Lựa chọn phương án kết cấu và công cụ tính toán cho công trình

Chương 2 Lựa chọn phương án kết cấu và công cụ tính toán cho công trình i. đặc điểm THIếT Kế kết cấu Kết cấu công trình ngầm phụ thuộc vào các giải pháp qui hoạch không gian, chiều sâu chôn ngầm, các điều kiện địa chất công trình và các tác động xâm thực của môi trường xung quanh, điều kiện khí hậu, tải trọng, trạng thái bề mặt cũng như các biện pháp thi công. Với công trình “Hầm đậu xe công trường Lam Sơn’’ thì kết cấu công trình thiết kế có các đặc điểm sau: Toàn bộ công trình chôn sâu trong đất tới gần 30(m).Tác động của tải trọng ngang khá lớn và biến đổi phức tạp theo giai đoạn thi công. Mực nước ngầm tương đối cao (Tại cos -9,5m) nên áp lực đẩy nổi của nước lên toàn bộ bản đáy là tương đối lớn, tải này cùng với tải ngang gây cho công trình trạng thái chịu lực phức tạp. Ngoài ra trong môi trường đất – nước công trình còn chịu ăn mòn, xâm thực lớn làm giảm đáng kể tuổi thọ công trình nếu không có giải pháp xử lý thích hợp. Kết cấu công trình cần đảm bảo chắc chắn có khả năng chống thấm tốt . Công trình cần có tuổi thọ lâu dài. Công trình được thiết kế trong điều kiện chật hẹp do yêu cầu của việc giữ gìn một số công trình hiện có: Nhà hát thành phố, công trường Lam Sơn đã thi công… Để tính toán kết cấu có thể sử dụng các phần mềm tính toán: Plaxis, Sap, Excel… đây là những phần mềm tính toán phổ biến đang được ứng dụng rộng rãi, cho ta kết quả tính toán tin tưởng được. Có thể sử dụng các biện pháp thi công tiên tiến nhằm đảm bảo sơ đồ làm việc thực tế và tiết kiệm chi phí đầu tư. Nhìn chung việc xây dựng công trình ngầm gặp rất nhiều khó khăn, và còn khá mới mẻ trong hoàn cảnh Việt Nam hiện nay, đòi hỏi người thiết kế phải mạnh dạn đưa ra những giải pháp kết cấu chịu lực hợp lý, áp dụng phần mềm tính toán phù hợp. Dựa vào những đặc điểm kể trên ta đưa ra phân tích sơ bộ một số hệ chịu lực cơ bản từ đó lựa chọn hệ chịu lực chính cho công trình như sau: Ii. lựa chọn hệ kết cấu chịu lực chính cho công trình 1. Lựa chọn hệ khung bên trong công trình a) Hệ khung giằng (Khung-vách) Hệ kết cấu khung-vách được tạo ra bằng sự kết hợp hệ thống khung và hệ thống vách cứng. Hệ thống vách cứng thường được tạo ra tại khu vực cầu thang bộ, cầu thang máy, khu vệ sinh chung hoặc ở các tường biên, là các khu vực có tường liên tục nhiều tầng. Hệ thống khung được bố trí tại các khu vực còn lại của ngôi nhà. Hai hệ thống khung và vách được liên kết với nhau qua hệ kết cấu sàn. Trong trường hợp này hệ sàn liền khối có ý nghĩa lớn. Thường trong hệ kết cấu này hệ thống vách đóng vai trò chủ yếu chịu tải trọng ngang, hệ khung chủ yếu được thiết kế để chịu tải trọng thẳng đứng. Sự phân rõ chức năng này tạo điều kiện để tối ưu hoá các cấu kiện, giảm bớt kích thước cột, dầm, đáp ứng được yêu cầu của kiến trúc. Hệ kết cấu khung-giằng tỏ ra là kết cấu tối ưu cho nhiều loại công trình chịu tải ngang lớn. b) Hệ vách cứng và lõi cứng Hệ kết cấu vách cứng có thể được bố trí thành hệ thống