Thể loại Xây dựng kiến trúcCấu trúc khung Understanding structuresTập tài liệu này cung cấp thêm một cách tiếp cận nội dung môn học Cấu tạo kiến trúc 3Mục lục sơ bộ: Hệ khung phẳng Hệ tổ hợp tam giác Hệ cong dạng dây cáp Hệ vỏ mòng
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HỒ CHÍ MINH KHOA KIẾN TRÚC BỘ MÔN CÔNG NGHIỆP VÀ KỸ THUẬT KIẾN TRÚC TÀI LIỆU ĐỌC THÊM - MÔN HỌC CẤU TẠO KIẾN TRÚC 3 LƯU HÀNH NỘI BỘ HỆ CHỊU LỰC 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 dòch 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 1. Cột và tường 5 2. Dầm và bản sàn 11 3. Khung phẳng 27 CHƯƠNG II: HỆ TỔ HP TAM GIÁC 33 4. Dây cáp treo 34 5. Dàn 36 6. Khung không gian 40 7. Vòm trắc đòa 45 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 IV: HỆ VỎ MỎNG 70 13. Vỏ mỏng 71 14. Bản gấp nếp 79 PHỤ LỤC I: LÝ THUYẾT CẤU TRÚC 83 I:1 Cơ học 84 I:2 Sức bền vật liệu 94 PHỤ LỤC II: BẢNG TRA DÀNH CHO THIẾT KẾ SƠ BỘ 102 Tài liệu tham khảo 113 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 chòu lực)―những bộ phận có sức kháng chòu biến dạng võng và uốn. 4 1 CỘT VÀ TƯỜNG Các cấu kiện phương đứng gồm có cột và tường chòu lực. CỘT Cột là một cấu kiện có trục thẳng (thường là thẳng đứng), chòu 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 chòu tải trọng nén quá mức, sẽ bò nghiền vỡ. Một cột dài chòu tải trọng nén tăng dần sẽ đột ngột oằn (cong về một bên). Giá trò tải trọng nén tới hạn này được gọi là tải trọng uốn dọc của cấu kiện. Các cấu kiện chòu nén bằng vật liệu chòu nén đủ cứng (như thép chẳng hạn) sẽ chỉ cần diện tích tiết diện ngang nhỏ, tức cấu kiện thanh mảnh hơn (Hình 1.1). Sự biến dạng uốn này vẫn xảy ra ngay cả nếu cột được thiết kế chòu tải trọng chính xác dọc trục qua tâm và cột hoàn toàn đồng nhất. Một khi cột biến dạng không còn thẳng đứng và bắt đầu oằn tại giữa thân, sự lệch trục giữa hai đầu và trung điểm thân cột sẽ gây nên một lực cánh tay đòn; lực này gia tăng, làm sự biến dạng oằn lớn hơn. Vì lý do này, một khi cột bắt đầu oằn, nó sẽ bò phá hoại đột ngột mà không Hình 1.1: Mô hình thí nghiệm cho thấy cột bò nghiền hoặc uốn cong. có dấu hiệu báo trước (không như nhiều hình thức cấu kiện khác, bò phá hoại từ từ). Tải trọng uốn dọc của một cột phụ thuộc vào chiều dài, diện tích và hình thức tiết diện ngang, và kiểu cách liên kết tại các đầu cột. Chiều dài cột tăng sẽ làm giảm tải trọng uốn dọc của nó. Với cùng mặt cắt ngang, chiều dài cột tăng gấp đôi sẽ làm giảm tải trọng uốn dọc còn một phần tư. Nói cách khác, tải trọng uốn dọc thay đổi tỉ lệ nghòch 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 bò oằn theo hướng có sức chòu 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 tất cả lượng vật liệu tập trung tại tâm (như một thanh tiết diện tròn 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 quán tính (Hình 1.4). Hình 1.3: Mô hình thí nghiệm cho thấy sự ảnh hưởng của hình dáng cột đến tải trọng uốn dọc. LIÊN KẾT ĐẦU CỘT Khả năng hạn chế sự chuyển vò 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 đònh (tự do quay nhưng bò ngăn không chuyển vò ngang) tại hai đầu sẽ bò 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 đònh nhờ vào các mắt tre đặc, ngăn không cho thân tre bò lõm hay uốn cong. và