PHÂN TÍCH SỰ XUẤT HIỆN KHE NỨT TRONG KHỐI XÂY GẠCH ĐÁ CỦA CÔNG TRÌNH NHÀ CỬA Ở TP.HCM

PHÂN TÍCH SỰ XUẤT HIỆN KHE NỨT TRONG KHỐI XÂY GẠCH ĐÁ CỦA CƠNG TRÌNH NHÀ CỬA Ở TP.HCM GS TS Huỳnh Chánh Thiên – C.ty CP Kiểm định xây dựng Sài Gòn Xây dựng kết cấu gạch đá kỹ thuật xây dựng lâu đời nhất.Những cơng trình đá thiên nhiên có 5000÷6000 năm, cơng trình gạch nung có 3000 năm Từ cuối kỷ 18 đầu kỷ 19, chưa có Qui phạm kết cấu gạch đá, người ta xây dựng cơng trình gạch đá dựa vào kinh nghiệm với hệ số an toàn cường độ lớn Nhưng bên cạnh xảy hư hỏng phá hoại cơng trình, tiến hành sửa chữa, trùng tu cơng trình sinh tải trọng phụ làm tăng tải trọng tác dụng lên cơng trình ổn định kết cấu chịu lực… Ở Thành phố Sài Gòn từ sau năm 1945, cơng trình có qui mơ lớn khơng cịn dùng kết cấu khối xây gạch đá, mà dùng nhà khung bê tơng cốt thép (BTCT) Do thời gian sau này, tượng xuất khe nứt khối xây gạch đá cơng trình TP Hồ Chí Minh, phần nhiều xuất khối xây chèn khung nhà cao tầng Có thể phân biệt xuất khe nứt khác khối xây gạch đá loại nhà cổ xây dựng lâu đời khối đá xây chèn nhà khung cao tầng Phân tích xuất khe nứt nhà cổ khối xây gạch đá TP.HCM Ở TP.HCM cịn lưu lại cơng trình cổ khối xây gạch đá tiêu biểu, Trụ sở Ủy Ban Nhân Dân TP.HCM, nhà Lưu niệm Bác Hồ, nhà hát lớn TP.HCM, nhà thờ Đức Bà Sài Gòn, nhà Bưu điện TP.HCM, nhà cổ Chợ Lớn… Các công trình 100năm, chất lượng khối xây gạch đá nhiều xuống cấp xuất khe nứt đa dạng, mà nguyên nhân nhiều nhân tố khác ảnh hưởng đến chất lượng khối xây gạch đá Sau bàn nhân tố làm xuất khe nứt khối xây tường chịu lực cơng trình cổ là: Ảnh hưởng cường độ vữa: Cường độ vữa nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến cường độ khối xây tường Qua thời gian chất lượng vữa xuống cấp, cường độ vữa giảm đi, giảm lực bám dính… đến xuất vết nứt mạch vữa ngang khối xây chịu nén Cường độ vữa giảm dần dẫn đến biến dạng vữa tăng lên, đồng thời làm tăng biến dạng tương ứng gạch Vữa theo thời gian bị lão hóa biến dạng lớn hình thành nhiều khe nứt Ảnh hưởng lực dính gạch vữa: Qua nhiều năm sử dụng lực dính vữa bị lão hóa, bị khơ dần, giảm yếu lực dính kết vữa gạch Lực dính tạo thành tính tồn khối khối xây tường, lực dính ảnh hưởng đến làm việc khối xây tường chịu nén lệch tâm, chịu uốn Vì lực dính vữa giảm thấp làm giảm khả chống nứt khối xây tường bị biến dạng lớn Đặc biệt chịu tải trọng động, lực dính đi, khơng cịn tác dụng trì khả chịu lực khối xây Do đó, cơng trình khối xây gạch đá chịu tác động tải trọng động gần phổ biến xuất khe nứt Ảnh hưởng chiều dày mạch vữa ngang: Chiều dày mạch vữa ngang theo chuẩn 1cm; tăng chiều dày mạch vữa ngang 1cm làm tăng biến dạng đáng kể khối xây tường, làm giảm cường độ khối xây Cơng trình có chiều dày mạch vữa ngang lớn khối xây sớm xuất khe nứt Cụ thể nhà thờ Đức Bà Sài Gòn, tường 258 ngồi theo chu vi cơng trình có mạch vữa ngang nhỏ, chiều dày 5÷6mm, mảng tường gần hồn tồn ngun vẹn, không xuất khe nứt Nhưng mảng tường bên trong, chiều dày mạch vữa ngang lớn 1cm, phổ biến chiều dày mạch vữa đạt đến 12÷15mm, số mảng tường xuất khe nứt mạch vữa ngang Ảnh hưởng điều kiện xây có giằng: Khi xây tường tuân thủ cách xây dọc ngang dọc ngang, nghĩa xây có giằng tạo khối xây tường thành khối toàn khối thống Khi xây thiếu giằng chịu lực nén, khối xây tường tách thành cột nhỏ, có độ mảnh lớn làm giảm yếu khả chịu lực khối xây, dễ làm xuất khe nứt qua mạch vữa đứng, truyền qua mạch vữa ngang qua gạch Trong khối xây tường chịu nén, tải trọng tiết diện khối xây phân bố không đều, phổ biến tải trọng truyền lệch tâm, khe nứt thường xuất khối xây thiếu giằng, mà nguyên nhân để ý tới Ảnh hưởng mạch vữa đứng: Mạch vữa đứng chiếm 8% diện tích tiết diện ngang khối xây tường Lực dính vữa với gạch mạch vữa đứng không ảnh hưởng đến cường độ khối xây chịu nén Khi xây người thợ khả bít kín mạch vữa đứng, tính tốn kết cấu khối xây gạch đá khơng xét tham gia chịu lực mạch vữa đứng, từ vết nứt xuất phát từ mạch vữa đứng (khơng bít kín) xuống cắt qua mạch vữa ngang viên gạch có cường độ thấp tiếp tục cắt qua gạch Vì vậy, trình độ người thợ xây ảnh hưởng lớn đến chất lượng khối xây Tóm lại, cơng trình cổ qui mơ lớn, cơng trình nhà phố cổ sử dụng 100 năm, lưu lại TP.HCM có xảy tượng xuất 259 khe nứt, khe nứt đa dạng, khơng phải từ nguyên nhân mà nhiều nguyên nhân tổng hợp gây ra, xuất phát từ nhân tố tác động Vì để sâu tìm nguyên nhân xuất khe nứt khối xây gạch đá cần phân tích cụ thể nhân tố ảnh hưởng Hiện nay, vấn đề xuất khe nứt khối xây tường quan tâm nhiều xuất khe nứt khối xây tường, xây chèn mặt phẳng khung nhà cao tầng Phân tích xuất khe nứt khối xây tường chèn nhà khung cao tầng TP.HCM 2.1 Tường gạch xây chèn nhà khung tạo cấu kiện khung tường Điều kiện làm việc khối xây gạch đá làm tường xây chèn nhà khung, khác với điều kiện làm việc bình thường khối xây gạch đá kết cấu tường chịu lực Nếu tải trọng gây lực nén lớn khối xây tường chịu lực, khối xây tường xây chèn khung, tải trọng gây lực nén khối xây không đáng kể Trong nhà khung cao tầng, cao trình tầng bố trí dầm sàn, tựa lên cột phần chịu lực khối xây chèn, cao tầng Khi chiều cao tầng đến 4m, tải trọng trọng lượng thân khối xây tiết diện có ứng suất lớn nhất, tạo ứng suất nén không kgf/cm2, gây nguy hiểm cho cường độ khối xây chèn Ngược lại, tải trọng gió tác dụng vào nhà khung cao tầng lại gây ứng suất đáng kể khối xây chèn khung – tường Tải trọng gió tác dụng vào tường, tác dụng mặt phẳng tường, lúc ứng suất gây khối xây chèn làm việc ngồi mặt phẳng khơng đáng kể, khơng gây nguy hiểm cho cường độ khối xây tường Tải trọng gió tác dụng vào tường trong, tác dụng mặt phẳng tường, lúc ứng suất gây khối xây chèn đáng kể, cần quan tâm 260 Tải trọng gió gây độ võng nghiêng nhà Trị số độ võng xác định độ cứng kết cấu chịu lực đứng cơng trình Trong nhà khung cao tầng, nhiệm vụ kết cấu chịu lực đứng bao gồm khung tường xây chèn thiết kế làm việc chịu tải trọng gió mặt phẳng khung tường Hình Sơ đồ khung tường làm việc chịu tải trọng gió Trong nhà khung thấp tầng chịu tải trọng gió, ứng suất xuất tiết diện tường chèn không lớn không cần thiết tăng tiết diện cấu kiện khung Trong nhà khung cao tầng ( 16 tầng), tải trọng gió tác dụng mặt phẳng khung gây ứng lực lớn, tác động vào khối xây chèn Như vậy, trường hợp cần thiết phân tích đặc biệt cường độ độ cứng kết cấu khung – tường Sự phân tích có ý nghĩa thiết thực quan trọng thiết kế nhà khung cao tầng Trong thực tế nước nước, thường giả thiết tải trọng gió xét khung chịu không truyền lực đến khối xây chèn Khối xây chèn có độ cứng định, cản trở chuyển vị ngang khung khối xây chèn chịu phần tải trọng gió Khi chịu tải trọng gió, khung khối xây tường chèn hình thành vết nứt độ cứng khối xây tường chèn bị giảm đi, khung bị biến dạng lớn 261 Nguyên nhân truyền lực vào khối xây chèn độ cứng nút khung khơng đủ khả chịu lực, tải trọng tác động truyền phần vào khối xây chèn Đặc biệt xét tải trọng động đất dạng tải trọng ngang tác dụng vào khung tường xây chèn Phân tích dạng tải trọng động đất khơng kiểm soát tải trọng ngang tác dụng mặt phẳng khung tường Khi mảng tường đặc mảng tường có lỗ cửa xuất vết nứt chéo nhà khung bị chuyển vị biến dạng lớn tạo Chuyển vị ngang nhà làm xuất vết nứt khung – tường xây chèn cịn lún khơng móng gây Theo kết thí nghiệm, độ cứng nhà khung – tường xây chèn 2, lần lớn độ cứng nhà khung khơng có tường xây chèn 2.2 Nhân tố ảnh hưởng đến chất lượng khối xây chèn Cường độ biến dạng khối xây chèn, khung chuyển vị ngang xác định trị số lực dính lực ma sát khối xây chèn Cường độ biến dạng phụ thuộc vào hàng loạt nhân tố, thí dụ đặc điểm loại gạch, loại vữa, điều kiện xây… Nếu sử dụng vữa xi măng khả chịu lực cao biến dạng giới hạn khối xây chèn Khơng thể sử dụng vữa có nhiều thành phần vôi làm tường khối xây chèn nhà khung cao tầng, khả chịu lực thấp biến dạng giới hạn vữa lớn Dạng viên gạch ảnh hưởng đến tính chất khối xây chèn Dùng viên gạch có chiều cao lớn chiều cao gạch thơng thường, khung chuyển vị ngang, độ cứng khối xây gạch có chiều cao viên gạch lớn lớn độ cứng khối xây gạch thơng thường Trong tường ngồi nhà khung dùng khối xây khối lớn, trị số uốn dọc ảnh hưởng đến khả chịu lực khối xây gần không đáng kể Khi dùng viên gạch kích thước nhỏ, tạo thành kết cấu nhiều lớp, chiều dày tường gỉảm, độ mảnh tăng lên, ổn định tường chịu ảnh 262 hưởng đáng kể khung chuyển vị Chất lượng khối xây chèn cịn phụ thuộc vào trình độ người thợ xây, có đảm bảo tính giằng, đảm bảo tính tồn khối khối xây hay khơng 2.3 Biến dạng hình thành vết nứt khung – tường xây chèn khung chuyển vị ngang Khi tải trọng gió tác động, khung chuyển vị ngang, phân giai đoạn trạng thái ứng suất khối xây chèn Giai đoạn 1: Khối xây chèn khung làm việc khối thống Theo mạch tiếp xúc khung khối xây lực dính chưa bị phá hoại, theo chu vi khối xây chèn chịu tác dụng ứng suất nén ứng suất kéo Trạng thái ứng suất giai đoạn kết thúc biến dạng nhỏ, ứng suất kéo gây bắt đầu hình thành vết nứt theo chu vi khối xây chèn Hình Ứng suất theo chu vi khối xây chèn khung chuyển vị gây giai đoạn Hình Chuyển vị ngang khung tường giai đoạn Giai đoạn 2: Sau hình thành vết nứt theo chu vi khối xây chèn, khung khối xây chèn khơng cịn khối thống Khi khung chuyển vị ngang đường chéo khối xây chèn co ngắn lại, đường chéo kiadãn dài Sự dãn dài đường chéo khối xây chèn làm xuất 263 phát triển vết nứt khối xây chèn Như vậy, giai đoạn 2, chuyển vị khung lớn chuyển vị khối xây chèn Hình Sơ đồ phân bố ứng suất theo chu vi khối xây giai đoạn Giai đoạn kết thúc xuất khe nứt lớn khe nứt tiếp tục phát triển, đường chéo nứt mở rộng lớn Trong trường hợp khối xây có lực dính nhỏ đồng thời với đường chéo nứt xuất vết nứt phụ xiên Giai đoạn 3: Cùng với việc tăng tải trọng, chiều dày chiều dài vết nứt chéo phát triển Ngoài vết nứt chéo, tăng tải trọng xuất vết nứt xiên vết nứt Cần nhận rõ sau hình thành vết nứt, khả chịu lực khối xây chèn chưa tận dụng hết Song vết nứt phát triển lớn, chiều rộng vết nứt đạt an=2÷3mm, lúc đến giới hạn không cho phép khai thác sử dụng nhà cách bình thường Hình Hình thành vết nứt khối xây tường chèn khung chuyển vị ngang 264 2.4 Sơ đồ đơn giản để tính khung – tường chịu tải trọng gió mặt phẳng Để xét làm việc khối xây chèn nhà khung cao tầng chịu tải trọng gió, làm việc khối xây chèn giai đoạn thay chéo, hướng dọc theo đường chéo liên kết khớp nút khung Theo sơ đồ khung làm việc với khối xây chèn Hình Sơ đồ đơn giản khung – tường chịu tải trọng gió có xét đến làm việc khối xây chèn Giải toán cách nghiêm chỉnh khó khăn, phương diện kết cấu hệ với chéo phi tuyến Do để đánh giá ảnh hưởng khối xây chèn dùng phương pháp đơn giản dùng phương pháp tương đối xác sau: Phương pháp đơn giản: Trong phương pháp đơn giản, tải trọng gió Qm tác dụng cao trình dầm tầng m, bao gồm thành phần Qmk khung chịu thành phần Qmtdo tường xây chèn chịu: Qm = Qmk + Qmt Trong thực tế, thường độ cứng khung tường chèn khác Khi 265 lực ngang Qm truyền vào cột khung tường chèn theo tỉ lệ độ cứng tương ứng Tường chèn thường có độ cứng lớn, nhiều trường hợp lớn độ cứng khung Và với lực Qmt xác định lực dọc nén X chéo nhà khung cao tầng Phương pháp đơn giản, dùng nhiều giả thiết gần độ tin cậy không cao, dùng phương pháp Phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến: Vì sơ đồ khung tường hệ phi tuyến, không dùng phương pháp phần tử hữu hạn tuyến tính giải Người ta áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến với giả thiết chéo túy chịu nén X Và khống chế cường độ chéo đến trạng thái giới hạn, ứng suất nén chéo đạt cường độ giới hạn khối xây chịu nén kx=Rkx Và khả chịu lực chéo triệt tiêu 2.5 Cấu kiện khung – tường có lỗ cửa Trạng thái ứng suất khối xây, khung tường chèn có lỗ cửa hình thành vết nứt, phân giai đoạn sau: Giai đoạn 1: Khung khối xây chèn khối thống Sự phá hoại xuất vết nứt theo chu vi mép mảng tường A gần với điểm đặt lực ngang N, Giai đoạn kết thúc ứng suất khu vực điểm đặt lực N đạt đến giá trị giới hạn Hình 7: Khối xây chèn khung tường có lỗ cửa 266 Giai đoạn 2: Sau xuất vết nứt mảng tường A, độ cứng mảng tường A theo phương tác dụng lực gần triệt tiêu Khi mảng tường A gần bị triệt tiêu mảng tường B bị xoay nghiêng Giai đoạn làm việc khối xây chèn kết thúc ứng suất mép mảng tường B đạt trị số giới hạn Như vậy, giai đoạn trạng thái ứng suất khối xây chèn có lỗ cửa kết thúc xuất vết nứt mảng tường A mảng tường B Hình Sơ đồ phân bố ứng suất giai đoạn Hình Sơ đồ phân bố ứng suất giai đoạn Giai đoạn 3: Tiếp tục tăng tải trọng, lớp tiết diện mảng tường A B xuất vết nứt xiên Đặc trưng hình thành khe nứt giai đoạn khối xây chèn cho thấy xuất lực trượt mạch tiếp xúc khung khối xây chèn Trạng thái ứng suất khối xây chèn phân giai đoạn tận dụng hết khả chịu lực khối xây chèn Hình 10 Sơ đổi biến dạng khối xây chèn giai đoạn chuyển vị 267 Qua giai đoạn trạng thái ứng suất có nhận xét: - Trong mảng tường A B có đường chéo co ngắn đường chéo dãn dài Như mảng tường chuyển vị ngang - Có tập trung biến dạng góc lỗ cửa góc phần mảng tường đặc, điều nói lên diện tập trung ứng suất - Khi tăng chiều rộng lỗ cửa khung chuyển vị, độ cứng khối xây chèn giảm yếu rõ rệt Quan sát đặc trưng khe nứt biến dạng khối xây cho phép xem làm việc khối xây chèn sau xuất vết nứt làm việc xiên chịu nén theo đường chéo mảng tường Trong toán tính khung khối xây chèn có lỗ cửa, thay mảng tường chéo phức tạp Để đơn giản hợp lý, thay khối xây chèn có lỗ cửa thực tế khối xây đặc có cường độ, độ cứng độ chuyển vị ngang tương đương Và khung tường có lỗ cửa thay chéo túy chịu nén 2.6 Cấu kiện khung – tường có lỗ cửa gia cường bê tơng cốt thép Sơ đồ khung tường xây chèn có lỗ cửa gia cường bê tông cốt thép (BTCT) xuất vết nứt theo chu vi thể hình 11 Hình 11 Sơ đồ hình thành vết nứt khối xây chèn có lỗ cửa đượcgia cường khung bê tông cốt thép Đối với khối xây chèn có lỗ cửa gia cường khung BTCT, xuất vết nứt đầu tiên, tải trọng tác dụng tăng trung bình lên 1,5÷2 lần 268 Gia cường khối xây chèn biện pháp gia cường, xuất vết nứt theo chu vi đầu tiên, gần không ảnh hưởng đến trị số chuyển vị ngang khung Gia cường độ cứng nút khung, nâng cao độ ngàm khung tương ứng nâng cao độ cứng khối xây chèn Biến dạng khối xây mép lỗ cửa biến dạng BTCT mảng tường B phát triển gần giống nhau, điều chứng tỏ khối xây mảng tường B cấu kiện BTCT chung làm việc đến trạng thái giới hạn Khung – tường có lỗ cửa gia cường BTCT thay mảng tường đặc, có cường độ độ cứng tương đương, sơ đồ tính tốn thay chéo túy chịu nén, khơng có momen uốn tác dụng đầu chéo TÀI LIỆU THAM KHẢO * Tài liệu tiếng Nga: Kết cấu gạch đá, S.A SÊMENXỐP, MASCƠVA 1953 Nghiên cứu cơng trình gạch đá, L.I.ƠNHIXÍCH, MASCƠVA 1949 Nghiên cứu nhà gạch đá chịu động đất, Nhiều tác giả, MASCƠVA 1962 Khối xây gạch đá nhà khung, S.V POLIACỐP, MASCƠVA 1956 Qui phạm tiêu chuẩn xây dựng kết cấu gạch đá, SNHÍP 84, 269 MASCƠVA 1998 * Tài liệu tiếng Việt: TCXDVN 323:2004, Nhà cao tầng – Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 5573:2011, Kết cấu gạch đá gạch đá có cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế ... gạch đá cần phân tích cụ thể nhân tố ảnh hưởng Hiện nay, vấn đề xuất khe nứt khối xây tường quan tâm nhiều xuất khe nứt khối xây tường, xây chèn mặt phẳng khung nhà cao tầng Phân tích xuất khe nứt. .. thường khối xây gạch đá kết cấu tường chịu lực Nếu tải trọng gây lực nén lớn khối xây tường chịu lực, khối xây tường xây chèn khung, tải trọng gây lực nén khối xây không đáng kể Trong nhà khung... dạng đáng kể khối xây tường, làm giảm cường độ khối xây Cơng trình có chiều dày mạch vữa ngang lớn khối xây sớm xuất khe nứt Cụ thể nhà thờ Đức Bà Sài Gịn, tường 258 ngồi theo chu vi cơng trình