Nghiên cứu ảnh hưởng của khối xây chèn có lỗ cửa đến sự làm việc của khung bê tông cốt thép nhà cao tầng

LVTS28 Nghiên cứu ảnh hưởng của khối xây chèn có lỗ cửa đến sự làm việc của khung bê tông cốt thép nhà cao tầng Đăng ngày 04082011 07:13:00 AM 566 Lượt xem 1095 lượt tải Giá : 0 VND Nghiên cứu ảnh hưởng của khối xây chèn có lỗ cửa đến sự làm việc của khung bê tông cốt thép nhà cao tầng Hãng sản xuất : Unknown

-

Tăng Bá Bay Khóa: 2008 - 2010 lớp: ch08x

Nghiên cứu ảnh hưởng của khối xây chèn

có lỗ cửa đến sự làm việc của khung

Hà Nội - 2011

Lời cảm ơn

Trong khi thực hiện luận văn này tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ rất nhiệt tình của các thầy, các cô giáo trong khoa Sau đại học - Trường Đại học kiến trúc Hà Nội Qua đây, với lòng biết ơn và kính trọng nhất tôi xin được cảm ơn tất cả mọi người đặc biệt là 2 thầy giáo hướng dẫn chính là: Pgs TS Vương Ngọc Lưu và

TS Vũ Hoàng Hiệp đã tận tình giúp đỡ, cung cấp tài liệu tham khảo, hướng dẫn tôi hoàn thành đề tài này

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng: Luận văn: “Nghiên cứu ảnh hưởng của khối xây chèn có lỗ cửa đến sự làm việc của khung bê tông cốt thép nhà cao tầng” là công trình nghiên cứu của riêng mình tôi

Các số liệu trong luận văn được sử dung trung thực, khách quan, có tính kế thừa Kết quả nghiên cứu trong Luận văn này là các kết quả chưa từng được công bố tại bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác từ trước tới nay

Hà Nội, ngày 20 tháng 3 năm 2011

Tăng Bá Bay

mục lục Trang

Lời cảm ơn 3

Lời cam đoan 4

mở đầu 9

Chương 1: 11

Tổng quan về nhà cao tầng và ảnh hưởng của khối xây chèn trong khung Bê tông cốt thép nhà cao tầng 11

1.1 Tình hình phát triển nhà cao tầng hiện nay tại Việt nam: 11

1.2 Các dạng kết cấu chịu lực chính trong nhà cao tầng: 13

1.3 Sơ lược về các loại vật liệu sử dụng làm khối xây chèn trong khung bê tông cốt thép nhà cao tầng: 15

1.4 Tình hình nghiên cứu sự làm việc kết cấu khung bê tông cốt thép có tường chèn: 21

Chương 2: 35

Sự làm việc của khối xây chèn có lỗ cửa trong khung Bê tông cốt thép nhà cao tầng - các mô hình tính toán 35

2.1 Sự làm việc của khối xây chèn có lỗ cửa trong khung bê tông cốt thép khi có tải trọng động tác động: 35

2.2.1 Mô hình hóa khối xây chèn bằng 1 thanh chịu nén: 36

2.2.2 Mô hình hóa khối xây chèn bằng nhiều thanh chịu nén: 36

2.2.3 Mô hình hóa khối xây chèn thành phần tử tấm: 37

2.2.4 Mô hình hóa khối xây chèn thành phần tử tấm có giải phóng liên kết với đáy dầm của khung bê tông cốt thép: 38

2.3 So sánh các mô hình tính toán để lựa chọn mô hình phù hợp nhất để tính toán cho khung bê tông cốt thép nhà cao tầng: 39

2.3.1 Trường hợp 1: Lỗ cửa ở vị trí số 1 (giữa nhịp dầm, phía dưới) 43

2.3.2 Trường hợp 2: Lỗ cửa ở vị trí số 2 (lỗ cửa ở vị trí chính giữa khối xây) 53

2.3.3 Trường hợp 3: Lỗ cửa ở vị trí số 3 (lỗ cửa ở giữa nhịp dầm, phía trên) 56

2.3.4 Trường hợp 4: Lỗ cửa ở vị trí số 4 (lỗ cửa có vị trí sát góc khung) 60

Chương 3: 70

Khảo sát sự làm việc của khối xây có lỗ cửa đến sự làm việccủa khung bê tông cốt thép nhà cao tầng theo mô hình phần tử tấm có giải phóng liên kết với đáy dầm 70

3.1 Các số liệu khảo sát: 70

3.2 Khảo sát cho các trường hợp lỗ cửa ở các vị trí khác nhau trong khối xây chèn xem có ảnh hưởng như thế nào đến độ cứng tổng thể của công trình: 71

3.2.1 Trường hợp 1: Vị trí của lỗ cửa ở giữa các nhịp tại mặt trên của các dầm sàn 73

3.2.2 Trường hợp 2: Lỗ cửa ở vị trí giữa trung tâm của khối xây .74

3.2.3 Trường hợp 3: Lỗ cửa có vị trí ở giữa các nhịp và phía dưới đáy các dầm 76

3.2.4 Trường hợp 4: Lỗ cửa ở vị trí sát góc của khung .78

3.3 Khảo sát các trường hợp bố trí các khối xây ở các vị trí khác nhau trong

không gian tổng thể của khung bê tông cốt thép nhà cao tầng: 81

3.3.1 Trường hợp 1 (TH1): Khối xây có lỗ 2,0x2,0 m ở 2 trục đầu hồi dọc theo phương Y từ tầng 1 đến tầng 10: 82

3.3.2 Trường hợp 2 (TH2): Khối xây có lỗ 2,0x2,0 m tại 2 trục 3 và trục 4 ở giữa nhà dọc theo phương Y từ tầng 1 đến tầng 10: 83

3.3.3 Trường hợp 3 (TH3): Khối xây tại 2 trục đầu hồi theo phương Y tại 3 tầng trên cùng của nhà (từ tầng 8 đến tầng 10): 84

3.3.4 Trường hợp 4 (TH4): Khối xây tại 2 trục đầu hồi theo phương Y tại 3 tầng giữa nhà (từ tầng 5 đến tầng 7) 85

3.3.5 Trường hợp 5 (TH5): Khối xây tại 2 trục đầu hồi theo phương Y tại 3 tầng giữa nhà (từ tầng 1 đến tầng 3) 86

3.4 Khảo sát các trường hợp bố trí lỗ cửa có kích thước khác nhau trong 1 khối xây để xét tới sự cần thiết phải kể tới ảnh hưởng của khối xây chèn có lỗ cửa: 87 Kết luận và kiến nghị 90

Tài liệu Tham Khảo 92

Danh mục các bảng biểu Bảng 1 1: Bảng quy cách của gạch bê tông khí chưng áp: 20

Bảng 2 1: So sánh các chu kỳ dao động với lỗ cửa ở vị trí số 1: 67

Bảng 2 2: So sánh các chu kỳ dao động với lỗ cửa ở vị trí số 2: 67

Bảng 2 3: So sánh các chu kỳ dao động với lỗ cửa ở vị trí số 3: 68

Bảng 2 4: So sánh các chu kỳ dao động với lỗ cửa ở vị trí số 4: 68

Bảng 3 1: So sánh giữa trường hợp 1 và trường hợp 2: 87

Bảng 3 2: So sánh giữa trường hợp 3; 4 và 5: 87

Danh Mục Các hình vẽ Hình 1 1: Hình ảnh dạng gạch đất nung dạng Tuynel 4 lỗ 16

Hình 1 2: Hình ảnh một cơ sở có dây chuyền sản xuất gạch không nung 18

Hình 1 3: Hình ảnh một đoạn tường sử dụng gạch không nung 18

Hình 1 4: Hình ảnh gạch không nung sản xuất từ đất tự nhiên 19

Hình 1 5: Dải đường chéo bị nén tương đương của khối xây chèn 29

Hình 2 1: Mô tả khối xây chèn bằng phần tử 1 thanh chịu nén 36

Hình 2 2: Mô tả khối xây chèn bằng nhiều thanh chịu nén 37

Hình 2 3: Mô hình miêu tả khối xây chèn bằng các phần tử tấm 38

Hình 2 4: Mô hình mô tả khối xây chèn bằng các phần tử tấm, các phần tử tấm ở trên cùng không liên kết cứng với đáy dầm của khung bê tông cốt thép 39

Hình 2 5: Các vị trí chủ yếu của lỗ cửa trong khối xây 41

Hình 2 6: Sơ đồ mặt bằng công trình khảo sát 43

Hình 2 7: Trường hợp MH1-1: Mô hình không gian 44

không kể ảnh hưởng của khối xây chèn có lỗ cửa 44

Hình 2 8: Trường hợp MH1-2: Mặt bằng bố trí khối xây và lỗ cửa ở vị trí số 1 45

Hình 2 9: Sơ đồ vị trí của lỗ cửa để tính trị số θ 47

Hình 2 10: Trường hợp MH1-2: Mô hình không gian mô tả dải khối xây 48

là 1 thanh chịu nén 48

Hình 2 11: Trường hợp MH1-3: Vị trí liên kết các thanh chịu nén với cột 49

và dầm 49

Hình 2 12: Trường hợp MH1-3: Mô hình không gian mô tả dải khối xây 50

là 3 thanh chịu nén 50

Hình 2 13: Trường hợp MH1-4: Mô hình không gian mô tả cả khối xây chèn là những phần tử tấm 51