thoải. Cột được liên kết cứng (bò ngăn không quay và chuyển vò ngang) tại chân và tự do (tự do quay hay chuyển vò ngang) tại đầu kia sẽ biến dạng giống như nửa trên của cột có liên kết khớp cố đònh, và có chiều dài có ích (chiều dài tính toán) gấp đôi chiều dài thực; tải trọng uốn dọc của nó bằng một phần tư so với cột liên kết khớp cố đònh (nhớ rằng, tải trọng uốn dọc thay đổi tỉ lệ nghòch theo bình phương của thay đổi chiều dài cột). Liên kết cứng một đầu và liên kết khớp cố đònh đầu kia có hiệu quả như việc giảm chiều dài có ích còn 70 phần trăm của một cột liên kết khớp cố đònh, và làm gia tăng tải trọng uốn dọc của cột lên bằng 200 phần trăm. Liên kết cứng cả hai đầu làm giảm thêm chiều dài có ích (còn một nửa) và làm tăng tải trọng uốn dọc lên bằng 400 phần trăm. Như thế, sự hạn chế chuyển vò ngang hay quay dẫn đến tải trọng uốn dọc thay đổi khác Hình 1.5: Mô hình thí nghiệm cho thấy sự ảnh hưởng của hình thức liên kết đầu cột đến tải trọng uốn dọc. nhau gấp tám lần (xét các cột có cùng chiều dài tính toán, vật liệu và tiết diện ngang) (Hình 1.5). TƯỜNG CHỊU LỰC Tường chòu lực là một bộ phận chòu nén kéo dài liên tục theo một phương, phân bố tải trọng thẳng đứng tỏa đều xuống bệ tựa (thường là đất nền). Nó được phân biệt khác với một dãy các cột đứng kề nhau liên tục ở khả năng phân tỏa tải trọng dọc chiều dài của nó (làm việc giống một cây dầm; Hình 1.6) và khả năng chòu lực phương ngang trong mặt phẳng tường (Hình 1.7). Hai đặc điểm làm việc này được sinh ra từ những ứng suất cắt nội tại có thể xảy ra trong bức tường. 7 Hình 1.6: Một bức tường chòu lực phân tán các tải trọng tập trung dọc theo chiều dài của nó, nhờ vào sức chòu 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 1.7: Một bức tường chòu lực tạo được sự ổn đònh chống lực xô ngang dọc theo chiều dài của nó, nhờ vào sức chòu cắt phương ngang; đặc điểm này không có trong một dãy cột liên tục. Các bức tường gạch truyền thống thường được xây thoải chân (chân tường dày hơn). Điều này cho phép tường ổn đònh theo phương ngang hơn (hình dáng tam giác vốn ổn đònh hơn hình chữ nhật). Hơn thế, chân tường có diện tích chòu lực lớn hơn để phân bố tải trọng xuống nền đất. Trong cấu tạo tường ngày nay, các hiệu quả này đạt được nhờ vào bộ phận móng tường trải rộng liên kết vào tường qua cốt thép (Hình 1.8). 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 chòu lực phải chòu 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 nhà nhiều tầng sử dụng tường chòu lực, vì ở mỗi tầng, việc xây dựng tường lại bò gián đoạn khi sàn được thi công. Vì những lý do này, các công trình hiện đại thường sử dụng khung kết cấu (hệ cột và dầm) để chòu tải trọng cho tường và sàn bên trên hơn là tường chòu lực. Một ngoại lệ là việc sử dụng kết hợp tường gạch chòu lực và tấm bê- tông tiền chế. Theo kiểu này, người thợ vừa xây dựng tường vừa lắp dựng các bản bê-tông, giúp cho phương thức thi công này trở nên một lựa chọn kinh tế và mau chóng đối với công trình nhà ở, khách sạn nhiều tầng. 8 MỘT SỐ ĐIỂM VỀ KẾT CẤU Tường chòu lực thích hợp nhất khi tải trọng phân bố tương đối đồng đều. Khi các tải trọng tập trung, chúng sinh ra vùng ứng suất nén cục bộ cao. Trụ liền tường là một bộ phận có bề dày gia tăng