Đang tải... (xem toàn văn)
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 WCBMcGrawHill, năm 1999.
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 LƯU HÀNH NỘI BỘ HỆ CHỊU LỰC Tập tài liệu cung cấp thêm 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 trích dòch từ sách Understanding structures tác giả Fuller Moore, nhà xuất WCB/McGraw-Hill, năm 1999 MỤC LỤC CHƯƠNG I: HỆ KHUNG PHẲNG .4 CHƯƠNG IV: HỆ VỎ MỎNG .70 Cột tường Dầm sàn 11 Khung phẳng .27 13 Vỏ mỏng 71 14 Bản gấp nếp 79 CHƯƠNG II: HỆ TỔ HP TAM GIÁC .33 Dây cáp treo 34 Dàn 36 Khung không gian .40 Vòm trắc đòa 45 CHƯƠNG III: HỆ CONG DẠNG DÂY CÁP 48 Dây cáp võng catenary .49 Màng căng 52 10 Màng khí nén 55 11 Vòm cung 62 12 Vòm mái 67 PHỤ LỤC I: LÝ THUYẾT CẤU TRÚC 83 I:1 I:2 Cơ học 84 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 nhờ vào phận phương ngang (như dầm sàn) phận phương đứng (như cột tường chòu lực)―những phận có sức kháng chòu biến dạng võng uốn CỘT VÀ TƯỜNG Các cấu kiện phương đứng gồm có cột tường chòu lực CỘT Vì lý này, cột bắt đầu oằn, bò phá hoại đột ngột mà không Cột cấu kiện có trục thẳng (thường thẳng đứng), chòu tải trọng nén dọc trục Các cột làm việc khác tùy theo chiều dài chúng CHIỀU DÀI CỘT Một cột ngắn, viên gạch chẳng hạn, chòu tải trọng nén mức, bò nghiền vỡ Một cột dài chòu tải trọng nén tăng dần đột ngột oằn (cong bên) Giá trò tải trọng nén tới hạn gọi tải trọng uốn dọc cấu kiện Các cấu kiện chòu nén vật liệu chòu nén đủ cứng (như thép chẳng hạn) cần diện tích tiết diện ngang nhỏ, tức cấu kiện mảnh (Hình 1.1) Sự biến dạng uốn xảy cột thiết kế chòu tải trọng xác dọc trục qua tâm cột hoàn toàn đồng Một cột biến dạng không thẳng đứng bắt đầu oằn thân, lệch trục hai đầu trung điểm thân cột gây nên lực cánh tay đòn; lực gia tăng, làm biến dạng oằn lớn Hình 1.1: Mô hình thí nghiệm cho thấy cột bò nghiền uốn cong có dấu hiệu báo trước (không nhiều hình thức cấu kiện khác, bò phá hoại từ từ) Tải trọng uốn dọc cột phụ thuộc vào chiều dài, diện tích hình thức tiết diện ngang, kiểu cách liên kết đầu cột Chiều dài cột tăng làm giảm tải trọng uốn dọc Với mặt cắt ngang, chiều dài cột tăng gấp đôi làm giảm tải trọng uốn dọc phần tư Nói cách khác, tải trọng uốn dọc thay đổi tỉ lệ nghòch theo bình phương thay đổi chiều dài cột (Hình 1.2) Hình 1.2: Mô hình thí nghiệm cho thấy ảnh hưởng chiều dài cột đến tải trọng uốn dọc HÌNH DÁNG CỘT Cột bò oằn theo hướng có sức chòu Nếu tiết diện ngang cột có cạnh không nhau, biến dạng uốn xảy theo trục kích thước mảnh Với lượng vật liệu, cột có kích thước cạnh tiết diện ngang lớn có tải trọng uốn dọc lớn (Hình 1.3) Mô-men quán tính số đo phân bố vật liệu quanh tâm vật Mô-men quán tính nhỏ tất lượng vật liệu tập trung tâm (như tiết diện tròn đặc chẳng hạn) Nó lớn lượng vật liệu phân bố xa tâm (như rỗng) Tải trọng uốn dọc tỉ lệ thuận với mômen quán tính (Hình 1.4) Hình 1.3: Mô hình thí nghiệm cho thấy ảnh hưởng hình dáng cột đến tải trọng uốn dọc LIÊN KẾT ĐẦU CỘT Khả hạn chế chuyển vò phương ngang quay hai đầu cột mảnh có ảnh hưởng đáng kể đến tải trọng uốn dọc Cột liên kết khớp cố đònh (tự quay bò ngăn không chuyển vò ngang) hai đầu bò uốn theo đường cong liên tục Hình 1.4: Hình dáng hình học thân tre hình dáng hữu hiệu cho cột Hình dáng hình trụ tròn phân bố vật liệu cách xa tâm, tạo mô-men quán tính lớn Hình dáng giữ ổn đònh nhờ vào mắt