Hình 2 14: Trường hợp MH1-5: Mô hình không gian mô tả cả khối xây chèn là những phần tử tấm có giải phóng liên kết ở đáy dầm 52

Hình 2 15: Sơ đồ vị trí của lỗ cửa ở vị trí 2 trong khối xây 53

Hình 2 16: Trường hợp MH2-4: Mô hình không gian mô tả cả khối xây chèn là những phần tử tấm 55

Hình 2 17: Trường hợp MH2-5: Mô hình không gian mô tả cả khối xây chèn là những phần tử tấm có giải phóng liên kết tại đáy dầm 56

Hình 2 18: Sơ đồ vị trí của lỗ cửa ở vị trí 3 trong khối xây 57

Hình 2 19: Trường hợp MH3-4: Mô hình không gian mô tả cả khối xây chèn là những phần tử tấm 59

Hình 2 20: Trường hợp MH3-5: Mô hình không gian mô tả cả khối xây chèn là những phần tử tấm có giải phóng liên kết tại đáy dầm 60

Hình 2 21: Trường hợp 4: Sơ đồ vị trí của lỗ cửa sát góckhung 61

Hình 2 22: Trường hợp MH4-2: Mô hình không gian mô tả dải khối xây 62

là 1 thanh chịu nén 62

Hình 2 23: Trường hợp MH4-3: Vị trí liên kết các thanh chịu nén với cột và dầm của 3 tahnh chịu nén 63

Hình 2 24: Trường hợp MH4-3: Mô hình không gian mô tả dải khối xây 64

là 3 thanh chịu nén liên kết với dầm và cột 64

Hình 2 25: Trường hợp MH4-4: Mô hình không gian mô tả khối xây bằng các phần tử tấm liên kết 4 mặt với cột và dầm 65

Hình 2 26: Trường hợp MH4-5: Mô hình không gian mô tả khối xây bằng các phần tử tấm có giải phóng liên kết ở các tấm ngay đáy dầm 66

Hình 3 1: Sơ đồ mặt bằng công trình từ tầng 1 đến tầng 10 71

Hình 3 2: Sơ đồ vị trí các lỗ cửa cho các trường hợp khảo sát 72

Hình 3 3: Sơ đồ lỗ cửa của 1 Panô khối xây theo TH1 73

Hình 3 4: Sơ đồ không gian mô tả các khối xây có lỗ cửa theo trường hợp 1 (TH1) được bố trí dọc theo 6 trục theo phương Y ở cả 10 tầng 74

Hình 3 5: Sơ đồ lỗ cửa của 1 Panô khối xây theo TH2 75

Hình 3 6: Sơ đồ không gian mô tả các khối xây có lỗ cửa theo trường hợp 2 (TH2) được bố trí dọc theo 6 trục theo phương Y ở cả 10 tầng 76

Hình 3 7: Sơ đồ lỗ cửa của 1 Panô khối xây theo TH3 77

Hình 3 8: Sơ đồ không gian mô tả các khối xây có lỗ cửa theo trường hợp 3 (TH3)

được bố trí dọc theo 6 trục theo phương Y ở cả 10 tầng 78

Hình 3 9: Sơ đồ lỗ cửa của 1 Panô khối xây theo TH4 79

Hình 3 10: Sơ đồ không gian mô tả các khối xây có lỗ cửa theo trường hợp 4 (TH4)được bố trí dọc theo 6 trục theo phương Y ở cả 10 tầng 80

Hình 3 11: So đồ bố trí lỗ cửa khối xây hai trục đầu hồi 82

và sơ đồ không gian của công trình (TH1) 82

Hình 3 12: Sơ đồ bố trí lỗ cửa khối xây ở hai trục giữa nhà - Trục 3, trục 4 83

và sơ đồ không gian của công trình (TH2) 83

Hình 3 13: So đồ bố trí lỗ cửa khối xây ở hai trục đầu hồi khối xây ở 3 tầng 84

từ tầng 8 đến tầng 10 và sơ đồ không gian của công trình (TH3) 84

Hình 3 14 :Sơ đồ bố trí lỗ cửa khối xây ở hai trục đầu hồi khối xây ở 3 tầng 85

từ tầng 5 đến tầng 7 và sơ đồ không gian của công trình (TH4) 85

Hình 3 15: So đồ bố trí lỗ cửa khối xây ở hai trục đầu hồi khối xây ở 3 tầng 86

mở đầu

1 Lý do chọn đề tài:

Hiện nay, trên thế giới và trong nước cũng đã xuất hiện rất nhiều loại công trình với nhiều hình khối về kiến trúc khác nhau, có các công năng khác nhau nhưng nhìn chung xét về mặt kết cấu chịu lực chính thì chỉ có một số các loại hình kết cấu chủ yếu như: tường chịu lực; khung chịu lực; lõi; ống; và có sự kết hợp giao thoa của các loại phương án kết cấu trên Đối với nước ta việc xây dựng các loại nhà cao tầng

có số tầng từ 9 đến 30 tầng rất phổ biến và chiếm đại đa số các công trình xây dựng dân dụng hiện nay Về mặt kết cấu đại đa số sử dụng hệ kết cấu khung bê tông cốt thép chịu lực chính Để ngăn chia các không gian chức năng và bao che cho công trình xây dựng loại này hầu như đều sử dụng phương án xây chèn gạch trong khung

bê tông cốt thép Như vây:

- Nếu chỉ sử dụng mô hình tính toán khung chịu lực chính và thay các tường gạch xây chèn là các tải trọng tĩnh rời rạc thì tải trọng công trình sẽ rất lớn, khối lượng kết cấu chịu lực công trình tăng cao Mặt khác, hệ tường xây chèn ngoài khả năng chịu tải bản thân của nó thì thực tế nó cũng tham gia chịu tải chung cho công trình (theo các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thí nghiệm công trình trong các báo cáo nghiên cứu của các nhà khoa học trước đây)

- Nếu xét về mặt kinh tế thì việc không đưa tường kết hợp chịu lực sẽ lãng phí, bởi vì trách nhiệm chịu tải toàn bộ công trình lại dồn sang hệ khung bê tông cốt thép, do đó các kết cấu chịu lực chính cho công trình phải có khối lượng lớn hơn thực tế gây tốn kém đầu tư Hiện nay, với việc ứng dụng các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã được chứng minh, vận dụng các phần mềm tính toán kết cấu vào trong thiết kế công trình, khoa học công nghệ về vật liệu xây dựng, công nghệ, kỹ thuật thi công xây dựng công trình cũng rất phát triển nên càng đỏi hỏi tính cấp bách phải nghiên cứu ảnh hưởng của khối xây chèn đến sự làm việc của khung

bê tông cốt thép nhà cao tầng

Các nghiên cứu trước đây chủ yếu chỉ tập trung vào khối xây đặc, tuy nhiên các khối xây trong công trình đại đa số là các khối xây có lỗ cửa nên việc nghiên cứu ảnh hưởng của khối xây có lỗ cửa là rất cần thiết

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Công trình có sử dụng khung bê tông cốt thép chèn gạch có lỗ cửa làm kết cấu chịu lực

Chỉ nghiên cứu các đặc trưng về dao động như: chu kỳ, tần số dao động., có xét

đến cả ảnh hưởng của khối lượng của khối xây chèn

Các lỗ cửa trong nghiên cứu này chỉ là các lỗ cửa có hình dạng phổ biến nhất trong các công trình là lỗ cửa hình chữ nhật

3 Mục tiêu nghiên cứu:

- Đưa ra kết quả so sánh các mô hình tính toán có sự ảnh hưởng của khối xây chèn có lỗ cửa đến sự làm việc của khung bê tông cốt thép nhà cao tầng

- Đề xuất mô hình tính toán hợp lý nhất, mang tính tự động hóa thiết kế cao, giảm các bước tính trung gian mà vẫn phù hợp với mô hình lý thuyết truyền thống

- Đưa ra được nhận xét về tấm ảnh hưởng của lỗ cửa theo các đặc trưng của chúng như: kích thước, vị trí…

Chương 1:

Tổng quan về nhà cao tầng và ảnh hưởng của khối xây chèn

trong khung Bê tông cốt thép nhà cao tầng

1.1 Tình hình phát triển nhà cao tầng hiện nay tại Việt nam:

Cho đến giờ khái niệm “Nhà cao tầng” ở Việt Nam không còn mới mẻ nữa, hiện nay chúng ta đã có khai niệm về nhà cao tầng, đã có một hệ thống các tiêu chuẩn liên quan đến công tác thiết kế, thi công nhà cao tầng tương đối đồng bộ Trên thực tế trong khoảng 10 năm trở lại đây, chúng ta có rất nhiều những công trình đã và đang được xây dựng tại các thành phố lớn như: Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, và các thành phố khác trong cả nước với một tốc độ phát triển khá cao Sau 20 năm hội nhập cùng với nền kinh tế thế giới, bộ mặt đô thị nước ta thay đổi rõ rệt, đặc biệt là trong lĩnh vực xây dựng cơ bản, trong đó nhà cao tầng chiếm một mật

