Kiến trúc - Xây dựng - Hệ chịu lực

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HỒ CHÍ MINH KHOA KIẾN TRÚC BỘ MÔN CÔNG NGHIỆP VÀ KỸ THUẬT KIẾN TRÚC HỆ CHỊU LỰC TÀI LIỆU ĐỌC THÊM - MÔN HỌC CẤU TẠO KIẾN TRÚC 3 LƯU HÀNH NỘI BỘ Tập tài liệu này cung cấp thêm một cách tiếp cận nội dung môn học Cấu tạo kiến trúc 3, bên cạnh tập giáo trình môn học, nhằm mục đích tham khảo cho sinh viên. Nó được trích dịch từ quyển sách Understanding structures của tác giả Fuller Moore, nhà xuất bản WCB/McGraw-Hill, năm 1999. MỤC LỤC CHƯƠNG I: HỆ KHUNG PHẲNG............................................... 4 CHƯƠNG IV: HỆ VỎ MỎNG ..................................................... 70 1. Cột và tường...........................................................................5 13. Vỏ mỏng .............................................................................. 71 2. Dầm và bản sàn....................................................................11 14. Bản gấp nếp......................................................................... 79 3. Khung phẳng ........................................................................27 PHỤ LỤC I: LÝ THUYẾT CẤU TRÚC .................................... 83 CHƯƠNG II: HỆ TỔ HỢP TAM GIÁC..................................... 33 I:1 Cơ học .................................................................................. 84 4. Dây cáp treo.........................................................................34 I:2 Sức bền vật liệu ................................................................... 94 5. Dàn.......................................................................................36 6. Khung không gian ................................................................40 PHỤ LỤC II: BẢNG TRA DÀNH CHO THIẾT KẾ SƠ BỘ.. 102 7. Vòm trắc địa.........................................................................45 Tài liệu tham khảo ......................................................................... 113 CHƯƠNG III: HỆ CONG DẠNG DÂY CÁP ............................ 48 8. Dây cáp võng catenary.........................................................49 9. Màng căng............................................................................52 10. Màng khí nén .......................................................................55 11. Vòm cung.............................................................................62 12. Vòm mái...............................................................................67 CHƯƠNG I HỆ KHUNG PHẲNG Hệ khung phẳng truyền tải trọng xuống đất nền nhờ vào các bộ phận phương ngang (như dầm và bản sàn) và các bộ phận phương đứng (như cột và tường chịu lực)―những bộ phận có sức kháng chịu biến dạng võng và uốn. 4 1 CỘT VÀ TƯỜNG Các cấu kiện phương đứng gồm có cột và tường chịu lực. CỘT Cột là một cấu kiện có trục thẳng (thường là thẳng đứng), chịu tải trọng nén dọc trục. Các cột làm việc khác nhau tùy theo chiều dài của chúng. CHIỀU DÀI CỘT Một cột ngắn, như một viên gạch chẳng hạn, khi chịu tải trọng nén quá mức, sẽ bị nghiền vỡ. Một cột dài chịu tải trọng nén tăng dần sẽ đột ngột oằn (cong về một bên). Giá trị tải trọng nén tới hạn này Hình 1.1: Mô hình thí nghiệm cho thấy cột bị nghiền hoặc uốn cong. được gọi là tải trọng uốn dọc của cấu kiện. Các cấu kiện chịu nén bằng vật liệu chịu nén đủ cứng (như thép chẳng hạn) sẽ chỉ cần diện có dấu hiệu báo trước (không như nhiều hình thức cấu kiện khác, bị tích tiết diện ngang nhỏ, tức cấu kiện thanh mảnh hơn (Hình 1.1). phá hoại từ từ). Sự biến dạng uốn này vẫn xảy ra ngay cả nếu cột được thiết kế chịu Tải trọng uốn dọc của một cột phụ thuộc vào chiều dài, diện tích và tải trọng chính xác dọc trục qua tâm và cột hoàn toàn đồng nhất. Một hình thức tiết diện ngang, và kiểu cách liên kết tại các đầu cột. khi cột biến dạng không còn thẳng đứng và bắt đầu oằn tại giữa thân, Chiều dài cột tăng sẽ làm giảm tải trọng uốn dọc của nó. Với cùng sự lệch trục giữa hai đầu và trung điểm thân cột sẽ gây nên một lực mặt cắt ngang, chiều dài cột tăng gấp đôi sẽ làm giảm tải trọng uốn cánh tay đòn; lực này gia tăng, làm sự biến dạng oằn lớn hơn. Vì lý dọc còn một phần tư. Nói cách khác, tải trọng uốn dọc thay đổi tỉ lệ do này, một khi cột bắt đầu oằn, nó sẽ bị phá hoại đột ngột mà không nghịch theo bình phương của thay đổi chiều dài cột (Hình 1.2). 5 Hình 1.2: Mô hình thí nghiệm cho thấy sự ảnh hưởng của chiều dài cột đến tải trọng uốn dọc. HÌNH DÁNG CỘT Cột sẽ bị oằn theo hướng có sức chịu kém nhất. Nếu tiết diện ngang của cột có các cạnh không như nhau, biến dạng uốn sẽ xảy ra theo trục của kích thước mảnh nhất. Với cùng một lượng vật liệu, cột có kích thước các cạnh của tiết diện ngang lớn hơn sẽ có tải trọng uốn dọc lớn hơn (Hình 1.3). Mô-men quán tính là số đo của sự phân bố vật liệu quanh tâm của một vật. Mô-men quán tính là nhỏ nhất khi Hình 1.3: Mô hình thí nghiệm cho thấy sự ảnh hưởng của hình dáng cột đến tải tất cả lượng vật liệu tập trung tại tâm (như một thanh tiết diện tròn trọng uốn dọc. đặc chẳng hạn). Nó lớn nhất khi lượng vật liệu được phân bố xa tâm nhất (như một thanh rỗng). Tải trọng uốn dọc tỉ lệ thuận với mô-men LIÊN KẾT ĐẦU CỘT quán tính (Hình 1.4). Khả năng hạn chế sự chuyển vị phương ngang và quay của hai đầu một cột mảnh có ảnh hưởng đáng kể đến tải trọng uốn dọc của nó. Cột được liên kết khớp cố định (tự do quay nhưng bị ngăn không chuyển vị ngang) tại hai đầu sẽ bị uốn theo một đường cong liên tục 6 Hình 1.4: Hình dáng hình học của thân tre là một hình dáng hữu hiệu cho cột. Hình dáng hình trụ tròn phân bố vật liệu cách xa tâm, tạo ra mô-men quán tính lớn. Hình dáng này được giữ ổn định nhờ vào các mắt tre đặc, ngăn không cho thân tre Hình 1.5: Mô hình thí nghiệm cho thấy sự ảnh hưởng của hình thức liên kết đầu bị lõm hay uốn cong. cột đến tải trọng uốn dọc. và thoải. Cột được liên kết cứng (bị ngăn không quay và chuyển vị nhau gấp tám lần (xét các cột có cùng chiều dài tính toán, vật liệu và ngang) tại chân và tự do (tự do quay hay chuyển vị ngang) tại đầu tiết diện ngang) (Hình 1.5). kia sẽ biến dạng giống như nửa trên của cột có liên kết khớp cố định, và có chiều dài có ích (chiều dài tính toán) gấp đôi chiều dài thực; TƯỜNG CHỊU LỰC tải trọng uốn dọc của nó bằng một phần tư so với cột liên kết khớp cố Tường chịu lực là một bộ phận chịu nén kéo dài liên tục theo một định (nhớ rằng, tải trọng uốn dọc thay đổi tỉ lệ nghịch theo bình phương, phân bố tải trọng thẳng đứng tỏa đều xuống bệ tựa (thường phương của thay đổi chiều dài cột). Liên kết cứng một đầu và liên là đất nền). Nó được phân biệt khác với một dãy các cột đứng kề kết khớp cố định đầu kia có hiệu quả như việc giảm chiều dài có ích nhau liên tục ở khả năng phân tỏa tải trọng dọc chiều dài của nó còn 70 phần trăm của một cột liên kết khớp cố định, và làm