theo một phương, hai phương hoặc liên kết lại thành hệ không gian gọi là lõi cứng. Loại kết cấu này có khả năng chịu lực ngang tốt nên thường được sử dụng cho các công trình có chiều cao trên 20 tầng. Tuy nhiên, hệ thống vách cứng trong công trình là sự cản trở để tạo ra không gian rộng. c) Hệ khung-lõi Hệ khung-lõi thường sử dụng có hiệu quả cho nhà chịu tải ngang tương đối lớn và có mặt bằng đơn giản dạng hình chữ nhật, hình vuông. Lõi (ống ) có thể đặt trong hoặc ngoài biên trên mặt bằng. Hệ sàn các tầng được gối trực tiếp vào các lõi- hộp hoặc qua các hệ cột trung gian. Phần trong lõi thường được bố trí thang máy, cầu thang, các hệ thống kĩ thuật của nhà. d) Hệ khung-vách- lõi Với giải pháp này ta nhận thấy mặt bằng kết cấu nhìn đơn giản. Thi công tương đối thuận lợi mà hệ tường trong đất kết hợp với hàng neo giữ ổn định và hệ lõi hình tròn thi công theo phương pháp giếng chìm cũng đảm bảo các điều kiện kết cấu cho công trình. Kết luận: Với những phân tích về hệ kết cấu ở trên ta chọn ra hệ khung bên trong công trình là: hệ khung- vách. 2.Lựa chọn hệ kết cấu chắn giữ Nguyên tắc và căn cứ lựa chọn kết cấu chắn giữ: - An toàn tin cậy: Đáp ứng yêu cầu về cường độ bản thân, tính ổn định và sự biến dạng, đảm bảo an toàn cho công trình xung quanh. - Thuận lợi và đảm bảo thời gian cho thi công: Trên nguyên tắc an toàn tin cậy và kinh tế hợp lí, đáp ứng tối đa những điều kiện thuận lợi cho thi công ( bố trí chắn giữ hợp lí, thuận tiện cho việc đào đất..), rút ngắn thời gian thi công. Lựa chọn kết cấu chắn giữ Công trình nằm trong đất tới cốt -27,6 m(Tính đến cos mặt sàn tầng hầm 10) nên hố móng thuộc loại hố móng sâu. Do đó cần lựa chọn được kết cấu chắn giữ phù hợp. Có loại chỉ đơn thuần là kết cấu chắn giữ hố móng, khi móng thi công xong là hết tác dụng, cũng có loại thi công xong trở thành một bộ phận vĩnh cửu, tham gia chịu lực cho công trình. Có một số loại tường vây chủ yếu sau: a. Cọc bản thép: Dùng thép máng, thép sấp ngửa móc vào nhau hoặc cọc bản thép khoá miệng bằng thép hình với mặt cắt chữ U, Z, Ddùng phương pháp đóng hoặc rung để hạ chúng vào trong đất, sau khi hoàn thành nhiệm vụ chắn giữ, có thể thu chúng để sử dụng lại. - Thích hợp trong đất yếu với mực nước ngầm cao (do kết cấu này vừa chắn được đất vừa ngăn được nước), thi công không phức tạp. Nếu sử dụng ống thép thì độ cứng của tường khá lớn và thích hợp với hố móng tương đối lớn, với độ sâu chừng 3- 10m. - Độ cứng của cọc bản thép tương đối thấp, không phù hợp khi sử dụng chắn đất gần các công trình hiện hữu (vì gây chuyển vị ngang lớn). Cần bảo quản tốt và có biện pháp thi công thích hợp tránh hư hỏng bản thép để có thể sử dụng lại lần sau. b. Tường chắn bằng cọc khoan nhồi: đường kính f 600- 1000mm, cọc dài 15- 30m làm thành tường chắn theo kiểu hàng cọc trên đỉnh đổ dầm vòng bằng BTCT. Dùng cho loại hố móng có độ sâu 6- 13m. - Thích hợp cho loại đất sét hoặc đất cát có mực nước ngầm tương đối thấp. Thi công đơn giản, thuận tiện trong điều kiện địa chất