độ khá cao, nhà cao tầng hiện diện ở các công trình khác nhau từ: Khách sạn, ngân hàng thương mại, trụ sở làm việc của cơ quan nhà nước, của doanh nghiệp tư nhân

đến các nhà ở chung cư Về mặt thiết kế kết cấu, đối với các kỹ sư kết cấu ở Việt Nam khi đứng trước một bài toán công trình nhà cao tầng chúng ta không còn e dè,

xa lạ ngại tiếp cận nữa, mặt khác chúng ta hoàn toàn có thể tự thiết kế, thi công nhà cao tầng hoặc trao đổi kinh nghiệm với các chuyên gia nước ngoài

Sự phát triển về kinh tế trên thế giới kéo theo xu hướng toàn cầu hóa, Việt Nam cũng không nằm ngoài xu thế đó, vì vậy nhà cao tầng hình thành và phát triển

ở Việt Nam là một quá trình tất yếu ở nước ta trong thời kỳ công nghiệp hóa, hiện

đại hóa Hiện nay, sự bùng nổ dân số ở các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh mấy năm gần đây diễn ra với tốc độ khủng khiếp, đi kèm với nó là sự thiếu thốn trầm trọng về nhà ở, diện tích công viên, cây xanh, các công trình phúc lợi xã hội bị thu hẹp nhanh chóng Để hạn chế các vấn đề trên, các nhà hoạch định chiến lược tại Việt Nam phải có một quy hoạch tổng thể gắn liền với việc ưu tiên phát triển nhà cao tầng tại một số nơi trong đô thị Do đó nhà cao tầng phát triển rất nhanh, chỉ vài năm trở lại đây các loại hình nhà ở, trụ sở nhà làm việc, trung tâm thương mại, khách sạn, nhà nghỉ chủ yếu được thiết kế, xây dựng theo hướng ưu tiên

nhà cao tầng Về mặt cảnh quan nhà cao tầng còn có ý nghĩa tạo các điểm nhấn cho các khu vực chức năng khác nhau trong đô thị

Sau đây xin liệt kê một số công trình nhà cao tầng điển hình đã tồn tại hoặc

đang được triển khai xây dựng tại Việt Nam:

- Sofitel Plaza Hà Nội, số 1 đường Thanh Niên, quận Tây Hồ

- Hotel Nikko Hà Nội 17 tầng

- Tòa nhà tháp đôi Vicom đường Bà Triệu, 27 tầng và 01 tầng ngầm

- Khách sạn trung tâm thương Hà Nội Melia, 44 Lý Thường Kiệt cao 22 tầng

- Chung cư Láng Hạ cao 27 tầng, chung cư Huỳnh Thúc Kháng cao 19 tầng

- Tổ hợp các nhà chung cư và nhà làm việc từ 20 đến trên 30 tầng tại các khu

đô thị mới như: Mỹ Đình, Trung Hòa - Nhân Chính, Dịch Vọng, Hà Đông, Linh

Đàm…

* Tại thành phố Hồ Chí Minh:

- Sài Gòn Tower 18 tầng, 29 đường Lê Duẩn

- Trung tâm thương mại Sài Gòn, số 37 đường Tôn Đức Thắng, gồm 33 tầng + 01 tầng hầm

- New Wolrd cao 14 tầng bao gồm 2 khối nhà

- Công trình nhà ở cao cấp số 8 đường Nguyễn Bỉnh Khiêm, 14 tầng + 01 tầng hầm

- Khách sạn BUROTEL, số 4 đường Tôn Đức Thắng, 14 tầng

- Cao ốc thương mại - Văn phòng Mê Linh 22 tầng

- Trung tâm thương mại số 14 đường Lê Duẩn, cao 23 tầng (công trình sử dụng kết cấu thép)

1.2 Các dạng kết cấu chịu lực chính trong nhà cao tầng:

Nhà cao tầng không những giải quyết được vấn đề tiết kiệm diện tích mặt bằng đất đai cho các đô thị lớn mà còn là tiêu chí để đánh giá mức độ hiện đại của các đô thị trên thế giới Vì vậy, tùy theo trình độ phát triển tại các quốc gia mà mỗi quốc gia có những khái niệm khác nhau về nhà cao tầng Ví dụ đối với quan niệm nhà cao tầng: ở Trung Quốc nhà ở từ 10 tầng trở lên, các công trình khác cao trên

24 m; ở Singapo nhà ở trên 10 tầng, các công khác từ 7 tầng trở lên; ở Mỹ nhà ở từ

22 tầng trở lên, các công trình khác từ 7 tầng trở lên; ở Nhật công trình từ 11 tầng hoặc cao trên 31 m…vì vậy tùy theo điều kiện kinh tế xã hội, đặc điểm tự nhiên ở mỗi nước và các loại hình công trình khác nhau mà có các khái niệm khác nhau về nhà cao tầng ở nước ta công trình cao từ 9 tầng trở lên được coi là nhà cao tầng, việc thiết kế tính toán từ kiến trúc đến kết cấu, hệ thống hạ tầng kỹ thuật phải tuân thủ theo các quy chuẩn, tiêu chuẩn, quy phạm có liên quan về thiết kế nhà cao tầng Theo tiêu chuẩn XDVN 194: 2006 - Nhà cao tầng - Công tác khảo sát địa kỹ thuật của Bộ Xây dựng thì coi nhà cao tầng là nhà ở và các công trình công cộng có số tầng lớn hơn 9 Tuy nhiên, khái niệm này chưa bao hàm hết các vấn đề đã nêu trên, hiện nay khái niệm nhà cao tầng có thể coi là đầy đủ và khái quát nhất được hiểu như sau: Nhà cao tầng là những công trình nhà mà chiều cao của nó có ảnh hưởng nhiều đến việc quy hoạch, thiết kế thi công và sử dụng công trình

Đối với các công trình thấp tầng từ 4, 5 tầng trở lại thì khi thiết kế các kỹ sư kết cấu chủ yếu quan tâm đến các tải trọng thẳng đứng như là tĩnh tải, hoạt tải sử dụng, hệ kết cấu chịu lực chính cho công trình chủ yếu dùng kết cấu tường xây gạch chịu lực hay là khung Bê tông cốt thép toàn khối chịu lực (bao gồm: Dầm, cột, sàn)

Nhưng đối với nhà cao tầng thì vấn đề chính nhất khi thiết kế kết cấu là phải quan tâm đến các loại tải trọng ngang, đồng thời phải tính toán đến vấn đề động lực học công trình, các tải trọng ngang thường gặp nhất là tải trọng gió, tải trọng động đất Chính vì vậy khi thiết kế nhà cao tầng phải đảm bảo các điều kiện sau:

- Hạn chế chuyển vị ngang của công trình (đảm bảo độ cứng tổng thể): Kết cấu phải đảm bảo độ cứng nhất định để hạn chế các chuyển vị ngang của công trình bởi vì sự gia tăng của chuyển vị ngang công trình cũng đi liền với sự phát triển ảnh hưởng của biến dạng, dao động đối với công trình

- Kết cấu công trình phải có bậc siêu tĩnh càng nhiều càng tốt: Để khi kết cấu công trình chịu tải trọng nói chung và tải trọng ngang nói riêng thì kết cấu vẫn còn

có khả năng biến dạng dẻo để phân phối lại nội theo hướng hình thành các khớp dẻo

để tự hình thành lại sơ đồ kết cấu giúp công trình chịu được các tải trọng tăng lên một cách đột biến

- Đối với nhà cao tầng thì yêu cầu về thiết kế chống động đất cũng cần phải quan tâm đến: Kết cấu công trình phải có độ dẻo nhất định với mục đích là để phân tán năng lượng mà công trình tiếp nhận được do động đất, gió và các tải trọng khác gây ra

- Bên cạnh các giải pháp về kết cấu trên thì phương án giảm nhẹ trọng lượng bản thân của công trình cũng như của bộ phận kết cấu chịu lực cũng có ý nghĩa giảm ảnh hưởng của thành phần động của các tải trọng ngang, cụ thể là làm giảm

ảnh hưởng của lực quán tính công trình: F=ma

Để giải quyết các vấn đề trên thì tùy theo đặc điểm của các công trình cũng như yêu cầu về kiến trúc, kỹ thuật, công năng sử dụng của các chủ đầu tư mà có nhiều giải pháp về kết cấu khác nhau, nhưng nhìn chung về mặt kết cấu chính trong nhà cao tầng có các dạng như sau:

+ Dạng 1: Hệ kết cấu thuần khung (Frame), đó là hệ kết cấu có không gian lớn, bố trí mặt bằng linh hoạt có thể đáp ứng đầy đủ các yêu cầu sử dụng công trình nhưng độ cứng theo phương ngang của hệ kết cấu này không cao, khả năng chịu tải trọng ngang không lớn Để khắc phục nhược điểm này người ta tăng kích thước mặt

cắt của dầm, cột, bố trí cốt thép tương đối lớn, bố trí các hệ giằng ngang trên một số tầng dọc theo chiều cao nhà

