b) Trường hợp 2: nén lệch tâm bé khi o 0
6.3.4.1. Đặc trưng của vách cứng
(1) Định nghĩa: vách bê tơng cốt thép là cấu kiện kiểu “sàn đứng”, chỉ chịu các lực tác dụng trong mặt phẳng vách (in-plane loads), chiều dài vách tối thiểu bằng 4 lần chiều dày (L> 6b) và 1/3 lần chiều cao (L ≥ Hw/3).
(2) Vách cứng thƣờng đƣợc dùng để chống lực ngang trong cơng trình nhà cao
-174-
Hình 6. 6. Hình dạng vách cứng
a) Vách cứng dạng phẳng b) Vách cứng dạng hộp.
Nên tránh bố trí vách cứng bất thƣờng (irregularity) cả theo chiều cao cơng trình và mặt bằng nhằm tránh tác động xoắn lớn lên tổng thể cơng trình nhƣ các ví dụ dƣới đây:
a) Cơng trình dạng khơng đều theo phƣơng đứng (vertical irregularity).
b) Cơng trình dạng khơng đều theo mặt bằng: phƣơng án thiết kế khơng tốt.
c) Cơng trình dạng đều theo mặt bằng: phƣơng án thiết kế tốt. Hình 6. 7. Cách bố trí vách cứng theo chiều cao cơng trình và mặt bằng.
(3) Phân loại vách cứng:
Phân loại vách cứng theo chiều cao: vách cứng thƣờng đƣợc phân loại theo kích thƣớc hình học nhƣ sau:
-175-
- Vách cao - Flexural walls (Hw/L 2): thiết kếchống uốn là ƣu tiên do tỷ số M/Q lớn);
- Vách thấp - Squat walls (0,33<Hw/L <1-2): thiết kế chống cắt là ƣu tiên do M/Q nhỏ);
- Vách đơi cĩ dầm nối - Coupled walls; - Vách khoét lỗ - Punched walls.
a) Vách cao b) Vách thấp c) Vách đơi d) Vách khoét lỗ Hình 6. 8. Phân loại vách cứng theo chiều cao.
Phân loại vách cứng theo cơng năng: vách cứng đƣợc phân loại theo vị trí và
cơng năng trong cơng trình. Ba chức năng thơng dụng của vách cứng bê tơng cốt thép là:
- Hệ kết cấu vách chịu lực phƣơng đứng (Bearing walls): vách chịu gần nhƣ tồn bộ tải trọng đứng. Thƣờng gặp trong cơng trình nhà ở vì vách đƣợc sử dụng nhƣ các tƣờng ngăn các căn hộ.
- Hệ kết cấu khung - giằng (hệ khung + vách cứng) (Frame walls, dual system): vách cứng chủ yếu chịu tải trọng ngang và một phần tải trọng đứng, hệ khung chịu phần lớn tải trọng đứng.
- Hệ kết cấu lõi cứng (Core walls): vách cứng bao quanh hệ thống thang máy vận chuyển đứng.
-176-
Hình 6. 9. Bố trí vách cứng trên mặt bằng cơng trình.
(4) Ứng xử hệ khung-giằng (Frame-Wall Interaction)
Hình 6. 10. Ứng xử hệ khung vách.
- Biến dạng khung: biến dạng cắt chiếm ƣu thế; khả năng chịu tải ngang là do độ cứng các nút khung.
- Biến dạng vách cứng: cơ bản là biến dạng uốn; biến dạng cắt hầu nhƣ khơng đáng kể; chỉ cĩ ở trƣờng hợp vách rất thấp (0,33<Hw/L<1) thì kiểu phá hủy là biến dạng cắt. Vách ứng xử nhƣ một cơng xơn dài (slender cantilever).
-177-
Các nhận xét then chốt:
- Nhìn chung vách cứng trong hệ kết cấu nhà cao tầng chịu chủ yếu bị biến dạng uốn;
- Các giả thuyết bỏ qua sự chịu tải trọng ngang của khung cĩ thể dẫn đến kết quả sai sĩt lớn;
- Hệ kết cấu liên hợp khung + vách dẫn đến phƣơng án thiết kế kinh tế hơn; - Vách cứng nên đƣợc thiết kế vách cứng chống cả lực dọc + lực gây uốn + lực cắt;
- Sơ đồ bố trí mặt bằng các vách cứng là rất quan trọng cả cho các loại tải trọng đứng và ngang.
Hình 6. 11. Mơ hình cấu tạo hệ chịu lực của kết cấu nhà.
Kết luận:
Hệ khung - giằng (frame wall) nhƣ Hình 6.14 là hệ chịu lực hiệu quả và đƣợc ƣa thích trong thiết kế cơng trình chống động đất ở Mỹ và Nhật vì nĩ cung cấp một mức độ siêu tĩnh cao. Một ƣu điểm của hệ khung - giằng là vách cứng dùng để ngăn cản dạng “dầm yếu” hình thành trong khung bê tơng cốt thép, điều này cĩ nghĩa là về mặt lý thuyết cĩ thể nới lỏng yêu cầu khung bê tơng cốt thép là “cột cứng - dầm yếu” (xem Hình 6.14a), do đĩ ngƣời thiết kế cĩ thể tự do hơn để lựa chọn kích thƣớc dầm và cột.
-178-
Hệ khung - giằng đƣợc sử dụng phổ biến trong nhà thấp tầng và nhà cao trung bình (H<75m) cĩ vách cứng bố trí ở trung tâm (core wall).
Vách cao bê tơng cốt thép (Hw/L>2) thiết kế dẻo vừa cĩ thể tạo thành khớp dẻo uốn tại đáy mĩng với ứng xử dẻo gần bằng hệ khung bê tơng cốt thép thiết kế dẻo cao.
Vách cứng cĩ tiết diện ngang L >> 4b, do đĩ khơng dùng đƣợc các phƣơng pháp tính cốt thép của cột L 4b chịu nén lệch tâm.
Một hệ vách, lõi thƣờng bao gồm các thành phần nội lực: lực dọc N, mơ men
uốn trong mặt phẳng thẳng đứng song song với trục x là Mx, mơ men uốn trong mặt phẳng thẳng đứng song song với trục y là My, lực cắt theo phƣơng x là Qx, lực cắt theo phƣơng y là Qy (xem Hình 6.15). Trong thực tế thiết kế, chúng ta thƣờng tách vách cĩ cạnh dài theo phƣơng x sẽ chịu các thành phần nội lực: N, Mx, Qx (Hình 6.15b, bỏ qua các thành phần nội lực My, Qy, vì nhỏ), cịn vách cĩ cạnh dài theo phƣơng y sẽ chịu các thành phần nội lực: N, My, Qy.
Hình 6. 12. Các thành phần nội lực trong vách.
Việc tính tốn tác động đồng thời của cả mơ men và lực cắt rất phức tạp và khĩ thực hiện đƣợc. Đến nay trong các tiêu chuẩn thiết kế vẫn tách riêng việc tính tốn cốt dọc và cốt đai. Hiện nay việc tính tốn cốt dọc của vách cứng cĩ thể đƣợc tính tốn nhiều phƣơng pháp, nhƣng phổ biến là theo 4 phƣơng pháp sau:
(1)Phƣơng pháp phân bố ứng suất đàn hồi;
(2)Phƣơng pháp giả thiết vùng biên chịu mơ men; (3)Phƣơng pháp xây dựng biểu đồ tƣơng tác;
(4)Phƣơng pháp kiểm tra khả năng chịu lực cho vách cứng.
Mx x y My Qy Qx N L b Mx x y Qx N L b a) b)
-179-