc thoát nước mái  Kích thước và cách bố trí cửa trời  Cách liên kết dàn với cột, tạo được kết cấu mái và công trình có đủ độ cứng  Kinh tế (tiết kiệm vật liệu , dễ gia công chế tạo và dựng lắp) Yêu cầu chọn hình dạng dàn vì kèo 17 5.1. Hình dạng dàn vì kèo b. Dàn hình thang Độ dốc mái nhỏ (tấm lợp là panen BTCT) Khá phù hợp biểu đồ moment uốn, nội lực các thanh hợp lý hơn Nhiều ưu điểm về mặt cấu tạo: góc giữa các thanh không quá nhỏ, chiều dài thanh không quá lớn Chiều cao đầu dàn lớn dễ liên kết cứng với cột  tăng độ cứng công trình c. Dàn cánh song song  Các thanh cùng loại dài bằng nhau, có nhiều mắt giống nhau  dễ thống nhất hóa về mặt cấu tạo  Làm dàn cầu, dàn đỡ kèo, tháp, trụ, cần cẩu, . . . Nặng 5. DÀN THÉP 18 d. Dàn đa giác và dàn cánh cung Rất phù hợp biểu đồ momnet uốn, phân bố nội lực các thanh hợp lý, không chênh lệch nhiều nên số loại thanh ít tiết kiệm vật liệu Cánh trên bị gãy khúc hoặc uốn cong nên chế tạo khó chỉ dùng khi nhịp khá lớn. 5.1. Hình dạng dàn vì kèo 5.2. Hệ thanh bụng 5. DÀN THÉP 19 5.3. Kích thước chính của dàn •a. Nhịp dàn (L) bội số của 3m khi L 18m dàn thường (tiết diện 2 thép góc): L = 18; 24; 30; 36m •b. Bước dàn (B) Khoảng cách các dàn trong công trình, thường dùng B = 6m •c. Chiều cao dàn dàn hình thang và dàn cánh song song hgiữa dàn = (1/8  1/10) L ; hđầu dàn = (1/15  1/20) L dàn tam giác: tùy độ dốc cánh trên, khi mái dốc 220 đến 400 hgiữa dàn= (1/4  1/3) L, nếu độ dốc nhỏ hơn (lợp tole) thì làm chiều cao đầu dàn 450mm. 5. DÀN THÉP 20 •d. Khoảng cách nút (mắt) dàn Mái có xà gồ: d = khoảng cách xà gồ (1,5  3 m) Mái lợp tấm panen BTCT: d = bpanen = 1,5  3 m Cánh dưới: a= 3  6 m (dàn tam giác) a = 6 m (dàn hình thang) 5.3. Kích thước chính của dàn 5. DÀN THÉP 21 •e. độ vồng xây dựng (độ vồng cấu tạo) •Thường fxd=1/200 L  khử bớt độ võng của dàn khi chịu tải 5.4. Hệ giằng không gian  xem bài: Kết cấu nhà công nghiệp một tầng Dàn mảnh theo phương ngoài mặt phẳng  dễ mất ổn định.  Các dàn cần giằng lại với nhau  tạo khối không gian ổn định  Hệ giằng cánh trên, hệ giằng cánh dưới, hệ giằng đứng 5.3. Kích thước chính của dàn 5. DÀN THÉP 22 HỆ GIẰNG CÁNH TRÊN HỆ GIẰNG CÁNH DƯỚI HỆ GIẰNG ĐỨNG g i a è n g đ ư ù n g A-A AA 23 Hệ giằng trong mặt phẳng cánh trên Gồm các thanh chéo chữ thập và các thanh chống dọc nhà. Thanh chéo chữ thập bố trí ở hai đầu khối nhiệt độ, nếu khối nhiệt độ quá dài thì bố trí thêm ở khoảng giữa khối sao cho khoảng cách giữa chúng không quá 5060 m. Thanh chống dọc cố định những nút quan trọng của dàn: nút đỉnh dàn, nút đầu dàn, nút dưới chân cửa trời. Tác dụng: bảo đảm ổn định cho thanh cánh trên chịu nén, tạo ra những điểm cố kết không chuyển vị ra ngoài mặt phẳng dàn 5.4. Hệ giằng không gian 5. DÀN THÉP 24 Hệ giằng trong mặt phẳng cánh dưới Đặt tại vị trí có giằng cánh trên, cùng với giằng cánh trên tạo thành khối cứng không gian bất biến hình. Tại đầu hồi nhà, hệ giằng cánh dưới làm gối tựa cho cột đầu hồi, chịu tải trọng gió thổi lên tường hồi nên còn được gọi là dàn gió. Khi nhà có cầu trục lớn thì bố trí thêm hệ giằng dọc để tăng độ cứng dọc nhà. Hệ giằng đứng Đặt trong mặt phẳng các thanh đứng, cùng với các giằng nằm tạo thành khối cứng bất biến hình, giữ vị trí và cố định dàn kèo khi dựng lắp. Bố trí tại các thanh đứng đầu dàn, thanh đứng giữa dàn (hoặc dưới chân cửa trời), cách 1215m theo phương ngang nhà. Theo phương dọc nhà thì giằng đứng bố trí tại các vị trí có giằng cánh trên và giằng cánh dưới. 5.4. Hệ giằng không gian 5. DÀN THÉP 25 5. DÀN THÉP 5.5. Một số chi tiết cấu tạo Nút trung gian 26 Nút gối sườn gia cố 1. Bản mã 2. Bản đế 3. Sườn gia cố 5. DÀN THÉP 5.5. Một số chi tiết cấu tạo 27 Nút đỉnh dàn 1. Bản nối 2. Bản ghép 3. Sườn gia cố 5. DÀN THÉP 5.5. Một số chi tiết cấu tạo 28 Nút giữa dàn 1. Bản nối 2. Bản ghép 3. Sườn gia cố 5. DÀN THÉP 5.5. Một số chi tiết cấu tạo 29 Nút nối thanh cánh 5. DÀN THÉP 5.5. Một số chi tiết cấu tạo 30 Gia cường cánh trên tại điểm có lực tập trung Tấm thép đệm trong thanh dàn 5. DÀN THÉP 5.5. Một số chi tiết cấu tạo 31 Nút dàn nhẹ Gối dàn thép vào cột BTCT 5. DÀN THÉP 5.5. Một số chi tiết cấu tạo 32 Nút dàn thép ống 5. DÀN THÉP 5.5. Một số chi tiết cấu tạo