+ Dạng 2: Hệ kết cấu vách cứng (hệ giằng): Đây là hệ kết cấu có độ cứng ngang lớn, khả năng chịu tải ngang tốt, còn các khung là các liên kết khớp không chịu tải trọng ngang Nhưng do thực tế yêu cầu về kiến trúc có bố trí các không gian

sử dụng của công trình theo yêu cầu nên nếu sử dụng hệ kết cấu này nhiều khi không khả thi Loại hình kết cấu này thường được dùng trong các công trình như nhà ở, khách sạn, công sở…

+ Dạng 3: Hệ kết cấu khung - giằng: Đây là hệ kết cấu kết hợp khung và vách cứng, hệ kết cấu này thiết kế cho vách (hoặc lõi cứng) chịu phần lớn tải trọng ngang, khung chịu tải trọng đứng và phần tải trọng ngang còn lại Trong thực tế ở Việt Nam các công trình có chiều cao trên dưới 30 tầng thì hệ kết cấu này được sử dụng nhiều nhất

+ Dạng 4: Hệ kết cấu dạng ống: Hệ kết cấu này là vách cứng tạo thành ống không gian vỏ mỏng, có thể một hoặc nhiều ống trên mặt bằng Kết cấu dạng ống có

độ cứng ngang lớn, có tính năng chống lực cắt tốt và được ứng dụng trong các công trình có chiều cao rất lớn

1.3 Sơ lược về các loại vật liệu sử dụng làm khối xây chèn trong khung bê tông cốt thép nhà cao tầng:

Đối với nước ta việc xây dựng các loại nhà cao tầng từ 10 tầng đến 30 tầng hiện nay rất phổ biến và chiếm đại đa số các công trình xây dựng dân dụng Về mặt kết cấu chịu lực chính thì đại đa số các công trình sử dụng hệ kết cấu khung bê tông cốt thép chịu lực hoặc hệ kết cấu khung - giằng Để ngăn chia các không gian chức năng và bao che cho công trình xây dựng đại loại đều sử dụng phương án xây chèn gạch trong khung bê tông cốt thép với các loại gạch khác nhau như: gạch tuynel, gạch đặc, gạch dạng viên Block

Khi tính toán kết cấu công trình thì:

- Nếu chỉ sử dụng mô hình tính toán khung chịu lực chính và thay các tường gạch xây chèn là tải trọng tĩnh rời rạc thì tải trọng ngoài của công trình sẽ rất lớn

Mặt khác, các hệ tường xây ngoài khả năng chịu tải bản thân thì thực tế nó cũng tham gia chịu tải chuung cho công trình (Từ các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thí nghiệm công trình của các công trình nghiên cứu của các nhà khoa học)

- Nếu xét về mặt kinh tế thì việc không đưa tường kết hợp chịu lực sẽ lãng phí, bởi vì trách nhiệm chịu tải toàn bộ công trình lại dồn sang hệ khung Bê tông cốt thép, do đó các kết cấu chịu lực chính cho công trình phải có khối lượng lớn hơn nếu không xét tới khả năng chịu lực của khối xây chèn

Hiện nay, với việc ứng dụng các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

đã được chứng minh, các phần mềm kết cấu vào trong tính toán thiết kế, bên cạnh

đó khoa học công nghệ về vật liệu xây dựng, công nghệ, kỹ thuật thi công xây dựng công trình cũng rất phát triển nên có đầy đủ cơ sở để có thể nghiên cứu sự tham gia chịu lực chung với hệ khung của các loại tường xây chèn trong công trình

Khối xây chèn được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất hiện nay chính là khối xây gạch nung, kích cỡ của khối xây này thường dày 110, 220 chính là các vách ngăn chia không gian hoặc bao che cho công trình Phần tử chính của khối xây chính là các viên gạch: có nhiều loại khác nhau như: gạch đặc dạng viên kích thước 105x210x55, các dạng viên gạch Tuynel có lỗ: viên 2 lỗ, 4 lỗ, 6 lỗ…

Hình 1 1: Hình ảnh dạng gạch đất nung dạng Tuynel 4 lỗ

Nhưng sử dụng gạch đất nung có nhiều mặt hạn chế, cụ thể theo như dự báo ở nước ta đến năm 2020 sẽ tiêu tốn từ 41 đến 43 tỷ viên một năm, với số lượng này phải tiêu tốn khoảng 57-60 triệu m3 đất sét và từ 5,3 đến 5,6 triệu tấn than Như vậy

mức độ hao hụt đất nông nghiệp là vô cùng lớn, chưa kể đến sự gia tăng về ô nhiễm môi trường và lãng phí tài nguyên không tái tạo lại được Do vậy, hiện nay trên thị trường và thực tế nhiều công trình đang xây dựng sử dụng gạch không nung cho các khối xây chèn Việc dùng vật liệu không nung dùng trong các khối xây chèn có nhiều lợi ích như sau: Hàng năm sử dụng khoảng từ 15-20 triệu tấn phế thải công nghiệp (tro xỉ nhiệt điện, xỉ lò cao…) để sản xuất vật liệu xây không nung, tiết kiệm

được khoảng 1000 ha đất nông nghiệp và hàng trăm hecta diện tích đất chứa phế thải, tiến tới xóa bỏ hoàn toàn các cơ sở sản xuất gạch đất sét nung bằng thủ công Bên cạnh đó, so với đất sét nung, vật liệu không nung có nhiều ưu điểm nổi bật như nguồn nguyên liệu dồi dào, dễ kiếm, không ảnh hưởng đến trồng trọt, tận dụng nguồn phế thải công nghiệp, giảm chi phí năng lượng, đặc biệt là giảm khí thải, bảo

vệ môi trường Có thể sản xuất gạch không nung ở quy mô nhỏ, đơn giản, dễ tạo ra chất lượng sản phẩm theo cường độ, kích thước, có độ chính xác cao Bên cạnh đó gạch không nung nhẹ, cách nhiệt, cách ẩm tốt, góp phần tiết kiệm năng lượng trong

điều kiện thời tiết nóng ẩm ở Việt Nam Ví dụ: Giữa xây tường bằng gạch Tuynel hai lỗ thông dụng với một loại vật liệu xây không nung lò là gạch Block rỗng SHB2-

150 có kích thước 390x150x190 mm cho thấy xây gạch block tiết kiệm 60 %, thời gian xây 1 m2 giảm 60%, giá viên gạch đã quy kích thước tiêu chuẩn giảm 25%

H×nh 1 2: H×nh ¶nh mét c¬ së cã d©y chuyÒn s¶n xuÊt g¹ch kh«ng nung

H×nh 1 3: H×nh ¶nh mét ®o¹n t−êng sö dông g¹ch kh«ng nung

Bênh cạnh các loại dạng gạch nêu trên hiện nay còn có loại gạch không nung

tự nhiên từ các biến thể và sản phẩm phong hóa của đá Bazan Loại gạch này chủ yếu sử dụng ở các vùng có nguồn Puzolan tự nhiên, tuy nhiên hình thức sản xuất còn

tự phát, mang tính chất địa phương, qui mô nhỏ…

Hình 1 4: Hình ảnh gạch không nung sản xuất từ đất tự nhiên

Hiện nay trên thị trường vật liệu ở Việt Nam, đang giới thiệu và chào bán loại gạch Bê tông khí chưng áp VIGLACERA-AAC có tỷ trọng tương đối nhẹ từ 400 -

1000 kg/m3, như vậy chỉ tương đương từ 1/3 gạch đặc, 2/3 gạch rỗng 2 lỗ, bằng 1/5

tỷ trọng của gạch bê tông thông thường, như vậy tải trọng tĩnh tải của công trình sẽ giảm đáng kể, nhất là đối với nhà cao tầng Theo ý kiến của các chuyên gia tính toán kết cấu: khi sử dụng sản phẩm gạch bê tông khí chưng áp thay thế cho gạch rỗng 2

lỗ thông thường trong công trình nhà cao tầng thì chi phí xây thô sẽ giảm khoảng từ

10 đến 12% do giảm chi phí kết cấu Do sản phẩm gạch bê tông khí chưng áp nhẹ nên tốc độ thi công nhanh, giảm tiêu hao nhân công và đẩy nhanh tiến độ xây dựng công trình Chi phí xây dựng 1m3 xây khi sử dụng vật liệu gạch bê tông khí chưng

áp thay thế gạch xây thông thường giảm 10,8% Hệ số dẫn nhiệt của gạch bê tông khí chưng áp vào khoảng 0,11 đến 0,22 W/m0k, như vậy chỉ bằng 1/4 đến 1/5 hệ số dẫn nhiệt của gạch đất nung (trong khi gạch đất nung là 0,814 W/m0k, gạch xỉ, cát

là 0,8 W/m0k), tương đương 1/6 hệ số nhiệt của gạch bê tông thông thường Thực tế

đã chứng minh hiệu quả bảo ôn của tường gạch bê tông khí có chiều dày 20 cm sẽ tương đương hiệu quả bảo ôn của tường gạch đất nung có chiều dày 49 cm, các chuyên gia đã tính toán, với điều kiện khí hậu nhiệt đới, sử dụng sản phẩm bê tông khí sẽ giảm tới 40% chi phí điện năng tiêu thụ cho điều hòa nhiệt độ Vì gạch bê tông khí chưng áp có kết cấu nhiều lỗ khí, lượng lỗ khí được phân bố đều đặn với mật độ cao, chính vì vậy nó có tính năng cách âm tốt hơn nhiều so với loại vật liệu xây dựng khác, so với gạch xây thông thường khả năng cách âm tốt hơn 2 lần Khi ở nhiệt độ cao 6000C, cường độ kháng nén của gạch bê tông khí chưng áp tương