trong một bức tường chòu lực chòu tác dụng của tải trọng tập trung. Nó có tác dụng như một cột nằm trong tường. Các lỗ cửa trong tường chòu lực tạo ra những vùng ứng suất nén cao cục bộ ở hai bên của lỗ cửa (Hình 1.9). Hình 1.9: Những ảnh hưởng của sự phân bố tải trọng đến sự tập trung ứng suất trong tường chòu lực. Trụ liền tường có tác dụng như một cột nằm trong tường để nhận tải trọng tập trung. Vì tường chòu lực chòu 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 cột). Các tường xây gạch mỏng khi uốn cong sẽ bò phá hỏng vì gạch vốn chòu kéo rất kém. Trụ liền tường được sử dụng sẽ gia cố tường 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 cách được xây thành hai lớp nối với nhau thông qua các trụ, tạo nên bức tường giống như cột tiết diện chữ H. Các sườn ở giữa giúp chống lại lực cắt vì mỗi bức tường mỏng chòu uốn cong độc lập nhau (Hình 1.10). Hình 1.10: Mô hình cho thấy ảnh hưởng của sự tập trung tải trọng trong tường chòu lực: (a) biến dạng cục bộ dưới tải trọng tập trung từ dầm, (b) trụ liền tường có tiết diện gia tăng làm giảm ứng suất, và (c) tường hai lớp với các trụ cứng ở giữa chống lại biến dạng oằn. 9 Hệ tường chòu lực song song Hệ tường chòu lực song song thường được sử dụng cho công trình nhà ở gia đình. Chúng không chỉ chòu lực chính cho sàn, mái mà còn giúp cách âm và cách li hỏa hoạn giữa các nhà. Mặt bằng của hệ tường chòu lực song song đặc biệt phù hợp đối với các dãy nhà phố. Sự ổn đònh phương ngang Tường sẽ đổ ngã khi hợp của tất cả các lực theo phương ngang và phương đứng rơi ra ngoài mặt chân đế của tường. Nếu tường không chòu 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 tại bất kỳ cao độ nào. Hình 1.11: Minh họa sự thay đổi hình thức mặt bằng để gia tăng sự ổn đònh trước lực xô ngang trong tường chòu lực: (a) một tấm bìa tượng trưng cho tường không ổn đònh trước lực xô ngang, nhưng (b) tấm bìa được gấp lại tạo ra góc vuông thì ổn đònh. Bề dày tường lớn hơn sẽ gia tăng sự ổn đònh 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 đònh 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 đònh trước lực xô ngang, cho phép nó được xây bằng một lớp gạch. 10 [...]... Khi các khung phẳng trực giao cứng được lặp lại, các liên kết cố đònh 31 CẤU TẠO KHUNG NHẸ kết hợp nhau tạo nên một cấu trúc vững chắc hơn Điều đó cũng có nghóa là biến dạng ở một ô sàn được truyền khắp cả cấu trúc Mô hình ở Hình 3.12 cho thấy các kiểu cách liên kết khác nhau của khung (cứng hay là khớp) ảnh hưởng như thế nào đến cách thức tải trọng uốn được phân bố trong một cấu trúc gồm nhiều khung. .. một bộ khung công trình chòu tác động bởi tải trọng xô ngang 32 CHƯƠNG II HỆ TỔ HP TAM GIÁC Cấu trúc tổ hợp tam giác là cấu trúc tổ hợp các thành phần cấu kiện làm việc chỉ trong trạng thái chòu nén hoặc chòu kéo dọc theo trục của chúng, liên kết khớp với nhau theo các đơn vò hình tam giác Cấu trúc này bao gồm khung không gian, vòm trắc đòa, dây cáp treo của chúng Những lực uốn này thường được bỏ qua... liên kết cứng: khung ba khớp (a) Khung hình ngũ giác sẽ biến hình với bốn liên kết khớp hoặc nhiều hơn (b) Cố đònh hai liên kết ở giữa sẽ giúp khung ổn đònh, làm việc như một khung tam giác (nét đứt) (c) Tương tự, cố đònh hai liên kết