tre đặc, ngăn không cho thân tre bò lõm hay uốn cong thoải Cột liên kết cứng (bò ngăn không quay chuyển vò ngang) chân tự (tự quay hay chuyển vò ngang) đầu biến dạng giống nửa cột có liên kết khớp cố đònh, có chiều dài có ích (chiều dài tính toán) gấp đôi chiều dài thực; tải trọng uốn dọc phần tư so với cột liên kết khớp cố đònh (nhớ rằng, tải trọng uốn dọc thay đổi tỉ lệ nghòch theo bình phương thay đổi chiều dài cột) Liên kết cứng đầu liên kết khớp cố đònh đầu có hiệu việc giảm chiều dài có ích 70 phần trăm cột liên kết khớp cố đònh, làm gia tăng tải trọng uốn dọc cột lên 200 phần trăm Liên kết cứng hai đầu làm giảm thêm chiều dài có ích (còn nửa) làm tăng tải trọng uốn dọc lên 400 phần trăm Như thế, 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 ảnh hưởng hình thức liên kết đầu cột đến tải trọng uốn dọc gấp tám lần (xét cột có chiều dài tính toán, vật liệu tiết diện ngang) (Hình 1.5) TƯỜNG CHỊU LỰC Tường chòu lực phận chòu nén kéo dài liên tục theo phương, phân bố tải trọng thẳng đứng tỏa xuống bệ tựa (thường đất nền) Nó phân biệt khác với dãy cột đứng kề liên tục khả phân tỏa tải trọng dọc chiều dài (làm việc giống dầm; Hình 1.6) khả chòu lực phương ngang mặt phẳng tường (Hình 1.7) Hai đặc điểm làm việc sinh từ ứng suất cắt nội xảy tường Hình 1.6: Một tường chòu lực phân tán tải trọng tập trung dọc theo chiều dài nó, nhờ vào sức chòu cắt phương đứng; tải trọng tác động lên dãy cột liên tục tải trọng tập trung tác động lên cột Hình 1.7: Một tường chòu lực tạo ổn đònh chống lực xô ngang dọc theo chiều dài nó, nhờ vào sức chòu cắt phương ngang; đặc điểm dãy cột liên tục Các tường gạch truyền thống thường xây thoải chân (chân tường dày hơn) Điều cho phép tường ổn đònh theo phương ngang (hình dáng tam giác vốn ổn đònh hình chữ nhật) Hơn thế, chân tường có diện tích chòu lực lớn để phân bố tải trọng xuống đất Trong cấu tạo tường ngày nay, hiệu đạt nhờ vào phận móng tường trải rộng liên kết vào tường qua cốt thép (Hình 1.8) Hình 1.8: Tường chân thoải tường có móng chân tường có khả chống lại lật đổ, phân bố tải trọng lên diện tích lớn chân Trong công trình nhiều tầng, tường chòu lực phải chòu tải trọng không sàn bên (và tải trọng thân) mà tất sàn tường bên cộng lại Vì tải trọng cộng dồn, gia tăng phía công trình nên bề dày tường thấp phải gia tăng Hơn nữa, trình tự thi công trở nên phức tạp nhà nhiều tầng sử dụng tường chòu lực, tầng, việc xây dựng tường lại bò gián đoạn sàn thi công Vì lý này, công trình đại thường sử dụng khung kết cấu (hệ cột dầm) để chòu tải trọng cho tường sàn bên tường chòu lực Một ngoại lệ việc sử dụng kết hợp tường gạch chòu lực bê-tông tiền chế Theo kiểu này, người thợ vừa xây dựng tường vừa lắp dựng bê-tông, giúp cho phương thức thi công trở nên lựa chọn kinh tế mau chóng công trình nhà ở, khách sạn nhiều tầng MỘT SỐ ĐIỂM VỀ KẾT CẤU Tường chòu lực thích hợp tải trọng phân bố tương đối đồng Khi tải trọng tập trung, chúng sinh vùng ứng suất nén cục cao Trụ liền tường phận có bề dày gia tăng tường chòu lực chòu tác dụng tải trọng tập trung Nó có tác dụng cột nằm tường Các lỗ cửa tường chòu lực tạo vùng ứng suất nén cao cục hai bên lỗ cửa (Hình 1.9) Hình 1.9: Những ảnh hưởng phân bố tải trọng đến tập trung ứng suất tường chòu lực Trụ liền tường có tác dụng cột nằm tường để nhận tải trọng tập trung Vì tường chòu lực chòu tải trọng nén thẳng