gia tăng (làm việc giống một cây dầm; Hình 1.6) và khả năng chịu lực tải trọng uốn dọc của cột lên bằng 200 phần trăm. Liên kết cứng cả phương ngang trong mặt phẳng tường (Hình 1.7). Hai đặc điểm làm hai đầu làm giảm thêm chiều dài có ích (còn một nửa) và làm tăng việc này được sinh ra từ những ứng suất cắt nội tại có thể xảy ra tải trọng uốn dọc lên bằng 400 phần trăm. Như thế, sự hạn chế trong bức tường. chuyển vị ngang hay quay dẫn đến tải trọng uốn dọc thay đổi khác 7 Hình 1.6: Một bức tường chịu lực phân tán các tải trọng tập trung dọc theo chiều dài của nó, nhờ vào sức chịu cắt phương đứng; tải trọng như vậy khi tác động lên một dãy cột liên tục vẫn là tải trọng tập trung tác động lên một cột. Hình 1.8: Tường chân thoải và tường có móng chân tường có khả năng chống lại sự lật đổ, trong khi phân bố tải trọng lên một diện tích lớn hơn ở chân. Trong các công trình nhiều tầng, các tường chịu lực phải chịu tải trọng không chỉ của sàn bên trên nó (và tải trọng bản thân) mà còn của tất cả các sàn và tường bên trên cộng lại. Vì tải trọng cộng dồn, gia tăng về phía dưới công trình nên bề dày của tường ở thấp hơn cũng phải gia tăng. Hơn nữa, trình tự thi công trở nên phức tạp khi Hình 1.7: Một bức tường chịu lực tạo được sự ổn định chống lực xô ngang dọc nhà nhiều tầng sử dụng tường chịu lực, vì ở mỗi tầng, việc xây dựng theo chiều dài của nó, nhờ vào sức chịu cắt phương ngang; đặc điểm này không có tường lại bị gián đoạn khi sàn được thi công. Vì những lý do này, các trong một dãy cột liên tục. công trình hiện đại thường sử dụng khung kết cấu (hệ cột và dầm) để chịu tải trọng cho tường và sàn bên trên hơn là tường chịu lực. Các bức tường gạch truyền thống thường được xây thoải chân (chân tường dày hơn). Điều này cho phép tường ổn định theo phương Một ngoại lệ là việc sử dụng kết hợp tường gạch chịu lực và tấm bê- ngang hơn (hình dáng tam giác vốn ổn định hơn hình chữ nhật). Hơn tông tiền chế. Theo kiểu này, người thợ vừa xây dựng tường vừa lắp thế, chân tường có diện tích chịu lực lớn hơn để phân bố tải trọng dựng các bản bê-tông, giúp cho phương thức thi công này trở nên xuống nền đất. Trong cấu tạo tường ngày nay, các hiệu quả này đạt một lựa chọn kinh tế và mau chóng đối với công trình nhà ở, khách được nhờ vào bộ phận móng tường trải rộng liên kết vào tường qua sạn nhiều tầng. cốt thép (Hình 1.8). 8 MỘT SỐ ĐIỂM VỀ KẾT CẤU Vì tường chịu lực chịu tải trọng nén thẳng đứng và có bề dày tương đối mảnh so với chiều cao của nó, nó có thể uốn cong (giống như Tường chịu lực thích hợp nhất khi tải trọng phân bố tương đối đồng cột). Các tường xây gạch mỏng khi uốn cong sẽ bị phá hỏng vì gạch đều. Khi các tải trọng tập trung, chúng sinh ra vùng ứng suất nén cục vốn chịu kéo rất kém. Trụ liền tường được sử dụng sẽ gia cố tường bộ cao. chống lại biến dạng uốn cong mà không cần gia tăng bề dày của toàn bộ bức tường. Một cách khác, tường có thể được gia cường bằng Trụ liền tường là một bộ phận có bề dày gia tăng trong một bức cách được xây thành hai lớp nối với nhau thông qua các trụ, tạo nên tường chịu lực chịu tác dụng của tải trọng tập trung. Nó có tác dụng bức tường giống như cột tiết diện chữ H. Các sườn ở giữa giúp chống như một cột nằm trong tường. Các lỗ cửa trong tường chịu lực tạo ra lại lực cắt vì mỗi bức tường mỏng chịu uốn cong độc lập nhau (Hình những vùng ứng suất nén cao cục bộ ở hai bên của lỗ cửa (Hình 1.9). 1.10). Hình 1.10: Mô hình cho thấy ảnh hưởng của sự tập trung tải trọng trong Hình 1.9: Những ảnh hưởng của sự phân bố tải trọng đến sự tập trung ứng tường chịu lực: (a) biến dạng cục bộ dưới tải trọng tập trung từ dầm, (b) trụ liền suất trong tường chịu lực. Trụ liền tường có tác dụng như một cột nằm trong tường có tiết diện gia tăng làm giảm ứng suất, và (c) tường hai lớp với các trụ cứng tường để nhận tải trọng tập trung. ở giữa chống lại biến dạng oằn. 9 Hệ tường chịu lực song song Hệ tường chịu lực song song thường được sử dụng cho công trình nhà ở gia đình. Chúng không chỉ chịu lực chính cho sàn, mái mà còn giúp cách âm và cách li hỏa hoạn giữa các nhà. Mặt bằng của hệ tường chịu lực song song đặc biệt phù hợp đối với các dãy nhà phố. Sự ổn định phương ngang Tường sẽ đổ ngã khi hợp của tất cả các lực theo phương ngang và Hình 1.11: Minh họa sự thay đổi hình thức mặt bằng để gia tăng sự ổn định phương đứng rơi ra ngoài mặt chân đế của tường. Nếu tường không trước lực xô ngang trong tường chịu lực: (a) một tấm bìa tượng trưng cho tường chịu kéo (nếu bức tường xây gạch không được gia cường), thì hợp lực càng cần phải nằm trong vùng một phần ba giữa của tiết diện tường không ổn định trước lực xô ngang, nhưng (b) tấm bìa được gấp lại tạo ra góc vuông tại bất kỳ cao độ nào. thì ổn định. Bề dày tường lớn hơn sẽ gia tăng sự ổn định phương ngang. Tuy nhiên, một cách khác hữu hiệu hơn là thay đổi hình thức mặt bằng của tường. Tường có thêm các mặt vuông góc sẽ được giằng và gia cường rất lớn sự ổn định phương ngang. Hiệu quả này đạt được bằng cách giao tường vuông góc hoặc uốn cong tường trên mặt bằng (Hình 1.11 và 1.12). Hình 1.12: Một bức tường xây gạch uốn lượn (như thiết kế của Thomas Jefferson tại Trường đại học Virgina) có hình dáng mặt bằng giúp đạt được sự ổn định trước lực xô ngang, cho phép nó được xây bằng một lớp gạch. 10 2 DẦM VÀ BẢN SÀN Các cấu kiện phương ngang gồm có dầm và bản sàn. phần vật liệu gần mặt cong lõm nhất (mặt trên) có khuynh hướng ngắn lại, tạo nên ứng suất nén (cũng vậy song song với bề mặt dầm). DẦM Phần vật liệu ở trung tâm dầm không thay đổi chiều dài và vẫn giữ trạng thái trung hòa (không bị kéo cũng không bị nén). Ứng suất cực Dầm là một cấu kiện thẳng chịu tải trọng vuông góc với trục dài của đại xảy ra tại hai mặt ngoài và giảm dần đến không tại trục trung nó; tải trọng như vậy được gọi là tải trọng uốn. hòa (Hình 2.2 và 2.3). Biến dạng uốn là khuynh hướng của một cấu kiện bị cong xuống khi nhận tải trọng vuông góc với trục dài nhất của nó. Biến dạng uốn gây cho một mặt của cấu kiện bị kéo giãn (chịu kéo) và mặt đối diện bị thu ngắn lại (chịu nén). Và vì các ứng suất kéo và nén xảy ra cùng nhau, nên ứng suất cắt cũng xảy ra. Dầm là một ví dụ chung nhất của một cấu kiện chịu uốn. Nó là giải pháp tốt nhất cho bài toán kết cấu về việc truyền tải trọng theo phương ngang đến các cấu kiện chịu lực (Hình 2.1). ỨNG SUẤT DẦM Xét ví dụ, một dầm đơn giản được đỡ chịu tại hai đầu và nhận tải trọng ở giữa. Tải trọng tác động (và tải trọng bản thân của dầm) gây cho dầm bị biến dạng cong. Khi dầm cong, phần vật liệu gần mặt Hình 2.1: Một dầm được đỡ chịu đơn giản bị võng dưới tải trọng. Mặt trên cong lồi nhất của dầm (mặt dưới trong trường hợp này) có khuynh dầm nén lại, và mặt dưới giãn ra, trung tâm dầm vẫn giữ nguyên chiều dài. hướng bị kéo giãn, tạo nên ứng suất kéo song song với mặt dầm; 11 Hình 2.3: Các ứng suất kéo và nén trong một dầm được đỡ chịu đơn giản. là đường cong và giao cắt nhau (Hình 2.4). Khi các đường ứng suất kéo và nén giao cắt, chúng luôn vuông góc nhau. Khoảng cách giữa các đường đồng ứng suất biểu thị mức độ tập trung ứng suất tại vùng đó (khoảng cách gần nhau có nghĩa sự tập trung ứng suất cao). Vật liệu Vật liệu tốt nhất dành cho dầm là loại có cường độ chịu kéo và nén tương đương nhau. Gỗ và thép là những vật liệu tốt để làm dầm nhờ Hình 2.2: Mô hình minh họa ứng suất nén và kéo và sự biến dạng trong dầm. vào đặc điểm này. Đá tự nhiên, bê-tông và gạch xây là những vật liệu chịu nén tương đối cao nhưng lại chịu kéo kém. Vì vậy, các dầm Đường đồng ứng suất đá được tìm thấy ở những đền thờ Hy Lạp cổ đại chỉ có thể vượt những khoảng ngắn và khá dày so với sức chịu của chúng. Nếu nói đơn giản hóa, biến dạng kéo xảy ra ở phần dưới và nén ở phần trên của một dầm đơn giản. Nhưng thực tế, các đường ứng suất 12 Hình 2.4: Các đường đồng ứng suất trong dầm: (a) gối tựa hai đầu, và (b) gối tựa ở giữa. Các điểm cần để ý: khi các đường này giao nhau, chúng luôn vuông góc; các đường đồng ứng suất nén và kéo là đối xứng; khoảng cách gần nhau giữa các đường cong biểu thị sự tập trung tương đối của ứng suất. Hình 2.5: Biến dạng uốn trong dầm bê-tông không có và có lõi thép gia cường. Sự gia cường sức chịu kéo Dầm bê-tông ứng lực trước và dầm bê-tông căng sau Sức chịu kéo của bê-tông quá thấp, đến nỗi nó không bao giờ được Ngay cả khi được gia cường bằng thanh thép bên trong, các vết nứt tính đến trong thiết kế kết cấu. Các dầm bê-tông phải được gia nhỏ do chịu kéo vẫn xảy ra tại mặt cong lồi của dầm. Lý do là thép cường bằng thép để không bị nứt do chịu kéo. Vì mục đích của các phải bắt đầu giãn ra trước khi nó có thể làm việc chống lại biến dạng thanh thép gia cường trong dầm là để chịu ứng suất kéo, chúng luôn võng―thực chất, một chút biến dạng võng phải xảy ra để cho sức được bố trí tại mặt cong lồi của dầm (Hình 2.5). bền kéo của thép có tác dụng. Điều này có thể được khắc phục bằng cách kéo giãn (ứng lực trước) thép khi nó được bố trí trong khuôn Các nội lực nén và kéo đối lập trong dầm hình thành mô-men kháng dầm trước khi đổ bê-tông và duy trì trạng thái chịu kéo đó trong khi chịu. Nếu khoảng cách giữa các nội lực này là nhỏ (như trong trường bê-tông đông cứng. Khi các lực kéo tại hai đầu thép thôi không tác hợp dầm thấp) thì chúng phải có giá trị lớn để hình thành nên mô- dụng, thép co lại gây cho các vật liệu chung quanh nó bị nén (Hình men chống lại biến dạng võng cần thiết. Nếu khoảng cách giữa các 2.6). nội lực này lớn (như trong trường hợp dầm cao) thì chúng có thể có giá trị nhỏ và vẫn hình thành nên mô-men kháng chịu thỏa yêu cầu. 13 Hình 2.6: Dầm bê-tông ứng lực trước: (a) dây cáp cường độ cao được kéo căng giữa hai bệ sử dụng kích thủy lực; (b) bê-tông được đổ bao quanh dây cáp căng trước và đông cứng; và (c) sau khi bê-tông đã cứng, dây cáp được cắt. Nếu dây cáp được đặt ở phần dưới của dầm, việc cắt dây cáp có hiệu quả như tác động lực nén vào hai đầu của dầm tại vị trí này. Điều này gây cho dầm cong lên, tạo Hình 2.7: Dầm bê-tông căng sau: (a) khuôn dầm được thi công, các ống bao ra độ cong vồng bù lại biến dạng võng (d), xảy ra khi dầm nhận tải trọng phương đứng. rỗng có đặt dây cáp chưa căng được đưa vào vị trí, và bê-tông được đổ bao quanh ống bao; (b) sau khi bê-tông đã cứng, dây cáp được kéo căng