đương với khi ở nhiệt độ thường, chính vì vậy tính năng chống cháy của gạch bê tông khí chưng áp trong xây dựng đạt tiêu chuẩn cấp I theo tiêu chuẩn Quốc gia Thực tế tại Nhật Bản đã chứng minh những ngôi nhà sử dụng một phần hay toàn bộ gạch bê tông khí chưng áp đã cho thấy khả năng chống lại những chấn động địa chất tốt Vì trọng lượng của bê tông khí thấp nên trọng lực đặt lên mặt đất thấp

Bảng 1 1: Bảng quy cách của gạch bê tông khí chưng áp:

Chiều dài

(mm)

Chiều rộng (mm)

Chiều cao (mm)

Cường độ chịu nén: từ:

4,0 đến 5,0 MPa

Như vậy, vật liệu xây chèn trong khung bê tông cốt thép nhà cao tầng rất đa dạng và phong phú, việc sử dụng loại gạch nào phụ thuộc vào điều kiện thực tế tại công trình, giá thành của vật liệu đến chân công trình, do nhà thiết kế chỉ định…

1.4 Tình hình nghiên cứu sự làm việc kết cấu khung bê tông cốt thép có tường chèn:

Sự kết hợp giữa khung Bê tông cốt thép với khối xây chèn hoặc với vật liệu chèn khác đã được thử nghiệm và có hiệu quả thực tế trong xây dựng công trình Các kết cấu từ dạng sơ đồ hỗn hợp này cho thấy chúng chịu tải trọng ngang tốt Những thống kê về trận động đất ở Tokyo của Nhật Bản vào năm 1923 cho thấy: trong 710 ngôi nhà có cấu tạo tương tự nhau từ khung bê tông cốt thép có 60 ngôi nhà hư hại (chiếm 8,4%) và 16 ngôi nhà bị phá hủy (chiếm 2,2%) Trong đó có 485 ngôi nhà xây bằng gạch với kết cấu tường chịu lực thì hư hại 383 ngôi nhà (chiếm 79%) và bị phá hủy hoàn toàn 47 ngôi nhà (chiếm 9,7%) Loại kết cấu khung Bê tông cốt thép xây chèn gạch được ứng dụng rộng rãi tại các vùng có tác động địa chấn của Liên Xô, Bungari, Mỹ và nhiều nước khác, nó có hiệu quả cao về mặt chịu tải trọng ngang và tính kinh tế cao Tại Bungari người ta đã xây dựng những ngôi nhà cao tới 14 tầng với kết cấu khung Bê tông cốt thép chèn gạch Xét về mặt kinh

tế thì tường chèn trong khung dùng Bê tông xốp có chiều dày từ 15 đến 25 cm hoặc các vật liệu chèn là khối xây đều mang lại hiệu quả cao về mặt chịu tác động tải trọng ngang So với các loại nhà xây thì trọng lượng tường ở các nhà khung chèn giảm đáng kể, như vậy lực quán tính cũng giảm theo khi chịu tải trọng động

Năm 1949 J.R.Benjamin và H.A.William đã thí nghiệm thành công mô hình

có khối xây chèn tại trường Đại học tổng hợp Staford Bang Califonia và tại viện công nghệ của bang Masachuset (Mỹ) mục đích nghiên cứu của hai tác giả là:

+ Xác định khả năng chịu tải của mảng tường xây thông thường

+ Xác định khả năng chịu tải của khung Bê tông cốt thép

+ Xác định khả năng chịu tải của khung BTCT với khối xây chèn

+ Xác định cường độ của khối xây dưới tác động của tải trọng xiên để thiết kế các công trình chịu áp lực do các vụ nổ nguyên tử gây ra

Sau khi thử nghiệm, nghiên cứu họ đã có những kết luận như sau, trong đó có liên quan đến vấn đề khối xây chèn:

1 Tỷ số chiều dài trên chiều cao của khối xây có ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu tải và độ cứng của kết cấu

2 Việc sử dụng công thức toán học chính xác để giải bài toán này trên thực

tế là không thể thực hiện được vì sự thay đổi quá lớn các đặc trưng cơ lý của vật liệu khối xây chèn và khung mà chỉ có thể tính toán đến một mức

độ gần đúng nào đó

3 Độ cứng của nút khung ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu tải của hệ kết cấu khung Nếu khung có cấu tạo nút cứng thì khả năng chịu tải của nó cao hơn khung có cấu tạo nút khớp

4 Khung có khối xây chèn chịu tải trọng ngang trung bình từ 2 đến 3 lần lớn hơn khung cùng loại không có khối xây chèn

Tại Nga, những người đầu tiên nghiên cứu loại kết cấu này là S.V.Poliakov và các cộng sự của ông S.V.Poliakov đã tiến hành khảo sát các khung có khối xây chèn chịu tải trọng ngang, cụ thể: Tác giả đã thí nghiệm khung thép có liên kết khớp

Theo S.V Poliakov thì khi chịu tải trọng ngang mỗi khối xây chèn trong một khung của khung có thể thay bằng một thanh xiên có liên kết khớp với khung tại 2

đầu thanh Độ cứng của thanh xiên đ−ợc xác định theo công thức [12]:

n m n ad

d: Chiều dày của khối xây chèn;

ml=1 khi khối xây không có lỗ cửa;

Khi có lỗ cửa:

3

4 2

2 1

ml

(1-5)

Chiều cao của lỗ cửa b1 phải thỏa mãn đ−ợc điều kiện

7 , 0 2 55 ,

Phương pháp này tuân theo giả thiết độ cứng của dầm ở một khoang là vô cùng và kích thước ở mỗi khoang là như nhau Phần tải trọng ngang được truyền lên khung được tính như sau:

,

t

n t n t n

' ,

t N N

N = + (1-9) Trong đó:

N : là lực dọc phụ do lực trong thanh xiên gây ra;

Thành phần nội lực nằm ngang của thanh xiên Xt,n phải thỏa mãn điều kiện sau:

n

t X

X , ≤ , (1-10) Trong đó:

[ Xt,n]: là khả năng chịu tải của khối xây chèn lên phương nằm ngang Giá trị của Xt,n được xác định như sau:

=

ϕ

δ δ

δ ϕ

δ

2

4

11 2

11 2

2 11

r r

Thành phần nội lực thẳng đứng được xác định như sau:

n t n t n

t tg X

V, = α , . , (1-12) Trong đó:

n

t ,

α : là góc nghiên của thanh xiên với đường nằm ngang

Như vậy, ta thấy bản chất của phương pháp S.V Poliakov là thay việc tính toán một hệ khung có các thanh xiên bằng việc tính toán một hệ khung thông thường Tải trọng ngang tác động lên khung thông thường là phần tải trọng sau khi

đã trừ đi thành phần nằm ngang của nội lực trong các thanh xiên

Tại Anh B.S.Smith đã thí nghiệm các khung có kích thước thật gồm 3 khung thép hàn với kích thước 60inchs x 60 inchs x 25 Lb và tại đỉnh các khung này có chất tải trọng ngang là lực tập trung

Khi tải trọng ngang tăng lên, khối xây dần dần tách khỏi khung ở khoảng ở chiều dài mỗi cạnh Tại hai đầu dọc đường chéo chịu nén vùng tiếp xúc chỉ còn khoảng ở chiều dài mỗi cạnh, qua các đồng hồ đo đặt tại đây chỉ thấy nội lực xuất hiện ở đây rất lớn, còn ở đầu đối diện hầu như nội lực rất bé Trên cơ sở đó B.S.Smth

đã thiết lập sơ đồ sự làm việc của khung có khối xây chèn chịu tải trọng ngang Trong sơ đồ này, khối xây chèn được thay thế bằng một đường chéo Mặt khác tác giả cho rằng để làm sáng tỏ sự làm việc của hệ kết cấu, cần phải biết được độ cứng của khối xây chèn khi có tải tập trung tác động dọc theo đường chéo và kiểm chứng với độ cứng của khối xây chèn có khung bao quanh B.S Smith đã đi tới kết luận như sau:

1 Khối xây chèn có thể thay thế bằng một đường chéo

2 Độ cứng của khối xây chèn dọc theo đường chéo phụ thuộc vào nhiều yếu

tố khác nhau như: Chiều dày tường chèn, loại vật liệu chèn, tải trọng tác

động lên hệ

Để làm rõ hơn sự làm việc chịu nén dọc theo đường chéo B.Smith đã thí nghiệm thêm trên các mảng khối xây chèn có kích thước 6 x6 x1 inchs, 9 x6 x 1 inchs và 12 x 6 x1 inchs Các mảng này có hai loại: mảng có khung bao quanh và mảng không có khung bao quanh Trên cơ sở thí nghiệm này B.S.Smith đi tới kết

luận là: Sự phá hoại khối xây khi bị nén theo đường chéo không khác lắm so với sự phá hoại khi nén mẫu khi xây theo cách thông thường Ngoài ra B.S.Smith còn thí nghiệm 8 loại khung có nút cứng và nút khớp Kết quả cho thấy trên khung có nút cứng vết nứt xiên xuất hiện đầu tiên tại vùng trung tâm khối chèn và phát triển trở về

2 phía đầu đường chéo, còn ở khung có nút khớp thì sự phá hoại lại bắt đầu tại các góc đặt lực của khung hoặc nó bị phá hoại ngay trên đầu đường chéo chịu nén và mang tính chất phá hoại cục bộ

Để nghiên cứu sự trượt giữa khung và khối xây chèn D.V.Mallick và R.I.Svern đã thí nghiệm 2 nhóm khung: Nhóm thứ nhất gồm 2 khung 1 tầng như nhau, trong đó 1 khung có râu thép Khi chịu tải trọng ngang không quan sát thấy sự tách ra giữa khung và khối xây chèn ở những khung có râu thép Trên đồ thị biểu diễn chuyển vị ngang của khung không có râu thép và khung có râu thép Đường cong I có thể chia ra làm 3 phần ứng với 3 giai đoạn làm việc của kết cấu Đoạn 0A

- đặc trưng cho độ cứng lớn nhất của kết cấu, ở đây khung và khối xây chèn làm việc như một hệ kết cấu liền khối Tải trọng lớn nhất của đoạn này chiếm 1/3 giá trị tải trọng gây ra vết nứt xiên đầu tiên trong khối xây hoặc là giá trị tải trọng gây ra phá hoại cục bộ tại góc chất tải của khung Đoạn AB - Tương ứng với giai đoạn tách giữa khối xây chèn và khung Đoạn BC- giai đoạn phá hủy kết cấu

D.V.Mallick và R.P.Garg đã tiến hành các thí nghiệm khung với khối xây chèn có lỗ cửa dưới tác động của tải trọng ngang Họ đưa ra các kết luận như sau:

1 Nếu lỗ cửa nằm một trong các góc chất tải thì khả năng chịu tải của các kết cấu giảm đi 75% còn độ cứng tương ứng giảm đi từ 70% - 80% so với kết cấu không cso lỗ cửa cùng loại

2 Nếu lỗ cửa vuông nằm ở trung tâm khối xây chèn và kích thước cạnh của

nó không vượt quá 1/5 cạnh ngắn của khối xây chèn thì khả năng chịu tải và độ cứng giảm xuống từ 25% - 50% so với khung có khối xây chèn không có lỗ cửa cùng loại

M.Endcla và I.Senoga xem xét loại vật liệu chèn bằng Bê tông xốp Các tác giả đã đi tới kết luận như sau:

1 Vùng tiếp xúc giữa dầm và vật liệu chèn luôn luôn là ở chiều dài dầm và

nó không phụ thuộc vào độ cứng của dầm

2 Chiều dài vùng tiếp xúc giữa cột và vật liệu chèn phụ thuộc vào độ cứng của cột Để xác định chiều dài vùng tiếp xúc đó, giả thiết cột là một dầm trên nền

đàn hồi và chiều dài tiếp xúc giữa cột và khối vật liệu chèn được xác định như sau:

4

2 sin

4

V k

E - Mô đun đàn hồi của khung vật liệu

J - Mômen quán tính của tiết diện cột

hV - Chiều cao của khối vật liệu chèn

EV - Mô đun đàn hồi của vật liệu chèn

dV - Chiều dày của khối vật liệu chèn

α- Góc nghiêng giữa đường chéo và đường nằm ngang

ở đây các tác giả đã tính toán dầm đặt trên một bán không gian đàn hồi (là khối xây chèn) chịu tải trọng tập trung P Như vậy là đã coi cả khối tường là một bán không gian đàn hồi, tường không có chuyển vị ngang mà chỉ bị lún vào do tác

động của tải trọng P Điều đó không hoàn toàn phù hợp với thực tế làm việc của khối xây chèn trong khung Khi đã rút khung bên phải và bên trái có thể coi là có chuyển vị ngang như dưới tác động của tải trọng P Phần lún vào tường chỉ là phần chuyển vị tương đối giữa nút tầng trên và nút tầng dưới Hơn nữa các tác giả này cũng không xét đến sự xoay của khung khi có chuyển vị ngang Việc xem chiều dài tiếp xúc giữa tầng và dầm bằng một nửa chiều dài dầm không phụ thuộc vào độ cứng dầm cũng chưa có cơ sở chắc chắn

Năm 1982 tác giả Zdennek Pubal trong cuốn sách của Viện hàn lâm khoa học Tiệp Khắc cũng đề cập đến một cách xét sự làm việc của vật liệu chèn trong khung BTCT Vật liệu chèn ở đây là khung Bêtông xốp Theo tác giả khối vật liệu chèn trong khung cũng được thay thế bằng thanh xiên chịu nén, nhưng toàn bộ hệ khung lúc này làm việc dưới tác động của tải trọng ngang được quan niệm là một hệ

dàn tương đương Độ cứng của thanh trong dàn cũng được xác định trên cơ sở kiến nghị của M.Endela và I.Senoga, chuyển vị ngang của khung chèn được xác định theo biến dạng của thanh kéo, nén trong hệ dàn tương đương [6]

ở Việt Nam:

Vấn đề nghiên cứu khung chèn gạch cũng được nhiều người quan tâm Năm

1997 Hồ Anh Tuấn trong luận án của mình đã đưa ra một cách giải bài toán khung BTCT chèn gạch theo mô hình của S.V.Poliakov Tuy nhiên luận án mới chỉ đề cập

đến cách giải hệ khung Bê tông cốt thép có thanh xiên liên kết khớp tại hai đầu với khung bằng cách mở rộng lời giải của H Kani và chưa đề cập đến yếu tố độ cứng của khối xây chèn, chưa có các thí nghiệm để kiểm chứng Tác giả Lý Trần Cường trong luận án Sự làm việc đồng thời của khung Bê tông cốt thép với khối xây chèn dưới tác dụng của tải trọng ngang cũng trình bày tính toán khung bêtông chèn gạch theo mô hình của S.V.Poliakov trên máy tính bằng chương trình tính Fgiop và đánh giá trạng thái ứng suất biến dạng của khung chèn gạch dưới tác dụng của tải trọng ngang và tải trọng đứng bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Trong cuốn sách Động đất và thiết kế công trình chịu động đất được xuất bản năm 2008 của Pgs TS Nguyễn Lê Ninh, từ trang 330 đến 334 [9], cũng xét tới ảnh hưởng của khối xây chèn trong khung tới khả năng kháng chấn của các kết cấu công trình Trong đó, ở phần đặt vấn đề tác giả cũng đã đưa ra nhận xét sự ảnh hưởng của khối xây chèn trong khung tới khả năng kháng chấn của công trình được thể hiện dưới các dạng sau:

1 Làm tăng độ cứng của công trình nên chu kỳ dao động của nhà bị giảm và

hệ quả là làm tăng trị số lực cắt ngang ở chân công trình khi động đất xảy

Về mô hình kết cấu khối xây chèn được thay bằng một thanh đường chéo tương đương bị nén [9] Trong trường hợp này độ cứng của khối xây chèn trong khung có thể được xác định theo biểu thức sau:

d

wt E F

δ - là chuyển vị ngang tương đối do lực ngang gây ra;

Ekx - Môđun đàn hồi của khối xây;

w - Bề rộng của dải đường chéo bị nén;

t - Bề dày của khối xây chèn trong khung;

d- Chiều dài của đường chéo;

α - góc giữa đường chéo và thanh ngang

Hình 1 5: Dải đường chéo bị nén tương đương của khối xây chèn

Bề rộng của dải đường chéo có thể lấy gần đúng w xấp xỉ 0,2d hoặc tính theo biểu thức như sau [9]:

α θ

θ λ

2 2

2 1

) 1 (

cos ) '

' 1 (

1 )

' (

'

I

h k

h I

h

d e

w

c h

n m

+

⋅ + + +

h EJ

I t E

c

kx h

θ

λ = (1-16)

4

2 2 1

' 4

'

θ

λ

I EJ

th E

α: là góc giữa đường chéo và thanh ngang;

t: là bề dày của khối xây chèn;

I’ và h’: là chiều dài và chiều cao của khối xây chèn;

I và h: là chiều dài và chiều cao của khung bao quanh;

Jd và Jc : là mômen quán tính của dầm và cột khung;

m=2 và k=3,5: là cho khối xây bằng gạch đất sét nung các loại;

n=F/Fn : là tỷ số giữa tải trọng ngang tác dụng và tải trọng ngang gây nứt khối xây chèn; thường lấy n=0,6;

hc : là Chiều cao tiết diện cột khung;