phức tạp, tiếng ồn ít. Thường sử dụng kết hợp với neo đất hoặc thanh chống neo giữ tại lưng tường. Khoảng cách giữa các cọc tuỳ theo mục đích sử dụng thường không quá 1m. Giá thành cao. c. Tường liên tục trong đất: Sau khi đào thành hào móng thì đổ bêtông, làm thành hào tường chắn đất bằng bêtông có cường độ tương đối cao. Dùng cho hố móng có độ sâu trên 10m hoặc trong điều kiên thi công tương đối khó khăn. -Thích hợp cho nhiều điều kiện địa chất. Cường độ cao, chống thấm tốt, công nghệ thi công hiện đại, có khả năng làm móng hoặc các kết cấu cho công trình vĩnh cửu, ít ồn và chấn động khi thi công. Tuy nhiên, giá thành cao và có thể thay đổi điều kiện thuỷ văn của nước dưới đất. Chất lượng mặt tường và bản thân tường cần được theo dõi chặt chẽ trong quá trình thi công. d. Hệ kết cấu giếng chìm: Đây là hệ kết cấu khá phức tạp và còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Hiện nay tại nước ta có Cầu Bãi Cháy là thi công theo phương pháp này. Việc tính toán cũng như thi công là gặp nhiều khó khăn. Tuy nhiên với phương án này nó giúp cho công trình đảm bảo được về mặt kiến trúc, mĩ quan. Khả năng chịu lực giữa sơ đồ tính toán và sự làm việc thực tế là hoàn toàn hợp lý. Kết luận: Với những phân tích về hệ kết cấu chắn giữ ở trên ta chọn ra: -Phần kết cấu chắn giữ bao xung quanh công trình là: Tường trong đất và cọc khoan nhồi. Trong đồ án này em có tính toán đến việc dùng cọc khoan nhồi để chắn đất, từ đó em so sánh giữa 2 phương án dùng cọc và dùng tường chắn đất thì trường hợp nào ta có thể thực hiện được.(Phần tính toán này được trình bày tại phần Nền và Móng) -Phần kết cấu bao xung quanh hai khu để xe là: Lõi giếng được thi công theo phương pháp bêtông cốt thép toàn khối. Qui mô công trình lớn, đặt trong điều kiện địa chất Thành phố Hồ chí Minh tương đối yếu, điều kiện thi công chật hẹp nên giải pháp ta chọn ở trên là hợp lí. (Chi tiết mặt bằng kết cấu xem tại bản vẽ: KC- 01, KC- 02, KC- 03). 3.Lựa chọn hệ kết cấu sàn: -Phân tích và lựa chọn giải pháp sàn: Trong công trình hệ sàn có ảnh hưởng rất lớn tới sự làm việc không gian của kết cấu. Việc lựa chọn phương án sàn hợp lý là điều rất quan trọng. Do vậy, cần phải có sự phân tích đúng để lựa chọn ra phương án phù hợp với kết cấu của công trình. Ta xét các phương án sàn sau: a. Sàn không dầm (sàn nấm) BTCT thường: Cấu tạo gồm các bản kê trực tiếp lên cột, đầu cột được làm loe ra thành mũ cột để cho bản liên kết chắc chắn với cột, đồng thời tăng khả năng chống chọc thủng, phù hợp với mặt bằng có hệ lưới cột hình vuông, tương đối đồng đều. Ưu điểm: - Chiều cao tầng nhỏ nên giảm được chiều sâu công trình. - Tiết kiệm được không gian sử dụng. Dễ phân chia không gian. Nhược điểm: - Tính toán phức tạp. - Sàn phải có chiều dày lớn để đảm bảo khả năng chịu uốn, điều kiện biến dạng và chống chọc thủng do đó dẫn đến tăng khối lượng sàn. - Thi công gặp nhiều khó khăn. b. Sàn BTCT toàn khối: Cấu tạo bao gồm hệ dầm và bản sàn. Ưu điểm: - Lí thuyết và kinh nghiệm tính toán hoàn