việc tính toán thiết kế kết cấu công trình còn một số vấn đề chưa được làm sáng tỏ, ảnh hưởng đến chất lượng công trình 2.1.. Chọn sơ đồ tính toán chưa sát với sự làm việc thực tế của k
Trang 1một số vấn đề tính toán thiết kế chưa được sáng tỏ, ảnh hưởng đến chất lượng công trình
SOME UNCLARIFIED POINTS IN DESIGN CALCULATION IMPACTING ON THE QUALITY OF THE WORKS
TS Trần Kim Chương
Viện thiết kế Tổng cục Hậu cần - Bộ Quốc Phòng
ABSTRACT: In the report, the author has briefly stated the main causes resulting in occurence and break-down of the works
Of which the author has deeply analyzed some causes due to the design that hasn’t fully dealt with:
- Irrational selection of calculation plan
- Lack of calculation for compactability between house and foundation
- Inaccurate determination of foundation coefficient in the structure calculation
problem in the elastic form
- Unclear points in loading compound
- Omission of impact of retaining wall invertical rigid foundation under horizontal
loading
Finally, the author recommends the Ministry of Construction to add some more sufficient codes, standards of design
1 Một số nguyên nhân chủ yếu
Có nhiều nguyên nhân khác nhau dẫn đến sự cố và hư hỏng công trình Theo chúng tôi
có thể kể dưới đây một số nguyên nhân chính dễ thấy:
1 Công tác đo đạc địa hình, khảo sát địa kỹ thuật, khảo sát đánh giá hiện trạng các
công trình cần cải tạo chưa phản ánh đúng thực tế tại khu vực xây dựng
2 Công tác tính toán thiết kế còn một số vấn đề chưa được làm sáng tỏ, chưa được quy
phạm Việt Nam đưa vào áp dụng
3 Công tác thẩm định, giám định còn để lọt lưới một số sai phạm không nhỏ
4 Công tác thi công xây lắp do giá bỏ thầu thấp nên một số khâu chưa làm đúng hồ sơ
thiết kế Đưa vật tư kém chất lượng vào công trình, giảm bớt khối lượng vật liệu ở một
số khâu khó nhìn thấy
Trang 25 Công tác giám sát thi công của cơ quan tư vấn giám sát chưa sâu sát và chưa có mặt
thường xuyên tại hiện trường còn nể nang chưa cương quyết xử lý những trường hợp sai phạm kỹ thuật của đơn vị thi công
6 Chủ đầu tư chưa có đội ngũ cán bộ kỹ thuật các ngành nghề đủ mạnh để giám sát
chất lượng công trình còn phó thác cho cơ quan tư vấn giám sát và cán bộ kỹ thuật bên xây lắp (bên B)
7 Thất thoát vì những chi phí không thể thoái thác được, vì những quan hệ cần thiết
(mà chúng tôi hay gọi dầu mỡ bôi trơn) để cỗ máy hoạt động của công trình được trơn tru từ khi khởi công đến khi kết thúc
8 Các định mức chi phí thiết kế thẩm định, giám sát thi công và nhân công xây lắp quá
thấp so với mặt bằng khu vực và thế giới
Trong 8 nguyên nhân dễ thấy nói trên, chúng tôi đi sâu phân tích nguyên nhân thứ 2
2 việc tính toán thiết kế kết cấu công trình còn một số vấn đề chưa được làm sáng tỏ, ảnh hưởng đến chất lượng công trình
2.1 Chọn sơ đồ tính toán chưa sát với sự làm việc thực tế của kết cấu
Trong các bước thiết kế kết cấu công trình, chọn sơ đồ tính toán hợp lý là một trong những khâu quan trọng Song hiện nay vẫn còn một số sơ đồ tính toán hiện hành chưa
được hợp lý:
2.1.1 Sơ đồ coi chân cột được ngàm cứng vào đất (không có chuyển vị thẳng đứng, chuyển vị ngang, chuyển vị xoay ) là chưa đúng với thực tế
Trong biểu thức thiết lập mối quan hệ giữa kết cấu bên trên với nền đất tại móng cột trong trường hợp hệ số nền đồng nhất cho thấy móng có chuyển vị đúng chuyển vị xoay
Kn
R
Km
M
=
Trong đó:
Y - Độ lún của móng
R - Phản lực dưới đáy móng
Kn - Độ cứng chống lún của nền Kn = CzF
ϕ - Góc xoay của móng
M - Mô men tại đế móng
Km - Độ cứng chống xoay của nền Km = CϕJ
Cz, Cϕ - Hệ số nền theo phương đứng, xoay
F - Diện tích đáy móng
J - Mo men quán tính của móng theo phương làm việc
Trang 3Theo biểu thức (1) và (2) thì chân cột chôn vào đất Muốn không có chuyển vị thẳng
đứng không có chuyển vị xoay thì chỉ khi nào hệ số độ cứng Kn, Km tiến đến vô cùng tức là hệ số nền Cz, Cϕ tiến đến vô cùng
Đó là trường hợp chân cột chôn ngàm vào lớp đá cứng có hệ số nền Cz = 100.000
ữ1500.000T/m3
Thông thường móng nhà chôn trong đất sét, đất cát độ chặt trung bình có hệ số nền bé nên không thể coi như ngàm cứng được
Tính toán kết cấu bên trên theo sơ đồ ngàm cứng tại chân cột và theo sơ đồ ngàm đàn hồi nội lực có khác nhau từ 1,5 ữ 7 lần xem ví dụ số 1
2.1.2 Sơ đồ cắt rời phần kết cấu bên trên và móng bên dưới tại chân cột để tính móng
là sơ đồ chưa hợp lý
Dưới tác dụng các dạng tải trọng theo sơ đồ được coi ngàm tại chân cột tìm ra nội lực từng trường hợp Sau khi tổ hợp tìm được các cặp nội lực bất lợi tại chân cột, người thiết kế thường lấy kết quả tổ hợp này làm ngoại lực tác dụng lên móng để thiết kế móng Móng có thể là móng đơn, móng cọc móng băng, tuỳ theo loại đất
Tính toán móng theo sơ đồ cắt rời và theo sơ đồ không cắt rời cho kết quả Nội lực kết cấu bên trên khác nhau đến 1,5 lần xem ví dụ 2
Kết quả tính lún của móng đơn và biến dạng của móng băng cho thấy tại chân cột có lún không đều
Sự lún không đều giữa các móng chân cột sẽ gây ra nội lực kết cấu bên trên Yếu tố phân phối lại nội lực cho kết cấu bên trên do lún không đều gây ra thường bị bỏ qua
2.1.3 Các nút khung của kết cấu bên trên coi như tuyệt đối cứng là chưa hợp lý
Kết quả nghiên cứu của một số tác giả cho thấy các nút của khung không cứng tuyệt
đối mà có độ mềm nhất định gọi là ngàm đàn hồi [1]
Độ đàn hồi tại các nút là bao nhiêu, cần có thí nghiệm chứng minh và rút ra ch ỉ dẫn để
áp dụng
Tính toán kết cấu coi nút tuyệt đối cứng dẫn đến mômen tại nút lớn hơn mô men bụng gần 2 lần xem ví dụ 3
2.2 Chưa tính toán tương tác giữa nhà và nền
Như trên đã nêu, hiện nay sơ đồ tính còn xem chân cột ngàm cứng vào đất nền, cắt rời phần móng tại chân cột để tính móng (được quy phạm chấp nhận) chưa phản ánh đúng