đứng có bề dày tương đối mảnh so với chiều cao nó, uốn cong (giống cột) Các tường xây gạch mỏng uốn cong bò phá hỏng gạch vốn chòu kéo Trụ liền tường sử dụng gia cố tường chống lại biến dạng uốn cong mà không cần gia tăng bề dày toàn tường Một cách khác, tường gia cường cách xây thành hai lớp nối với thông qua trụ, tạo nên tường giống cột tiết diện chữ H Các sườn giúp chống lại lực cắt tường mỏng chòu uốn cong độc lập (Hình 1.10) Hình 1.10: Mô hình cho thấy ảnh hưởng tập trung tải trọng tường chòu lực: (a) biến dạng cục tải trọng tập trung từ dầm, (b) trụ liền Khuynh hướng ứng suất cắt chuyển sang ứng suất kéo nén theo phương 45º nhận thấy bê-tông đặt cột bê-tông bò phá hoại tác động lực cắt Đầu cột có khuynh hướng đâm thủng bê-tông theo hình nón 45º (Hình i.25) Tương tự, cột ngắn vật liệu dòn bê-tông có khuynh hướng bò phá hoại ứng suất cắt chòu tải trọng nén tăng dần đến bò bể gãy Phần đầu chân cột hình trụ bò phá hoại phương đứng để đảm bảo cân không bò quay, (c) ứng suất kéo nén theo phương 45º tương đương ứng suất cắt thành hình nón 45º; hai hình nón gây hiệu hai nêm, làm tách phần vật liệu thân cột (Hình i.26) Hình i.25: Mô hình minh hoạ phá hoại lực cắt cột đâm thủng sàn Hình i.24: Phần tử ô vuông biểu thò tương đương ứng suất cắt với ứng suất kéo nén: (a) lực trượt ngang, (b) lực trượt ngang với phản lực theo chéo dài hình bình hành, ứng suất nén dọc theo đường chéo ngắn Lớp vật liệu bề mặt tròn bò biến dạng nhiều lớp bên trong, đó, ứng suất gây trượt lớn bề mặt Vì lý này, hình dáng hợp lý cấu kiện để chòu biến dạng xoắn hình ống tiết diện tròn (Hình i.29) Hình i.26: Sự phá hoại ứng suất nén vật liệu dòn Trường hợp cấu kiện bò xoắn phổ biến công trình kiến trúc dầm tường bò dầm sàn giao đoạn dầm tường làm biến dạng Tải trọng không cân không gây xoắn mà làm cho cấu kiện bò uốn cong (Hình i.30) Ứng suất cắt tính toán ứng suất kéo nén: ứng suất cắt lực cắt chia cho diện tích chòu lực cắt (N = P / A) Đơn vò newton mét vuông (N/m²) (Hình i.27) Biến dạng cắt góc đơn vò ô vuông bò biến dạng trở thành hình bình hành tác động ứng suất cắt Góc g thường mang đơn vò radian (cũng có nghóa không thứ nguyên) Đối với loại vật liệu, biến dạng cắt ứng suất cắt biểu diễn đồ thò, đồ thò biến dạng-ứng suất đường cong Khi ứng suất nhỏ vừa, đònh luật Hooke thỏa, biến dạng tỉ lệ với ứng suất đồ thò đoạn thẳng vùng đàn hồi Cũng ứng suất kéo nén, độ nghiêng đoạn thẳng gọi suất cắt—G = N / g (Hình i.28) Hiện tượng xoắn Hiện tượng xoắn ứng suất cắt xoay, xảy cấu kiện bò vặn quanh trục Xét tròn giữ cố đònh đầu đầu bò xoắn quanh trục Nếu bề mặt tròn kẻ hình lưới ô vuông ô vuông biến dạng thành hình bình hành Các đơn vò ô vuông chòu tác động giống ví dụ trình bày Ứng suất kéo phát sinh dọc theo đường Hình i.27: Ứng suất gây cắt N = lực gây cắt P chia diện tích chòu lực cắt A Hình i.29: Lực xoắn lực cắt quay quanh trục bò vặn Với lượng vật liệu, hình ống tiết diện tròn hình dáng hữu hiệu để tránh lại lực xoắn Hình i.28: Đồ thò ứng suất-sức biến dạng cho ứng suất cắt tương tự đồ thò cho ứng suất kéo nén Độ dốc đoạn đồ thò thẳng vùng đàn hồi suất cắt Hình i.30: Một dầm tường chòu xoắn uốn PHỤ LỤC II BẢNG TRA DÀNH CHO THIẾT KẾ SƠ BỘ PHẠM VI KHOẢNG VƯT CỦA DẦM GỖ PHẠM VI KHOẢNG VƯT CỦA DẦM THÉP HÌNH KÍCH THƯỚC TÍNH TOÁN SƠ BỘ DẦM GỖ TỔ HP THANH CẤU KIỆN BÊ-TÔNG TIỀN CHẾ TÀI LIỆU THAM KHẢO Alan Ogg, Architecture in Steel – The Australian Context, Australia: The Royal Institute of Architects, 1989 Francis D.K Ching, A Visual Dictionary of Architecture, USA: Van Nostrand Reinhold, 1995 Francis D.K Ching & Cassandra Adams, Building Construction Illustrated, USA: John Wiley & Son, Inc, 2001 Fuller Moore, Understading Structures, USA: WCB/McGraw-Hill, 1999 Heino Engel, Structure Systems, Germany: Verlag Gerd Hatje, 1999 [...]... giữa chống lại biến dạng oằn 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... 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) Hệ khung phẳng trực giao có thể được phân loại theo số lượng lớp kết cấu theo phương ngang trong hệ Hệ một lớp thường gồm một bản sàn một phương vượt giữa hai tường chòu lực song song Hệ hai lớp thường gồm có một bản sàn được chòu trên các dầm song song gối lên hai tường chòu lực song song... vách được sử dụng phổ biến trong cấu tạo khung nhẹ bằng gỗ gồm có các thanh đứng cách khoảng gần nhau, các thanh biên liên tục trên cùng và ở cạnh đáy, và làm việc như một bức tường chòu lực Các tấm ốp bằng gỗ dán (hay tương tự) làm gia tăng cả khả năng chòu lực lẫn sức bền cắt 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... uốn của nhiều ô sàn 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 Việc quyết đònh một khung nên có cấu tạo là khung cứng hay không rất... (Hình 3. 13) Hình 3.13: Mô hình minh họa những ảnh hưởng của sự thay đổi độ cứng của dầm và cột khi một bộ khung công trình chòu tác động bởi tải trọng xô ngang CẤU TẠO KHUNG NHẸ 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... 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 cho dầm và tường chòu lực thay cho cột, nhưng sự... kết khớp tại những điểm uốn HỆ DẦM GIAO HAI PHƯƠNG Hệ dầm giao hai phương (hệ dầm hai phương) có các dầm vượt theo hai phương và các dầm theo phương này giao cắt với các dầm phương kia Một hệ dầm hai phương tiêu biểu được chòu ở bốn cạnh của một mặt bằng gần hình vuông, và khi đó chiều cao dầm có thể nhỏ hơn so với trong trường hợp hệ vượt một phương tương ứng Trong một hệ dầm hai phương, mỗi dầm riêng... hình thức đơn giản, hệ sàn phẳng tạo ra sự tập trung ứng suất cắt lớn chung quanh đầu cột làm cột có khuynh hướng đâm thủng sàn Do đó, sàn phẳng bê-tông cốt thép phải được gia cường chắc chắn Tuy nhiên, chi phí thấp đi cho tấm khuôn và chiều cao sàn-đến-sàn giảm bù lại hơn nhiều chi phí gia cường, sàn phẳng vẫn được ưa dùng cho các công trình khoảng vượt ngắn Cho một số thể loại công trình (như khách... viên gạch (để tạo các sườn cứng) và lên trên các viên gạch để tạo bản sàn Sau khi tấm khuôn được tháo dỡ, các viên gạch bộng vẫn ở đúng vò trí Cách thức này là một lựa chọn sử dụng vật liệu nhẹ và kinh tế Mặt dưới sàn được hoàn thiện với các vật liệu cấu tạo trần (thường là trần treo để tạo khoảng không kỹ thuật) Hình 2.30: Sàn đa sườn sử dụng gạch bộng Các sườn bê-tông ngày nay được thi công kinh tế... đònh trước các lực gió và các lực xô ngang khác Một cách tổng quát, có các nguyên tắc sau để giúp đạt được sự ổn đònh này: chuyển thành hệ tam giác (thêm thành phần để chuyển hệ khung thành tổ hợp nhiều hình tam giác, vốn là hình dáng hình học ổn đònh), sử dụng liên kết cứng (tạo các liên kết cứng giữa các thành phần khung giao nhau), dùng tường chòu cắt (lợi dụng sức bền cắt của một cấu kiện dạng bản