θ: là hệ số xét tới vị trí và kích thước của lỗ cửa trong khối xây chèn;

' '

5 , 1 1

h I

b: là chiều cao thực tế của lỗ cửa;

a: là chiều rộng tính toán của lỗ cửa được lấy như sau:

a < nếu lỗ cửa nằm ở góc chất tải của khung;

a=a1+a2 nếu lỗ cửa nằm ở giữa panô chèn (trên hoặc dưới)

Trong báo cáo nghiên cứu đề tài Nghiên cứu thiết kế công trình có khung bê tông cốt thép chèn gạch trong vùng có động đất theo TCXDVN 375: 2006 năm 2010 của hai tác giả TS Vương Ngọc Lưu và TS Vũ Hoàng Hiệp [8] cũng đã nghiên cứu tập trung vào các nhiệm vụ sau:

1 Lựa chọn một mô hình phù hợp để xét đến ảnh hưởng của khối xây chèn tới sự làm việc của kết cấu khung BTCT chịu tải trọng động đất

2 Đánh giá ảnh hưởng của khối xây chèn đến các đặc trưng động lực học của

hệ kết cấu khung chịu lực

3 Đánh giá cụ thể mức độ ảnh hưởng của khối xây chèn đến giá trị tải trọng

động đất tác dụng vào công trình, nội lực xuất hiện trong các phần tử khung chịu lực, biến dạng của hệ kết cấu chịu lực so với trường hợp không xét ảnh hưởng của khối xây

4 Đề xuất quy trình thiết kế hệ khung BTCT có xét ảnh hưởng của khối xây chèn chịu tác động của tải trọng động đất và các quy định cấu tạo cần tuân theo

Bề rộng của dải khối xây cũng có thể được xác định theo công thức tương

đương như sau [8]:

0 0

h H I

2

2 sin ).

.

L: là chiều dài của khối xây chèn;

H: là chiều cao của khối xây chèn

Độ cứng của dải khối xây tương đương được xác định bằng công thức sau:

kx

E t W

C = 0 . (1-21) Trong đó:

C: là độ cứng của dải khối xây tương đương;

t: là chiều dày của khối xây chèn;

Ekx: là Môđun biến dạng cảu khối xây chèn

Môđun biến dạng của khối xây dọc theo đường chèn của khối xây chèn có khung bao quanh tương đương với Môđun biến dạng của lực khối xây khi lực nén tác động vuông góc với mạch vữa và mối quan hệ thể hiện như sau:

Ekx

1 , 1

σ : là ứng suất trong khối xây;

R : là cường độ chịu nén giới hạn trung bình của khối xây được xác định như sau:

R k

R = (1-23) Trong đó: k là hệ số an toàn của khối xây được lấy như sau:

k= 2,5: cho khối xây chịu nén bằng gạch nung;

k= 2,0: cho tất cả các loại khối xây chịu nén;

k= 2,25: cho tất cả các loại khối xây chịu kéo;

R: là cường độ chịu nén tính toán của khối xây

t W C

1 , 1 1

Độc ứng của dải khối xây tương đương được điều chỉnh bằng hệ số η thông qua sự thay đối tỉ số ứng suất σ /R

Để làm rõ hơn các vấn đề nghiên cứu hai tác giả đã xét tới các trường hợp sử dụng mô hình tính toán để khảo sát ảnh hưởng của khối xây chèn đến đặc trưng

động lực học của công trình:

Nội dung của khảo sát được phân thành 3 trường hợp:

- Không xét ảnh hưởng của khối xây chèn;

- Xét ảnh hưởng của khối xây chèn tại 2 trục;

- Xét ảnh hưởng khối xây chèn tại 8 trục

Sau khi khảo sát đặc trưng động lực học công trình (Chu kỳ dao động riêng), tác giả đã kết luận:

* Việc kể đến ảnh hưởng của khối xây chèn đến các đặc trưng động lực học của công trình sử dụng hệ kết cấu khung BTCT chịu lực là đáng kể; tùy theo số lượng khối xây chèn được tính toán, chu kỳ dao động của công trình có thể giảm từ 14% đến 47%

* Sử dụng mô hình mô tả khối xây chèn bằng các phần tử tấm cho kết quả độ cứng của khung, chu kỳ dao động riêng của công trình chênh lệch rất lớn so với mô hình dải thanh chéo tương đương chịu nén của lý thuyết truyền thống

* Mô hình thay thế ảnh hưởng của tường chèn bằng nhiều thanh chịu nén có

độ cứng bằng dải khối xây tương đương rất tương đồng với mô hình mô tả khối xây chèn bằng các phần tử tấm không liên kết với đáy dầm Chênh lệch kết quả chu kỳ dao động riêng giữa hai mô hình này không đáng kể, chỉ từ 1% đến 2%

Cuối cùng tác giả đề xuất sử dụng mô hình mô tả khối xây chèn bằng các phần tử tấm không liên kết với đáy dầm để tính toán thiết kế nhà có hệ kết cấu khung BTCT, tường chèn vì tính đơn giản, khả năng tự động hóa thiết kế cao mà kết quả vẫn phù hợp với mô hình lý thuyết truyền thống đã được thực nghiệm xác nhận

Phần kến nghị tác giả có hai ý kiến, đó là:

- Khi thiết kế các công trình sử dụng khung BTCT có tường chèn làm kết cấu chịu lực chính cần phải: Có các chỉ dẫn về cấu tạo tường chèn để chúng có thể làm

việc cùng với khung; Phải tính toán công trình có kể đến sự làm việc của tường chèn

- Sử dụng mô hình mô tả khối xây chèn bằng các phần tử tấm không liên kết với đáy dầm để tính toán thiết kế nhà có hệ kết cấu khung BTCT chèn tường vì tính

đơn giản, khả năng tự động hóa thiết kế cao mà kết quả vẫn phù hợp với mô hình lý thuyết truyền thống đã được thực nghiệm

1.5 Các vấn đề cần nghiên cứu về sự ảnh hưởng của khối xây chèn có lỗ cửa tới

sự làm việc của khung bê tông cốt thép nhà cao tầng:

Trong điều kiện thực tế hiện nay ở nước ta, các công trình có quy mô từ thấp tầng đến cao vài chục tầng hầu hết đều sử dụng các khối xây chèn cho chịu lực chính hoặc trong khung BTCT làm các vách ngăn cách âm, cách nhiệt…việc sử dụng các khối xây chèn này đáp ứng được các yêu cầu thực tế từ kinh tế đến trình độ

kỹ thuật thi công, cung ứng vật tư Các lý thuyết nghiên cứu trước đây chưa đề cập một cách sâu sắc đến sự ảnh hưởng của khối xây chèn có lỗ cửa đến hệ kết cấu khung Bê tông cốt thép nhà cao tầng Do đó, việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của khối xây chèn có lỗ cửa đến hệ kết cấu của công trình nhà cao tầng là rất cần thiết vừa giúp cho các kỹ sư xây dựng có một cái nhìn toàn diện, sâu sắc hơn về hệ kết cấu trên vừa đưa ra được những nhận xét, kết luận, kiến nghị khi tính toán thiết kế nhà cao tầng có tường chèn, vừa đưa ra được sơ đồ tính toán có xét đến ảnh hưởng của khối xây chèn có lỗ cửa trong khung Bê tông cốt thép nhà cao tầng theo một mô hình hợp lý nhất: đảm bảo kế thừa các nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm đã có vừa

dễ dàng áp dụng, vừa đảm bảo tính khả thi cao nhất đối với qui trình tự động hóa trong thiết kế đối với hệ kết cấu nêu trên

Tầm ảnh hưởng của khối xây chèn tới sự làm việc của khung bê tông cốt thép thực tế liên quan rất nhiều đến phương pháp thi công cũng như cấu tạo liên kết giữa khối xây chèn với khung bao xung quanh Nếu liên kết qiữa khối xây chèn mà được liên kết cứng với hệ kết cấu khung chịu lực thì ảnh hưởng của khối xây chèn rõ ràng

sẽ lớn nhất

Sự làm việc của khối xây chèn có lỗ cửa hay không có lỗ cửa dưới tác động của tải trọng tương đương như sự làm việc của 1 dải khối xây chỉ chịu nén và có thể mô hình khối xây chèn có lỗ cửa bằng 1 phần tử thanh chỉ chịu nén có tiết diện và Mô đun đàn hồi bằng Mô đun đàn hồi của dải khối xây chịu nén, điều này đã được kiểm chứng bằng thực nghiệm qua các nghiên cứu trước đây

Tuy nhiên, đối với các nhà cao tầng thì khối lượng tính toán lớn, các lỗ cửa ở trong các khối xây xuất hiện không cùng 1 vị trí nên khối lượng tính toán trung gian

là rất lớn Mặt khác, hiện nay việc tự động hoá tính toán ngày càng phổ biến, việc tính toán kết cấu bằng các phần mềm máy tính là bắt buộc, nhất là đối với các công trình nhà cao tầng Do đó nhiệm vụ của đề tài nghiên cứu là phải tìm ra một mô hình tính toán có tính tự động hoá cao mà kết quả vẫn sát với kết quả của mô hình tính toán cũ (mô hình cổ điển) Trong các phần dưới đây của chương 2 tác giả xin giới thiệu một số mô hình cổ điển và mô hình mô tả khối xây là các phần tử tấm để khảo sát so sánh kết quả