sự làm việc thực của kết cấu dẫn đến sai số phần kết cấu bên trên và sai số phần móng bên dưới khá lớn xem ví dụ 1
Đúng đắn nhất là tính toán trên sơ đồ làm việc đồng thời của nhà và nền
Các công trình nghiên cứu sự làm việc đồng thời của nhà và nền khá đầy đủ của nhiều tác giả trong và ngoài nước cho kết quả đáng tin cậy Song hiện nay chưa được đưa vào tiêu chuẩn quy phạm xây dựng
2.3 Hệ số nền chưa được nghiên cứu kỹ trong tính toán Kết cấu
Hiện nay hệ số nền trong bài toán tính sự làm việc đồng thời của kết cấu bên trên và nền là vấn đề chưa được thống nhất, phạm vi áp dụng hệ số nền của một số loại đất còn
Trang 4rất rộng cùng một loại đất trị số hệ số nền đầu và cuối khác nhau khá xa (chênh nhau
từ 2 lần đến 15 lần)
Thường tuỳ thuộc vào kinh nghiệm của từng tác giả thiết kế Tác giả nào chọn hệ số nền sát với thực tế bao nhiêu cho kết quả tính toán tiệm cận với chính xác bấy nhiêu Chúng tôi nêu dưới đây một số hệ số nền hiện có trong một số sách :
2.3.1 Chọn hệ số nền theo độ chặt của đất: [2]
Đặc trưng lớp đất Hệ số nền
Đất ít chặt: sét ướt nhuyễn (dẻo chảy) 0,1ữ 0,5 kg/cm3 (100 ữ 500T/M3)
Đất chặt vừa: sét ẩm (dẻo, mềm) 0,5ữ5 kg/cm3 (500 ữ 5.000T/M3)
Đất chặt: sét ít ẩm (dẻo cứng) 5ữ10kg/cm3 (5000 ữ 10.000T/M3)
Đất rất chặt: sét cứng 10ữ20 kg/cm3 (10.000 ữ 20.000T/M3)
Đất cứng: đá vôi, sa thạch 20ữ100kg/cm3 (20.000 ữ100.000T/M3)
Đá: đá cứng tốt 100ữ1.500kg/cm3 (100.000
ữ1.500.000T/M3)
2.3.2 Chọn hệ số nền theo cường độ của đất: [3]
Đất có R 1kg/cm2 2 kg/cm2 3 kg/cm2 4 kg/cm2 5 kg/cm2
Hệ số nền 2.000T/M3 4.000 T/M3 5.000 T/M3 6.000 T/M3 7.000 T/M3
Chúng tôi nêu dưới đây một ví dụ dầm trên nền đàn hồi với lực tác dụng lên dầm là kết quả tổ hợp tại các chân cột bệ khung bên trên nền đất sét xám xanh dẻo mềm có hệ số nền biến thiên từ 500ữ5.000T/M3
Kết quả tính toán cho thấy cùng một loại đất tác giả này chọn hệ số nền 500T/M3, tác giả kia chọn 5.000T/M3 cho kết quả chênh nhau 30% ữ 40% (xem ví dụ 4)
2.4 Tổ hợp tải trọng chưa được thống nhất trong tính toán
Hiện nay tính toán nội lực từng trường hợp đặt tải riêng r ẽ theo chương trình phần mềm trong nước, ngoài nước đều cho kết quả giống nhau (nếu c ùng 1 đầu vào) nhưng khi tổ hợp nội lực từ những trường hợp đặt tải riêng lẻ để chọn các cặp nội lực bất lợi cho từng tiết diện của kết cấu thì kết quả khác nhau, tuỳ thuộc vào quy phạm của mỗi nước
và kinh nghiệm của từng người thiết kế
2.4.1 Tổ hợp tải trọng của một số nước có khác nhau:
Trong thông thư hướng dẫn quản lý và áp dụng các tiêu chuẩn quy phạm kỹ thuật xây dựng, Bộ xây dựng cho phép tự nguyện áp dụng tiêu chuẩn quy phạm 1 số nước như: Châu âu, Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Nga, Nhật, úc Khi áp dụng tiêu chuẩn của các nước này cho kết quả rất khác nhau: Thép trong dầm chênh nhau từ 1,5 ữ 1,7 lần, thép trong cột chênh nhau từ 1,5 ữ 3 lần Sở dĩ có sự chênh nhau khá lớn như vậy là do cách tổ hợp tải trọng và hệ số tổ hợp của mỗi nước có khác nhau ( Xem ví dụ 5)
