Các thành phần kết cấu cơ bản của ngôi nhà.
Nếu thiết kế kiến trúc tạo ra không gian, hình dàng của ngôi nhà thì việc tính toán, bố trí kết cấu đảm bảo cho ngôi nhà bền vững, chắc chắn. Đây là yếu tố tiên quyết, ưu tiên hàng đầu khi thiết kế nhà ở.
Trước khi đi vào tính toán chi tiết các kết cấu, trước hết bạn phải biết kết cấu nhà ở bao gồm những gì, nguyên lý làm việc của từng loại ra sao, cách lựa chọn các cấu kiện như thế nào…Kết cấu nhà ở có các thành phần cơ bản sau:
Ngoài ra nếu bạn quan tâm đến các vấn đề về thiết kế điện nước, hệ thống kỹ thuật trong ngôi nhà, bạn có thể tìm hiểu thêm TẠI ĐÂY. Không phải ngẩu nhiên mà tôi đề cấp đến vấn đề thiết kế điện nước trong bài này, vì thật sự thiết kế kết cấu và điện nước có liên quan mật thiết với nhau.
Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm các vấn đề khác liên quan đến thiết kế nhà, bạn có thể xem thêm bài viết về Thiết kế nhà
Nền, móng
- Móng là bộ phận kết cấu quan trọng bậc nhất của ngôi nhà, có chức năng tiếp nhận toàn bộ tác động công trình bên trên và truyền xuống nền đất.
- Nền đất có tác dụng tiếp nhận toàn bộ tải trọng, giữ cho ngôi nhà ổn định, không bị nghiêng, lún. Khả năng chịu lực của nền (sức chịu tải nền đất) phải lớn hơn tác động của tải trọng của công trình phía trên.
Trong trường hợp sức chịu tải của nền bé hơn tải trọng của công trình phải có biện pháp nâng cao sức chịu tải của nền, các phương án có thể kể đến như: thay thế nền cũ bằng nền đất mới (cát, sỏi, cuội...), ép cọc tre, cừ, tràm, sử dụng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn hoặc khoan nhồi, cọc cát, cọc xi măng đất, bấc thấm... Bên cạnh đó, có thể kết hợp các phương án nhằm giảm tải trọng công trình lên nền đất: thay đổi kết cấu móng, tăng diện tích đế móng (chuyển từ móng cốc sang móng băng, móng băng sang móng bè)...
Một thực trạng đáng buồn hiện nay là một số kỹ sư, đội thi công và đa số chủ nhà không phân biệt rõ vai trò của nền và móng, nguyên lý làm việc, các biện pháp xử lý nền... dẫn đến mất an toàn cho công trình và thiếu hiệu quả trong trong thiết kế, thi công.
Vì vậy bạn cần nắm rõ nên sử dụng loại móng nào để phù hợp cho từng trường hợp cụ thể, có cần thiết phải thay đổi phương án móng hay chỉ cần các biện pháp cải tạo nền để đạt hiệu quả Kinh tế - Kỹ thuật cao nhất. Việc này phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, người đưa ra phương án móng cần phải có kiến thức sâu sắc về nền móng và kinh nghiệm thi công thực tế.
Cụ thể cách làm như thế nào, các bạn có thể tìm hiểu ở phần tiếp theo của bài viết.
Việc lựa chọn phương án và thiết kế móng quyết định rất lớn đến chất lượng, sự an toàn của ngôi nhà, hiệu quả sử dụng nguyên vật liệu, đồng thời thể hiện trình độ và kỹ năng của người thiết kế.
Kết cấu khung nhà
Kết cấu khung nhà bao gồm:
+ Cột (trừ trường hợp nhà xây tường chịu lực):
Cột có tác dụng tiếp nhận toàn bộ tải trọng của ngôi nhà trong phạm vi chịu tải và truyền xuống móng. Khi bất kỳ vị trí cột nào không đảm bảo khả năng chịu lực đều ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng công trình, thậm chí toàn bộ công trình có thể sập đổ. Vì vậy khi tính toán, thiết kế cột phải đặc biệt lưu ý.
Bản thân tôi khi thiết kế kế cấu công trình thì nền, móng, cột là những kết cấu quan trọng hàng đầu, bất di bất dịch phải tuyệt đối an toàn.
+ Dầm, giằng
Dầm, giằng (dầm móng) là cấu kiện kết cấu có tác dụng tiếp thu tải trọng sàn và truyền lên các đầu cột. Thực tế hiện nay, khi tính toán và thiết kế kết cấu nhà ở, người ta sử dụng một mô hình duy nhất chứ không tính toàn các cấu kiện riêng biệt. Tuy nhiện, ở đây để giúp các bạn nằm rõ hơn bản chất vấn đề tôi vẫn phân chia thành các trường hợp cụ thể để giúp bạn dễ nhận biết và hiểu vấn đề sâu sắc hơn.
Việc lựa chọn kích thước dầm ra sao, bố trí cốt thép như thế nào có ngay ở các phần tiếp của bài viết.
+ Sàn, mái bê tông cốt thép
Sàn, mái bê tông cốt thép có tác dụng nâng đỡ toàn bộ các hoạt động của con người, vật liệu, thiết bị trong công trình. Thông thường, sàn mái được liên kết cứng với hệ dầm, từ đó truyền tải trọng lên đầu cột và móng.
Khi thi công sàn, thương gặp các sự cố: nứt, võng. Nguyên nhân chủ yếu là do các nguyên nhân sau: đặt thép sai miền, đặt thép quá nhiều hoặc quá ít, thi công sàn không đúng kỹ thuật, bảo dưỡng bê tông sau đỗ sai cách...
Vậy phải lựa chọn và bố trí thép sàn như thế nào cho đúng, bạn theo dõi phần bài viết tiếp theo.
+ Trong một số trường hợp có thể có vách bê tông cốt thép (ít gặp)
Cơ sở để lựa chọn kết cấu móng nhà
Để lựa chọn kết cấu móng nhà, dựa vào các căn cứ sau:
Tải trọng cột truyền xuống móng
- Độ lớn này phụ thuộc:
+ Số tầng và chiều cao các tầng
+ Khoảng cách từ cột đến cột theo phương dọc và phương ngang nhà, tức là diện tích chịu tải trọng phạm vi mỗi đầu cột
+ Kết cấu khung nhà là một nhịp hay nhiều nhịp
Số nhịp kết cấu nhà càng nhiều thì tải trọng truyền xuống móng càng giảm.
+ Ngoài ra, tải trọng của ngôi nhà truyền xuống móng còn phụ thuộc vào các yếu tố: hình dạng ngôi nhà, vị trí, địa hình khu vực.
Cách tính nhanh tải trọng móng
Bạn có thể tính nhanh tải trọng móng nhà theo kinh nghiệm sau:
Tải trọng móng (tấn) = Lực nén theo phương đứng = Tổng tích sàn (m2) trong phạm vi chịu tải của cột (tức là tại trọng công trình trong phạm vi 1m2 sàn bê tông tương đương 1 tấn/m2)
Ví dụ:
Nhà ống rộng 5m, khoảng kách cách từ cột đến cột làm 5m, số tầng của ngôi nhà là 5 tầng. Khi đó:
Tải trọng móng ở các hàng gian ở giữa nhà là là: (5/2)x5x5 = 62,5 (tấn). Móng ở cột góc là (5/2)x(5/2)x5 = 31,25 (tấn)
Khi tính toán kết cấu móng, ngoài lực truyền theo phương đứng còn có lực đẩy móng theo phương ngang. Đối với kết cấu nhà dân, để đơn giản và thiên về an toàn lực đẩy ngang có thể bỏ bỏ qua bằng cách nhân tải trọng theo phương đứng với hệ số an toàn n=1,1 – 1,2
Khả năng chịu tải của nền đất trên 1m2
Các loại đất nền khác nhau, khả năng chịu tải cũng khác nhau, vì vậy cần lựa chọn phương án móng thích hợp. Trong một số trường hợp có thể phải kết hợp với phương án cải tạo, nâng sức chịu tải của của nền đất, chẳng hạn: thay nền, ép cọc tre, cừ, tràm, cọc bê tông cốt thép, khi cọc khoan nhồi, cọc thép…
Các loại móng cơ bản và phạm vi áp dụng sử dụng cho nhà dân
Kết cấu móng nhà dân thường sử dụng một trong các loại móng sau:
Móng đá, móng gạch:
Loại kết cấu móng này này chủ yếu được sử dụng cho nhà cấp 4, nhà 1 tầng có tải trọng bé. Chi tiết về cấu tạo và tính toán bạn có thể tham khảo tại tiêu chuẩn TCVN 5573 : 2011 - KẾT CẤU GẠCH ĐÁ VÀ GẠCH ĐÁ CỐT THÉP - TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ
Chiều cao móng phụ thuộc vào vào độ sâu của lớp đất tốt có thể đặt móng và và cao độ của nền nhà yêu cầu
Chiều rộng đỉnh móng 30-45cm, chiều rộng chân móng 70-90cm, có thể để rộng hơn hoặc hẹp hơn tùy theo chiều cao móng
Móng cốc (móng đơn)
Loại móng này được sử dụng cho những công trình có tải trọng tương đối bé (nhà dưới 3 tầng) và nền đất tương đối tốt: sét cứng, nửa cứng, cát hạt thô hoặc hạt trung.
Theo kinh nghiệm diện tích móng cọc sơ bộ bạn có thể chọn theo cách như sau sau:
- Diện tích đến móng = Tải trọng chân cột/ Sức chịu tải của nền trên một mét vuông.
+ Tải trọng chân cột tính toán theo cách trình bày phía trên của bài viết
+ Sức chịu tải của nền đất trên một mét vuông đối với đất tốt và thiên về an toàn có thể lấy 10-15 (tấn/m2)
- Kích thước các cạnh để móng được chọn sao cho cho cân đối với sự làm việc của móng theo hai phương, móng hình vuông hoặc chữ nhật, trong trường hợp móng hình chữ nhật tỷ lệ giữa hai cạnh nên nhỏ hơn hơn 25 đến 30%
- Thép đế móng có thể lấy từ D10 đến D14, khoảng cách từ thanh đến thanh là 15 (cm), đường kính thanh thép phụ thuộc vào tải trọng và kích thước đế móng, tải trọng càng lớn, diện tích móng càng nhỏ thì đường kính thanh thép càng lớn.
Móng băng
Trường hợp tải trọng khá lớn và nền đất tương đối tốt có thể sử dụng phương án móng băng trên nền đất tự nhiên.
Chiều rộng móng băng thông thường 1,2-1,8 (m), thép chịu lực D12, D14, khoảng cách thanh 15cm
Sự khác nhau giữa móng ảnh băng và móng đơn là là: Móng đơn đơn làm việc độc theo từng vị trí. Trong khi đó, móng băng làm việc theo các giải băng dọc, ngang giao nhau, vì vậy có tính ổn định cao hơn, móng lún ít hơn
Móng bè
Móng bè là một dạng đặc biệt của móng băng, trong trường hợp tải trọng công trình tương đối lớn và và nền đất tương đối yếu nhưng chưa bắt buộc phải sử dụng phương án móng cọc chúng ta có thể sử dụng phương án móng bè.
Móng bè là trường hợp móng băng mở rộng diện tích đế móng để tăng độ ổn định và giảm độ lún của móng.
Có thể quan niệm móng bè tương đương với một hệ dầm sàn bê tông cốt thép lật ngược, có tác dụng tiếp thu toàn bộ tải trọng của ngôi nhà và truyền xuống nền đất.
Móng cọc bê tông cốt thép
Móng cọc trong kết cấu nhà dân chủ yếu có hai loại: móng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn ăn và và móng cọc khoan nhồi.
Móng cọc bê tông cốt thép được sử dụng khi tải trọng công trình tương đối lớn và lớp đất tốt có khả năng chịu lực nằm ở sâu. Quy định chi tiết cấu tạo và tính toán kết cấu bạn có thể tham khảo tại tiêu chuẩn TCVN 10304:2014 Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế
Sự khác nhau cơ bản giữa móng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn và móng cọc khoan nhồi là hình thức gia công cọc. Móng cọc bê tông cốt thép đúc sẵn cọc được đúc tại bãi đúc và vận chuyển tới nơi thi công, móng cọc khoan nhồi cọc được được chế tạo trực tiếp tại móng bằng cách đổ bê tông vào hố móng.
Kết cấu khung bê tông cốt thép
Khung bê tông cốt thép thông thường có hai loại: lắp ghép và đổ tại chỗ chỗ (hay còn được gọi là bê tông cốt thép toàn khối)
Kết cấu khung bê tông cốt thép bao gồm các thành phần sau:
Kết cấu cột.
Tiết diện cột nhà dân thông thường là: 20x20, 22 x22 hoặc 22x30 (cm)… tùy thuộc vào vào tải trọng cột và độ lớn khoảng cách giữa cột với cột.
Thép chủ cột thông thường: 4D18, 4D20, 4D22, 6D18, 6D20... thép đai D6, khoảng cách giữa hai thanh đai là 20 (cm) ở khoảng giữa cột và 15 (cm) ở đỉnh và chân cột
Kết cấu dầm.
Khi lựa chọn kết cấu dầm cần chú ý hai kích thước:
Chiều cao dầm: được lấy chi bằng 1/8 đến 1/12 hai nhịp dầm.
Chiều rộng dầm thông thường lấy bằng chiều rộng tường xây: 22 hoặc 11 (cm). Nhưng lưu ý tỉ lệ giữa ra chiều rộng ảnh trên chiều cao dầm không được nhỏ hơn 1/3
Kết cấu sàn.
Chiều dài sàn thông thường lấy 10-12 (cm). Thép sàn có hai loại D8 hoặc D10, chúng tôi khuyến khích bạn nên dùng thép D10 vì trong quá trình thi công sẽ dễ giữ nguyên được hình dạng thanh thép, sàn làm việc sẽ tốt hơn.
Khoảng cách giữa các thanh thép sản với nhau sau từ từ 10-20 (cm) tùy theo độ lớn nhịp sàn
Cách tính toán và bản vẽ kết cấu nhà dân
Việc tính toán và thiết kế kết cấu là việc phức tạp, chuyên sâu, đòi hỏi phải có nền tảng kiến thức vững chắc ở nhiều bộ môn khác nhau. Vì vậy, chúng tôi không có ý định hướng dẫn bạn cách tính toán ra sao.
Chúng tôi chỉ mong muốn các bạn hiểu và thực hành theo các thiết kế mẫu đơn giản, dễ hiểu nhất, người không biết gì cũng có thể áp dụng, đã được kiểm chứng an toàn và hiệu quả ở các công trình trong thực tế.
Chúng tôi xin gửi đến các bạn một số mẫu bản vẽ kết cấu nhà dân đã được chúng tôi thiết kế thế và thi công:
Lựa chọn tiết diện và cốt thép cột
- Lựa chọn tiết diện và cốt thép dầm nhịp 5, 6m
- Lựa chọn chiều dày sàn và cốt thép sàn
- Bản vẽ kết cấu móng nhà cấp 4, nhà phố, nhà 1, 2, 3, 4 tầng
Phần mềm thiết kế kết cấu
Để tính toán kết cấu các công trình dân dụng nói chung và kết câu nhà dân nói riêng, thường sử dụng các phần mềm phân tích và tính toán kết cấu sau:
Phần mềm Sap
Đây là phần mềm đa năng của CSI (Mỹ) có thể mô hình hóa và tính toán nhiều loại kết cấu khách nhau
Etabs
Đây là phần mềm chuyên dụng tính toán kết cấu nhà cao tầng, là một nhánh của phần mềm Sap
Safe
Đây là phần mềm cũng của CSI chuyên tính toán kết cấu sàn, đặc biệt là sàn không dầm, móng bè…
Bản chất của các phần mềm này là mô hình hóa các công trình thật thành các mô hình trong máy tính. Thay thế các đại lượng vật lý: cường độ bê tông, cường độ thép, môđun biến dạng, môđun đàn hồi, tải trọng động đất đàn hồi tuyến tính ảnh biến dạng dẻo, phản lực nền… bằng các hệ số để tính toán.
Phương pháp tính toán của các phần mềm bày là phương pháp phần phần tử hữu hạn.
Bên cạnh đó chúng ta vẫn có thể tính kết cấu khung bê tông cốt thép, tính toán sức chịu tải nền đất, phản lực nền, ổn định mái dốc… bằng các các công thức của Terzaghi, Columb, các phương pháp lực, phương pháp chuyển vị, phương trình cần bằng Euler…
Trên đây chúng tôi đã tổng kết sơ bộ lại các vấn đề liên quan đến kết cấu nhà dân. Trong phạm vi một bài viết chúng tôi không thể trình bày hết tất các vấn đề bạn đọc quan tâm, để tìm hiểu kỹ hơn các bạn có thể xem thêm ở các bài viết chi tiết nhé.
Chúc bạn thành công!