thiện, được sử dụng phổ biến ở nước ta với công nghệ thi công phong phú nên chất lượng đảm bảo. Nhược điểm: - Kết cấu sàn, dầm thi công chậm do tốn thời gian gia công cốp pha, cốt thép dầm. Cốt thép đặt phức tạp không định hình được. - Chiều cao dầm và độ võng của bản sàn lớn khi vượt khẩu độ lớn, dẫn đến chiều cao tầng của công trình lớn nên gây bất lợi cho kết cấu công trình khi chịu tải trọng ngang. c. Sàn BTCT lắp ghép: - Được định hình, môđun hoá nên đẩy nhanh được tiến độ thi công mà vẫn đảm bảo chất lượng công trình. - Phù hợp với công trình có mặt bằng sàn tương đối đơn giản. - Khó khăn trong việc đảm bảo chất lượng các mối nối giữa các cấu kiện: panel-dầm. Kết luận: Với những phân tích trên ta chọn ra hệ kết cấu sàn cho công trình này là: Sàn BTCT toàn khối. 4. Lựa chọn kết cấu giữ tường và cọc khoan nhồi chắn đất Để thi công phần ngầm của công trình thì vấn đề cơ bản là giữ ổn định thành hố đào trong quá trình thi công. Trong thực tế có nhiều phương pháp giữ thành hố đào tuỳ thuộc vào độ sâu hố đào, điều kiện địa chất, mặt bằng thi công giải pháp kết cấu... Với công trình này, xung quanh có các công trình đã xây dựng nằm liền kề trong điều kiện địa chất tương đối phức tạp. Do đó, sử dụng tường trong đất làm kết cấu chắn giữ là hợp lý nhất. Tường tầng hầm dày 800mm được sử dụng làm vách chống hố đào trong quá trình thi công phần ngầm. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để giữ vách hố đào trong suốt quá trình thi công phần ngầm. Giải pháp quen thuộc và rất truyền thống được dùng là sử dụng hệ dầm thép chống tạm (Bracing system), tuy nhiên việc sử dụng phương pháp này có một số nhược điểm: - Hệ thống kết cấu chống đỡ lớn, nhất là với nhà có mặt bằng lớn việc sử dụng phương pháp ít có hiệu quả. - Việc thi công tầng hầm có nhiều khó khăn do có các hệ thống dầm cột đỡ, đồng thời giải pháp này chưa tận dụng hết đặc điểm kết cấu thuận lợi của công trình. Phương pháp thứ hai để giữ tường tầng hầm là khoan neo tường vào đất (Anchors) bằng bơm phụt vữa bê tông. Các bước chủ yếu của phương pháp này là dùng khoan thông qua tường trong đất vào đất tới độ sâu thiết kế theo một góc tính toán để tạo neo (trong thiết kế). Phương pháp dùng thanh neo đem lại nhiều ưu điểm: tiết kiệm thời gian, không chiếm chỗ khi thi công, áp dụng cho công trình có diện tích mặt bằng lớn, rất phù hợp với công trình này nên ta chọn phương pháp gia cố neo để giữ ổn định cho tường chắn. Kết luận: Phương án giữ kết cấu chắn đất là: Neo trong đất iii. Phân tích và lựa chọn vật liệu sử dụng: Hiện nay tại Việt Nam cũng như trên thế giới hai loại vật liệu sau được sử dụng phổ biến, mang lại hiệu quả kinh tế lớn cho các công trình xây dựng: a.Vật liệu thép: - Là vật liệu đồng nhất. Khả năng chịu lực lớn ( cường độ cao). - Tính đàn hồi, biến dạng lớn, dẻo dai nên chịu tải ngang tốt: tải gió, tải động đất... - Nhược điểm lớn là kém bền với nhiệt độ ( Khi hoả hoạn, cháy nổ thì thép dễ chảy dẻo gây nguy hiểm cho công trình), dễ bị ăn mòn. Khó tạo các mối nối, giá thành cao nên thích hợp với các công trình: nhà cao tầng, nhà công nghiệp, nhà thi đấu, nhà triển lãm... b.Vật liệu bê tông cốt thép: Là vật liệu không đồng nhất, rẻ tiền, tận dụng ưu thế của hai loại vật liệu: Khả năng chịu nén của bê tông và khả năng chịu kéo của thép tạo ra loại vật liệu mới có tính năng cơ lí hoàn hảo. Khác với các loại vật liệu khác, cường độ của nó không những không giảm mà còn tăng theo thời gian. Bền với môi trường và nhiệt độ, tăng tuổi thọ công trình. Lí thuyết và kinh nghiệm thi công hoàn thiện nên thời gian thi công nhanh, dễ đảm bảo chất lượng. Bê tông là vật liệu đàn dẻo nên có khả năng phân phối lại nội lực trong các kết cấu, sử dụng hiệu quả khi chịu tải trọng lặp lại. Bê tông có tính liền khối cao nên thuận lợi cho việc tạo ra hệ chịu lực thống nhất có bậc siêu tĩnh cao. Tuy vậy trọng lượng bản thân lớn nên cần cân nhắc sử dụng cho thích hợp. Kết luận: Từ yêu cầu thiết kế kết cấu cụ thể của công trình cùng với những phân tích kể trên thì vật liệu bê tông cốt thép là hoàn toàn phù hợp cho công trình đang xét. Ngoài ra, để nâng cao tính chống thấm và giảm áp lực ngược của nước sử dụng bê tông có độ đặc chắc, có khả năng chống thấm, chống ăn mòn cao ở mặt chịu áp và các mặt ngoài các cấu kiện như : kết cấu chắn giữ, móng công trình, bản sàn đáy. Bê tông cốt thép sử dụng (Theo TCVN[11]): - Loại chất kết dính : ximăng pooclăng bền sunfát, ximăng ít toả nhiệt. - Loại cốt liệu nhỏ- cát sạch ( với các tạp chất không quá 1% khối lượng) với môđun cỡ hạt từ 2-2,5. - Loại cốt liệu thô- đá dăm nhỏ từ đá phún xuất không bị phong hoá. - Sử dụng nước sạch trộn bêtông, không cho phép dùng nước đầm lầy, nước bẩn để trộn. Những lựa chọn cụ thể về vật liệu như: mác bêtông, mác thép sẽ nói rõ trong từng phần thiết kế cấu kiện dưới đây. iv- Phương pháp và công cụ tính toán Một vấn đề đặt ra khi thiết kế kết cấu công trình ngầm là: Thiết kế cấu kiện trong trường hợp nào là hợp lý, là cho ta kết quả tin cậy được. Đây là một điểm khác biệt giữa việc thiết kế công trình ngầm với các công trình xây dựng dân dụng cơ bản là thiết kế trong giai đoạn công trình đã hoàn thành. Vậy nên trong công trình này có những cấu kiện thì được thiết kế trong giai đoạn thi công, có những cấu kiện thì được thiết kế trong giai đoạn hoàn thành. Những cấu kiện thiết kế trong giai đoạn thi công, gồm có: Tường trong đất, cọc khoan nhồi chắn đất, neo giữ tường và cọc khoan nhồi.(Cụ thể việc thiết kế xem Chương 6, 7, 11) Những cấu kiện thiết kế trong giai đoạn hoàn thành, gồm có: Cột, dầm, sàn bên trong công trình, thành giếng, bản đáy dưới thành giếng. Riêng việc thiết kế thành giếng xin được nói thêm: Để có được nội lực nguy hiểm nhất của thành giếng ta phải tiến hành so sánh nội lực của thành giếng trong các giai đoạn thi công và giai đoạn hoàn thành(Giai đoạn công trình đưa vào sử dụng). Việc so sánh này thông qua việc thiết kế thép cho thành giếng qua các giai đoạn thi công và giai đoạn hoàn thành. Trường hợp nào cho ta kết quả thép lớn hơn, ta sẽ lấy trường hợp đó để bố trí thép cho thành giếng.(Chi tiết thiết kế thành giếng xem Chương 9) 1. Mô hình hoá sơ đồ tính: a, Phân tích sơ bộ Nói chung, khi xác định nội lực trong công trình, nếu xét một cách chính xác và đầy đủ tất cả các yếu tố hình học của các cấu kiện thì bài toán quá phức tạp. Do đó cần thay thế công trình thực bằng sơ đồ tính của nó. Sơ đồ tính là hình ảnh đơn giản hoá mà vẫn đảm bảo phản ánh đựơc sát với sự làm việc thực của công trình . Việc lựa chọn sơ đồ tính phụ thuộc vào hình dạng, tầm quan trọng, khả năng tính toán, quan hệ tỉ lệ độ cứng giữa các cấu kiện, tải trọng và tính chất tác dụng của tải trọng… Nhờ sự phát triển của máy tính điện tử mà công việc thiết kế của người kĩ sư đã nhanh hơn nhiều, cho phép tính toán với khối lượng lớn, hệ kết cấu phức tạp. Trong đồ án này đã khai thác một cách có hiệu quả những phần mềm thông dụng sau: Sap, Excel, Project, Plaxis... Sự làm việc của vật liệu cũng được đơn giản hoá, cho rằng nó làm việc trong giai đoạn đàn hồi, tuân theo định luật Hooke. b, Sơ đồ tính toán cụ thể Sơ đồ tính đối với tường trong đất và cọc khoan nhồi: Đây là hai cấu kiện được tính toán trong giai đoạn thi công. Tính toán nội lực nhờ phần mềm Plaxis. Riêng phần tính toán nội lực tường trong đất có tính thêm nội lực bằng phương pháp Sachipana, rồi tiến hành so sánh nội lực với nội lực tính được bằng phần mềm để tìm ra nội lực lớn nhất đi tính thép. Sơ đồ tính đối với thành giếng: Thành giếng được tính toán qua các giai đoạn thi công và giai đoạn hoàn thành. Vậy nên sơ đồ tính có khác nhau. Tính nội lực qua các giai đoạn thi công: Sơ đồ là những tấm cong được liên kết cứng với nhau và liên kết khớp với đất. Tính nội lực giai đoạn hoàn thành: Sơ đồ tính là những tấm cong được liên kết ngàm với đất. Sơ đồ tính cột, dầm, sàn: Nội lực của các cấu kiện này có được sau khi chạy nội lực khung không gian toàn bộ công trình bắng phần mềm SAP. Lúc này sơ đồ tính của các cấu kiện như sau: Đối với tường trong đất: Được ngàm tại cos -14,5(m). Lí do: Tại cos -14,5(m). Phần tường được liên kết với bản đáy tầng 4, bản đáy có độ dày khá lớn(Độ dày của bản đáy này được trình bày trong chương 4). Từ cos -14,5m trở xuống hai bên tường hoàn toàn là đất. Vậy nên trong quá trính tính toán áp lực ngang tác dụng lên 2 cấu kiện này sẽ tính từ cos -14,5(m) đến cos -0,50 (Đây là cos tự nhiên của khu đất). Đối với thành giếng: Được ngàm tại vị trí chân giếng. Lí do: bản đáy khu 10 tầng này có độ dày lớn, toàn bộ thành giếng nằm trên bản đáy. Bề mặt ngoài giếng tiếp xúc với đất, bên trong là không gian sử dụng. Vậy nên trong quá trình tính toán áp lực ngang tác dụng lên thành giếng ta sẽ tính áp lực này từ cos chân giếng đến cos mặt dưới bản đáy tầng 4. Việc tính toán cụ thể các tải trọng này xem Chương 4. 2) Tính thép: Sử dụng một số chương trình tính toán tự lập bằng ngôn ngữ EXCEL. Chương trình này có ưu điểm là tính toán đơn giản, ngắn gọn, in đẹp, dễ dàng và thuận tiện khi sử dụng.