2.4.2 Tổ hợp hoạt tải ngắn hạn trên các sàn còn chưa được sáng tỏ:
Trang 5Hiện nay việc tổ hợp tải trọng tạm thời ngắn hạn trên các sàn sao cho đảm bảo xuất hiện giá trị bất lợi nhất tại các tiết diện của hệ kết cấu vẫn còn là vấn đề chưa được sáng tỏ
Có tác giả đặt tải trọng tạm thời ngắn hạn cách tầng, cách nhịp Có tác giả đặt lệch tầng, lệch nhịp Cũng có tác giả đặt toàn bộ lên tất cả các sàn Đặt tải trọng tạm thời ngắn hạn theo các tác giả nêu ở trên chưa quét hết các trường hợp bất lợi ở các tiết diện kết cấu
Vấn đề này cần được nghiên cứu để đưa ra quy luật tổ hợp tải trọng tạm thời trên các sàn sao cho đảm bảo xuất hiện giá trị cực đại trong tất cả các tiết diện của kết cấu
2.5 Bỏ qua tường chèn trong khung bê tông cốt thép khi tính khung sẽ gây lãng phí
Hiện nay kết cấu chịu lực bằng khung bê tông cốt thép có tường chèn trong khung là 1 trong những loại kết cấu rất thịnh hành ở nước ta, kể cả nhà thấp tầng và cao tầng Trong tính toán coi tường xây chèn như kết cấu bao che, bỏ qua khả năng chịu lực ngang của tường xây chèn
Qua nhiều công trình nghiên cứu về tường chèn trong khung của nhiều tác giả cho thấy mô men cột khung bê tông cốt thép giảm rất đáng kể
Hiện nay ở nước ta nhà thấp tầng từ 3 đến 6 tầng còn khá phổ biến Việc bỏ qua khả năng chịu nén của tường trong khung khi chịu tải trọng ngang sẽ gây lãng phí, vì nội lực trong khung có chèn gạch giảm từ 2y6 lần (xem ví dụ 6)
3 Một số kiến nghị
Qua 5 vấn đề nêu trong mục II cho thấy khâu tính toán thiết kế kết cấu công trình còn một số điểm chưa được chính xác như mong muốn, chênh nhau từ 1,5 ữ 35% thiên về
an toàn và cả không an toàn
Với mục đích mong muốn công tác thiết kế kết cấu công trình tiệm cận đến độ chính xác, chúng tôi kiến nghị với Bộ xây dựng một số điểm sau đây:
1 Quy phạm cho phép tính toán kết cấu công trình theo sự làm việc đông thời của nhà
và nền
2 Nghiên cứu hoàn chỉnh quy luật tổ hợp tải trọng theo Tiêu chuẩn Việt Nam
3 Tiến hành thí nghiệm để tìm ra chính xác hệ số nền cho mỗi loại đất của Việt Nam
để áp dụng vào công tác tính toán sự làm việc đồng thời của nhà và nền
4 Nghiên cứu độ mềm của nút khung bằng lý thuyết và thực nghiệm để đưa vào quy phạm áp dụng
Ví dụ 1:
Tính khung nhà 2 tầng 4 nhịp theo sơ đồ không kể sự làm việc đồng thời với nền và có
kể đến sự làm việc đồng thời của nhà với nền
Trang 6Tµi liÖu tham kh¶o
1 Íîđûĩ ìơòîô ðăñ÷¸òă íăïðî÷íîñòü ỉ óñòîỉêỉđîñòü Ñ.Ă Ðîñỉöíỉỉ Ìăêỉêóì
1961
2 Lª §øc Th¾ng, Bïi Anh §Þnh, Phan Tríng PhiÖt, ThiÕt kÕ nÒn vµ mêng, Nhµ
XuÍt b¶n Gi¸o dôc, Hµ nĩi, 1998
3 Í.Ă Öûòîđỉ÷, Â.Ỉ Ôăịìằîđ, Ì.Þ Ăâơịơđ, Îñíîđăíỉÿ ỉ Ôóíôăìởòû
ñîîðóưởỉĩ, ÑÍỉÏ 2.02.01.83
5 Đ.Ê.Âơðơìăíöơđă,Ì.Ỉ.Êîðâóíîđă-ïăñăôîđă, Î.Ă Ñăđỉíîđă Ñïðăđî÷íỉí ïðîơíòỉðîđùỉíă ïðîìûøịởíûõ, ựịûõ ỉ îẫởòđởíûõ ìôăíỉĩ ỉ ñîðóưởỉĩ, Îñíîđăíỉÿ ỉ ôóíôăìởòû, Ịởỉíêðăô 1964
6 TrÌn Kim Ch¬ng, Ðăñ÷¸ò ìíîêîýòăửûõ, ìíîêîïðîịơòíûõ ðăì ñîïðîòỉđ-ịÿþùỉõñÿ ñîđìơñòíî ñ óïðóêỉì îñíîđăíỉờ Đîðîíơư 1986
c - Cê kÓ sù lµm viÖc ®ơng thíi cña nhµ víi nÒn (tríng hîp mêng ®¬n)
H×nh 1
a - S¬ ®ơ vµ t¶i trông t¸c dông
b - Nĩi lùc theo s¬ ®ơ kh«ng kÓ sù lµm viÖc ®ơng thíi cña nhµ v íi nÒn
Trang 7c- Kết quả tính toán thep SAP-2000
Ví dụ 2:
Tính móng băng liền với khung và cắt rời khung
b- Nội lực móng băng cắt rời khung
Hình 2
Ví dụ 3:
Tính dầm liên tục 5 nhịp theo phương pháp cổ điển và theo các phương trình hiện hành
Hình 3
a - Nội lực móng băng liền với khung
a - Tải trọng tác dụng lên dầm liên tục
b - Kết quả tính toán theo phương pháp cổ điển
Trang 8Ví dụ 4:
Tính dầm trên nền đàn hồi cùng một loại đất nhưng chọn hệ số nền khác nhau
Ví dụ 5:
Cho một dạng kết cấu 2 tầgn 3 nhịp tải trọng tác dụng gồm tĩnh tải, hoạt tải, gió Tính toán kết cấu trên theo tiêu chuẩn của EUROCODE2-1992, BS 8110.89, ASSHTO Concrete 97, NZS 3101-95, CSA A23.3.94, ACI 318-99, Việt Nam
Hình 3
a – Theo tiêu chuẩn EUROCODE2-1992 b – Theo tiêu chuẩn BS 8110.89
c- Theo tiêu chuẩn ASSHTO Concrete 97 d – Theo tiêu chuẩn NZS 3101-95
e - Theo tiêu chuẩn CSA A23.3.94 f - Theo tiêu chuẩn ACI 318-99
g - Theo tiêu chuẩn Việt Nam
a – Sơ đồ tải trọng tác dụng lên dầm
b - Kết quả nội lực với hệ số nền 500T/M3
c - Kết quả nội lực với hệ số nền 5000T/M3
Hình 4
Trang 9Kết quả tính toán cốt thép khung 2 tầng, 3 nhịp theo tiêu chuẩn một số nước
TT Theo tiêu chuẩn Thép cột dưới Thép cột trên Dầm tầng 1 (cm 2 ) Dầm tầng 2 (cm 2 )
a EUROCODE2-1992 10,63 15,36 29,82 22,6 15,84 25,01 18,48 21,57
b BS 8110.89 10,12 14,57 29,29 20,77 17,65 24,03 20,14 22,21
c ASSHTO Concrete 97 11,25 11,25 27,83 17,33 14,56 21,46 16,05 18,46
e CSA A23.3.94 24,09 34,21 31,33 23,02 16,96 25,15 19,83 20,15
g Tiêu chuẩn Việt Nam 14,60 20,20 22,40 18,80 10,50 17,10 12,70 12,90
Ví dụ 6:
Tính kết cấu khung nhà 4 tầng 2 nhịp tường đầu hồi bằng khung bê tông cốt thép có kể
đến tường trèn 22 và không kể tường trèn
a – Sơ đồ kết cấu khung BTCT
chèn gạch 4 tầng 2 nhịp b – Sơ đồ tính toán có kể đến gạch chèn trong khung c – Sơ đồ kết cấu không kể tường chèn trong khung
d – Kết quả tính toán theo sơ đồ khung chèn e - Kết quả tính toán theo sơ đồ khung không chèn
Trang 10Tµi liÖu tham kh¶o
1 Íîđûĩ ìơòîô ðăñ÷¸òă íăïðî÷íîñòü ỉ óñòîỉêỉđîñòü Ñ.Ă Ðîñỉöíỉỉ Ìăêỉêóì
1961
2 Lª §øc Th¾ng, Bïi Anh §Þnh, Phan Tríng PhiÖt ThiÕt kÕ nÒn vµ mêng Nhµ
XuÍt b¶n Gi¸o dôc, Hµ Nĩi, 1998
3 Í.Ă Öûòîđỉ÷, Â.Ỉ Ôăịìằîđ, Ì.Þ Ăâơịơđ Îñíîđăíỉÿ ỉ ÔóíôăìởòûỈìôằơịüñòđî "Đûñøăÿ øíîịă" Ìîñíđă, 1970
4 Îñíîđăíỉÿ ìôăíỉĩ ỉ ñîîðóưởỉĩ, ÑÍỉÏ 2.02.01.83
5 Đ.Ê Âơðơìăíöơđă, Ì.Ỉ Êîðâóíîđă - ïăñăôîđă, Î.Ă Ñăđỉíîđă Ñïðăđî÷íỉí
ïðîơíòỉðîđùỉíă ïðîìûøịởíûõ, ựịûõ ỉ îẫởòđởíûõ ìôăíỉĩ ỉ ñîðóưởỉĩ Îñíîđăíỉÿ ỉ ôóíôăìởòû Ịởỉíêðăô 1964
6 TrÌn Kim Ch¬ng Ðăñ÷¸ò ìíîêîýòăửûõ, ìíîêîïðîịơòíûõ ðăì
ñîïðîòỉđ-ịÿþùỉõñÿ ñîđìơñòíî ñ óïðóêỉì îñíîđăíỉờ Đîðîíơư 1986