ở chân cũng giúp khung ổn đònh (d) Luật chung là, để ổn đònh, một khung mở không có nhiều hơn ba liên kết khớp trong số các liên kết Nói cách khác, các khung như vầy phải... đứng Một liên kết ở chân cứng sẽ tạo được sự ổn đònh (khung làm việc như một khung tam giác bất biến hình) Cũng như trên, nhiều hơn một liên kết cứng sẽ làm gia tăng độ cứng cho khung, nhưng gây cho hệ trở nên siêu tónh NHỊP Nhòp là một khoảng chia giữa các khung kết cấu lặp lại, được xác đònh bởi khoảng cách của cột (hoặc tường chòu lực) Các ô sàn kết cấu bình thường có các cột dọc theo tất cả bốn cạnh... đương như khung tam giác để được ổn đònh KHUNG CỨNG mô hình trong Hình 3.10 Nếu cột được liên kết cứng với dầm, hệ là một khung cứng Nếu dầm được chòu ở hai đầu (cột tự do quay) và nhận tải trọng đồng đều dọc chiều dài, nó sẽ võng và cột dạng chân Sự làm việc của một khung cột-dầm đơn giản (liên kết khớp ở đỉnh) thay đổi rất nhiều khi liên kết cột-dầm được cấu tạo cứng Xem xét 29 ra; một khung cứng... 3.2: Hệ khung phẳng được phân loại theo số lớp các thành phần phương Hình 3.5: Sự ổn đònh phương ngang nhờ vào liên kết cứng: một liên kết bên trên cứng sẽ làm khung ổn đònh (khi đó, nó làm việc như một khung tam giác bất biến hình) Nhiều hơn một liên kết cứng sẽ làm gia tăng độ cứng cho khung, nhưng gây cho hệ trở nên siêu tónh Hình 3.3: Sự ổn đònh phương ngang nhờ vào đặc điểm hình tam giác: khung. .. gồm nhiều khung Việc quyết đònh một khung nên có cấu tạo là khung cứng hay không rất phức tạp và đòi hỏi nhiều sự phân tích và kinh nghiệm (Hình 3.13) Mặc dù các tường nhẹ cấu tạo gỗ được hình thành từ nhiều thanh đứng (làm việc như cột) riêng rẽ, khoảng cách nhỏ giữa chúng, cùng với các thanh trên cùng và thanh đáy liên tục và các tấm bao che của tường làm cho cấu tạo này làm việc như một bức tường... hệ Sàn ô cờ vượt cả hai phương, và 26 3 KHUNG PHẲNG Dầm, sàn, cột, và tường chòu lực kết hợp nhau hình thành các khung phẳng trực giao (tạo bằng các đường thẳng)―hệ chòu lực phổ biến nhất trong các công trình Trong một khung, tải trọng được phân bố theo phương ngang (thông qua dầm) đến cột theo phương đứng (rồi xuống móng) Một khung như vậy được gọi là hình thức cấu tạo cộtdầm Sàn có thể được dùng thay... công trình kiến trúc, mục đích là để treo hệ mái từ đầu cột chống Dây cáp cũng có thể được chống đỡ tại trung điểm và được áp dụng để chòu tải trọng treo ở hai đầu Thông thường, các dây giằng phụ được dùng để kéo mỗi đầu dây cáp xuống để đạt sự ổn đònh Hình 34 Cấu trúc dây cáp treo tạo khoảng vượt theo phương ngang bằng các dây cáp xiên treo từ điểm tựa cao hơn Trong hầu hết các cấu trúc dạng này, cột... và ngang này, một hệ khung phải có hệ giằng ngang để chống lại tải trọng phương ngang, như lực gió hay đòa chấn (Hình 3.1) Hình 3.1: Một hệ khung phẳng tiêu biểu bao gồm các thành phần vượt phương ngang (bản sàn hoặc dầm), các thành phần đỡ chòu phương đứng (cột hoặc tường), và các bộ phận giằng chống xô ngang Hệ khung phẳng trực giao có thể được phân loại theo số lượng lớp kết cấu theo phương ngang . môn học, nhằm mục đích tham khảo cho sinh viên. Nó được trích dòch từ quyển sách Understanding structures của tác giả Fuller Moore, nhà xuất bản WCB/McGraw-Hill, năm 1999. MỤC LỤC