2.2 Các mô hình tính toán của khung bê tông cốt thép có lỗ cửa:

2.2.1 Mô hình hóa khối xây chèn bằng 1 thanh chịu nén:

Đây là mô hình tính toán theo quan điểm cổ điển đã được nhiều nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu, đề xuất, trong nước cũng có nhiều nhà khoa học triển khai,

áp dụng như đã giới thiệu ở chương tổng quan Mô hình hóa khối xây chèn bằng 1 thanh chịu nén thực chất là coi dải khối xây tương đương là 1 thanh chịu nén, độ cứng của thanh chịu nén chính bằng độ cứng của dải khối xây tương đương trong bài toán của S.V Poliakov, mô hình này đã được nghiên cứu và phát triển trong thời gian dài, đã được thực nghiệm kiểm chứng [7], [8], [9]

dải khối xây chịu nén

Hình 2 1: Mô tả khối xây chèn bằng phần tử 1 thanh chịu nén

2.2.2 Mô hình hóa khối xây chèn bằng nhiều thanh chịu nén:

Đối với mô hình mô tả dải khối xây chịu nén bằng 1 thanh chịu nén tương

đương trên thực tế có mặt hạn chế là bề rộng của dải khối xây là chưa được xét đến Nếu kể đến bề rộng của dải khối xây thì ảnh hưởng đến nội lực xuất hiện trong cột, dầm, biến dạng của khung sẽ thay đổi so với mô hình 1 thanh chịu nén tương đương liên kết hai đầu tại hai nút khung trên đường chéo Để gải quyết được vấn đề này, nhiều tác giả đã đề xuất mô hình thứ hai là mô tả khối xây chèn bằng nhiều phần tử thanh chịu nén Mô hình này vẫn kế thừa các nghiên cứu về việc thay thế tác dụng của khối xây chèn bằng dải khối xây chịu nén Sau khi tìm được độ cứng, bề rộng của dải khối xây chịu nén, sẽ dùng một số phần tử thanh phân bố trong khoảng bề rộng của dải khối xây để liên kết các dầm-cột với nhau sao cho tổng độ cứng các thanh chéo này bằng độ cứng của dải khối xây tương đương Ví dụ hình 2.2 dưới đây

là việc ta đã mô tả khối xây chèn bằng 3 thanh chịu nén tương đương

Hình 2 2: Mô tả khối xây chèn bằng nhiều thanh chịu nén

Nguyên tắc chung khi mô hình hóa khối xây thành nhiều thanh chịu nén là:

- Chia dải khối xây có độ cứng C, chiều rộng W0 thành n dải có độ cứng C/n

Mô hình này miêu tả khối xây chèn thành các phần tử tấm (Shell) có chiều dày bằng chiều dày bằng dải khối xây, môđun đàn hồi bằng môđun đàn hồi của khối xây

Mô hình hóa khối xây chèn thành các phần tử tấm cùng kết hợp làm việc với các phần tử thanh của khung bê tông cốt thép là mô hình đơn giản có kể tới được sự

ảnh hưởng của khối xây chèn tới sự làm việc của khung bê tông cốt thép, ngày nay việc mô hình tính toán kết cấu bằng các phần mềm tính toán như Etabs, Sap sẽ dễ dàng xây dựng mô hình nhất là những công trình nhà cao tầng phức tạp Đây là ưu

điểm nổi bật của mô hình này, nó giảm được các bước tính toán trung gian của các truyền thống kể trên Tuy nhiên, mô hình này có thể không phản ánh đúng bản chất làm việc của khối chèn trong thực tế, cụ thể như khả năng chịu kéo của khối xây rất kém so với khả năng chịu nén của nó, các khối xây chèn không chèn khít hoàn toàn

ô của khung bê tông cốt thép…

Phần tử tấm (tường chèn)

Phần tử thanh của khung (cột-dầm)

lỗ cửa

Hình 2 3: Mô hình miêu tả khối xây chèn bằng các phần tử tấm

2.2.4 Mô hình hóa khối xây chèn thành phần tử tấm có giải phóng liên kết với đáy dầm của khung bê tông cốt thép:

Phần tử tấm (tường chèn)

Phần tử thanh của khung (cột-dầm)

các phần tử tấm không được liên kết với đáy dầm

lỗ cửa

Hình 2 4: Mô hình mô tả khối xây chèn bằng các phần tử tấm, các phần tử tấm

ở trên cùng không liên kết cứng với đáy dầm của khung bê tông cốt thép

Mô hình này cũng miêu tả khối xây chèn thành các phần tử tấm có chiều dày bằng chiều dày khối xây chèn, môđun đàn hồi bằng môđun đàn hồi của khối xây chèn Tuy nhiên, phần tử tấm tiếp xúc trực tiếp với đáy của dầm của khung được giải phóng liên kết trên biên này (dầm phía trên và tường chèn coi như không tiếp xúc với nhau)

Mô hình này được thiết lập dựa trên thực tế về thi công Đối với nhà cao tầng hiện nay đều thi công phần khung bê tông cốt thép trước rồi với tiến hành xây chèn khối xây gạch nên dẫn đến các điểm của khối xây chèn không liên kết chặt hoàn toàn với ô của khung

Ưu điểm và nhược điểm của mô hình này tương đối giống với mô hình miêu tả khối xây bằng phần tử tấm

2.3 So sánh các mô hình tính toán để lựa chọn mô hình phù hợp nhất để tính toán cho khung bê tông cốt thép nhà cao tầng:

Qua 4 mô hình tính toán xét tới ảnh hưởng của khối xây chèn có lỗ cửa kể trên cho thấy mỗi mô hình có những ưu điểm và nhược điểm rõ rệt Mục đích chính của đề tài như đã nói là phải đưa ra được một mô hình tính toán vừa đơn giản, có tính tự động háo thiết kế cao, vừa đạt độ chính xác có thể chấp nhận được Do đó, chúng ta cần phải so sánh để lựa chọn mô hình

Nhận xét định tính của các mô hình:

Mô hình khối xây chèn thành dải khối xây chịu nén là phù hợp với sự làm việc thực tế của khung đã được thực nghiệm kiểm chứng, nhưng mô hình này không thể tự động hóa thiết kế được vì có nhiều bước tính toán trung gian như tính toán đưa

ra các thông số cho dải khối xây chịu nén

Mô hình dải khối xây chịu nén được mô hình thành 1 thanh chịu nén tương

đương cũng chưa kể được các yếu tố về bề rộng của dải khối xây tương đương

Mô hình nhiều thanh chịu nén có khả năng nâng cao được độ chính xác hơn mô hình 1 thanh chịu nén tuy nhiên cũng vẫn tồn tại các bước tính toán trung gian rất lớn

Mô hình phần tử tấm có khả năng tự động hóa cao, đơn giản nhưng đã lý tưởng hóa khối xây, không phản ánh đúng thực chất làm việc của khối xây trong khung bê tông cốt thép

Mô hình phần tử tấm không liên kết với đáy dầm cũng tương tự như mô hình phần tử tấm nhưng đã để ý tới thực tế thi công và sự tách ra của khối xây chèn với khung bê tông cốt thép

Do đó, việc so sánh các mô hình tính toán trên cụ thể là mô hình 3 và mô hình 4 so với mô hình 1 và mô hình 2 xem mô hình nào có độ chính xác sát với mô hình 2 nhất thì mô hình đó có thể vận dụng vào thực tế tính toán

Do khối xây chèn có lỗ cửa mà lỗ cửa lại tồn tại có thể ở nhiều vị trí khác nhau trong panô khối xây nên chúng ta phải đưa ra được 4 vị trí đặc trưng của các lỗ cửa trong khối xây chèn

Có 4 vị trí chính như hình vẽ:

c, Vị trí 3: lỗ cửa ở vị trí giữa nhịp dầm, phía trên d, Vị trí 4: lỗ cửa ở vị trí sát góc khung

Hình 2 5: Các vị trí chủ yếu của lỗ cửa trong khối xây

Chọn yếu tố đính lượng để đưa ra so sánh các mô hình:

Đối với công trình cao tầng, ảnh hưởng của yếu tố tải trọng ngang là rất lớn,

cụ thể là động đất và tải trọng gió động Các giá trị tải trọng này được quyết định bởi các đặc trưng dao động của hệ kết cấu công trình, quyết định từ các tải trọng bên ngoài đặt vào công trình đến nội lực và lựa chọn tiết diện, tính toán cốt thép cho các kết cấu trong công trình Vì vậy, đối với các mô hình 3 và 4 nếu mô hình nào khảo sát cho ra được các chỉ số tần số, chu kỳ sát với mô hình 2 nhất thì ta sẽ lựa chọn mô hình đó để đưa vào thực tế tính toán công trình

Với mỗi trường hợp vị trí lỗ cửa ở 1 trong 4 trường hợp sơ đồ như trên ta sẽ tiến hành khảo sát, so sánh 5 mô hình khác nhau như sau: