6. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN
1.1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
1.1.3.1 ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU GIẰNG
Giằng là phương pháp có hiệu quả và kinh tế để chịu lực ngang trong kết cấu khung. Một hệ thống khung có giằng, các cột và dầm chịu lực đứng và các giằng
chéo để tạo cho toàn bộ kết cấu tạo ra một kết cấu giàn trên phương đứng để chịu lực ngang. Các dầm và giằng đóng vai trị các thanh bụng và các cột là các thanh biên của giàn. Giằng rất có hiệu quả do cấu kiện này chỉ chịu lực dọc nên cần diện tích nhỏ nhưng có khả năng cung cấp độ cứng lớn để chịu lực ngang.
Do tải trọng ngang trong kết cấu nhà có tính đảo chiều nên các bộ phận của hệ thống giằng sẽ tính tốn tuỳ thiết kế theo chiều tải trọng (thanh giằng chịu lực kéo và lực nén). Tuy nhiên, do kết cấu thép có khả năng chịu kéo cao nên khi thiết kế người thiết kế thường tính tốn theo trường hợp chịu nén, vì đây là trường hợp nguy hiểm hơn. Vì lý do này, các hệ thống giằng có các thanh giằng ngắn, ví dụ kiểu chữ K, có thể được ưu tiên hơn là kết cấu có chiều dài tồn đường chéo. Thanh giằng chịu nén trong kết cấu hai giằng chéo có thể được giả định là mất ổn định và lực cắt sẽ được chịu bởi các thanh giằng chéo chịu kéo.
Lợi thế quan trọng của các kết cấu giằng dạng tam giác (Hình 1.8 a-e) là mơ men và lực cắt trong dầm không phụ thuộc tải trọng ngang. Kết quả là kết cấu khung chỉ chịu lực đứng nên có thể cấu tạo tương tự nhau giữa các tầng từ dưới lên dẫn đến kinh tế trong thiết kế.
Trong kết cấu giằng có các thanh chéo được nối với dầm ở những vị trí cách khá xa đầu dầm (Hình 1.8 f-g), dầm nên được thiết kế như là dầm liên tục qua liên kết để giảm chi phí cho kết cấu giằng. Một lợi thế khác của kết cấu giằng này là, do các thanh giằng được nối một hoặc cả hai đầu vào dầm nên mềm hơn theo phương đứng dẫn đến không chịu nhiều lực khi cột ngắn lại do lực đứng.
Hệ thống giằng lệch tâm là hệ thống mà các thanh giằng không nối với nút chính (Hình 1.8 k-m) có thể được thiết kế trong kết cấu khung thép có u cầu tính dẻo cao để chịu động đất. Trong kết cấu này, giằng làm việc đàn hồi khi chịu gió hay động đất nhỏ. Khi chịu vượt tải hay các trận động đất lớn liên kết ngắn trong dầm nối giằng với cột làm việc như một “cầu chì” với biến dạng chảy do cắt để tạo ra ứng xử dẻo cho kết cấu. Kết cấu giằng kiểu đảm bảo cho kết cấu có độ cứng đàn hồi lớn đồng thời có khả năng phân tán năng lượng phi đàn hồi và có thể chịu được nhiều vịng lặp của tải trọng.
(a)
(f)
(k)
(b)
(l) (c) (h) (m) (d) (i) (n) (e) (j) (p)
(a) Kết cấu giằng chéo đơn
(c) Kết cấu giằng chéo tam giác thuận (e) Kết cấu giằng chữ K đúng tâm (i, j) Kết cấu giằng tam giác lệch tâm
(b) Kiểu kết cấu giằng chéo chữ X (d) Kết cấu giằng chéo tam giác nghịch (f, g, h) Kết cấu giằng hình thang (k, f,) Kết cấu giằng chéo đơn lệch tâm (m, n, p) Kết cấu giằng có thanh liên kết lệch tâm
(Nguồn Bungale S. Taranath, 2016 [4])
Hình 1.8 Các kiểu kết cấu giằng
Vai trò của các “thanh bụng” để chịu lực cắt trong kết cấu khung giằng có thể được thể hiện bằng dòng lực cắt được truyền giữa các tầng. Hình 1.9 thể hiện 4 dạng giằng chịu lực ngang. Bỏ qua hiệu ứng nhỏ của lực ngang tác dụng cục bộ trên từng tầng, sự truyền theo phương đứng của lực ngang tổng thể có thể được thể hiện trên hình này. Trên Hình 1.9a, thanh chéo ở từng tầng chịu nén làm cho dầm chịu kéo. Biến dạng co ngắn trên thanh giằng và biến dạng giãn trên dầm gây ra biến dạng cắt cho kết cấu.
Trên Hình 1.9b, nội lực trong các giằng nối từng dầm cân bằng nhau theo phương ngang làm cho dầm chịu lực dọc khơng đáng kể. Trên Hình 1.9c, một nửa dầm chịu nén và nửa cịn lại chịu kéo. Trên Hình 1.9d, các phần cuối của dầm chịu kéo và chịu nén và tồn dầm chịu uốn hai phía. Khi lực ngang đổi chiều, nội lực và biến dạng trong các bộ phận kết cấu giằng cũng sẽ đổi dấu.
Q A D Q (a) Q B C A D 0 0 (b) Q B C Q Q A E B E F B D F C G H C D (c)
(a) Kết cấu giằng đơn (c) kết cấu chữ K
Q (d) Q
(b) kết cấu giằng kép, (d) giằng kiểu chân ghế
(Nguồn Bungale S. Taranath, 2016 [4])
Hình 1.9 Sự phân bố dòng lực ngang qua các tầng.
A C (a) B D A C (b) B D A C 0 0 0 (c) B D A 0 0 E F (d) 0 B D C
(a) Sự làm việc của kết cấu giằng đơn (b) Sự làm việc của kết cấu giằng kép, (c) Sự làm việc của đầu dầm không nối với giằng chéo đơn
(d) Sự làm việc kết cấu giằng chéo tam giác
(Nguồn Bungale S. Taranath, 2016 [4])
Hình 1.10 Sự làm việc của giằng khi chịu lực đứng
Vai trò, của các thanh bụng trong kết cấu giằng khi chịu nén do kết cấu biến dạng theo phương đứng do tải trọng đứng cũng được xác định tương tự. Khi cột trên Hình 1.10a và Hình 1.10b bị ngắn lại, các thanh chéo bị nén. Trên Hình 1.10c, các đầu dầm khơng nối với giằng sẽ khơng có liên kết mơ men với cột. Do đó, dầm
khơng thể tạo ra ràng buộc theo phương ngang để sinh ra nội lực trong thanh giằng chéo. Tương tự, trên Hình 1.10d, ràng buộc theo phương đứng do độ cứng chịu uốn của dầm không lớn nên các thanh chéo tham gia chịu lực theo phương đứng không đáng kể. Nếu kiểu kết cấu giằng cho phép các thanh giằng chéo chịu lực nén do tải trọng đứng chúng cần được thiết kế để có thể chịu lực nén hoặc, để tránh các bất thường trong ứng xử chịu lực ngang của kết cấu do các thanh giằng bị mất ổn định, chúng cần được cấu tạo ngắn và được dự ứng lực kéo trong khi xây dựng.