CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG LẮP GHÉP 1. Sự khác biệt của hệ kết cấu bê tông lắp ghép Điều gì làm cho bê tông lắp ghép khác với các kết cấu bê tông khác? Bê tông lắp ghép có thể là bê tông cốt thép lắp ghép thông thường hoặc là bê tông được căng trước (ứng suất trước). Chỉ khi chúng ta xem xét vai trò của của bê tông trong sự phát triển các đặc trưng kết cấu thì bản chất lắp ghép của nó mới trở nên quan trọng. Định nghĩa đơn giản nhất cho bê tông đúc sẵn là bê tông đã được đúc, bảo dưỡng tại một vị trí không phải là điểm đặt cuối cùng của kết cấu.
Khoảng cách từ vị trí sản xuất tới điểm lắp đặt vào hệ kết cấu có thể chỉ là vài mét để giảm chi phí vận chuyển, hoặc cũng có thể cách hàng nghìn km trong trường hợp sản phẩm có giá trị cao, chi phí vận chuyển chiếm không nhiều trong giá thành. Ví dụ như khung bê tông lắp ghép được tạo dáng kiến trúc trong hình 1.1 được sản xuất cách địa điểm xây dựng là 600 km, trong khi đó các cột, dầm và tường bê tông lắp ghép trong hình 1.2a và b lại được sản xuất cách công trường 60m. Điều thực sự phân biệt giữa bê tông lắp ghép với bê tông đổ tại chỗ là phản ứng ứng suất – biến dạng của nó đối với ngoại lực tác dụng và biến đổi bên trong như co ngót (thay đổi thể tích). Những điều này được gọi chung là ‘tác động’ trong tiêu chuẩn Eurocodes, và những ứng dụng chính của kết cấu bê tông lắp ghép được quy định trong tiêu chuẩn EC0 (BS EN 1990 2002), tải trọng hoặc ‘tác động’ trong tiêu chuẩn EC1 (BS EN 1991-1-1 2002) và tiêu chuẩn ‘thiết kế kết cấu bê tông’ EC2 (BS EN 1992-1-1 2004).
Theo định nghĩa, một phần tử bê tông lắp ghép có kích thước hữu hạn và phải được liên kết với các phần tử khác để tạo thành một kết cấu hoàn chỉnh. Thông thường chỉ cần một gờ đỡ như trong Hình 1. Nhưng khi co ngót nhiệt hoặc biến dạng gây ra làm thay đổi thể tích (rút ngắn hoặc dài ra), hai phần tử lắp ghép sẽ dịch chuyển ra xa nhau (Hình 1. Ma sát của bề mặt tại vị trí ghép nối sẽ ngăn cản chuyển động này, nhưng như vậy cũng tạo ra một lực F = μR có khả năng làm nứt cả hai cấu kiện được liên kết trừ khi các tiết diện cấu kiện này được gia cố thích hợp (Hình 1.5a thể hiện một ví dụ nơi lực ma sát sinh ra do chuyển động giữa các tấm sàn 4 và dầm lắp ghép làm cho dầm bị nứt vỡ.
Trong trường hợp khác, mô men sinh ra do sự hạn chế của chuyển động tại mối nối đã gây ra nứt ở mặt ngoài của tấm sàn tại vị trí liên kết giữa cột với dầm lắp ghép như trong Hình 1. Khung bê tông lắp ghép được tạo dáng kiến trúc tại văn phòng Scottish, Leith, United Kingdom Các góc xoay của cấu kiện dầm làm giảm chiều dài tiếp xúc lb, việc này gây ra ứng suất tập và làm nứt tại đỉnh cột, trừ khi có miếng đệm được sử dụng để ngăn ứng suất tập trung (Hình 1. Nếu bề rộng dầm hẹp, sự phân tán ứng suất từ trong ra ngoài của cột sẽ gây ra biến dạng kéo bên, và dẫn đến vỡ bê tông bên dưới dầm trừ khi mặt cắt này được gia cường hợp lý (Hình 1.2: (a) Đúc tại chỗ sử dụng đúc chồng giữa các tấm Polythene Hình 1.2: (b) Kết cấu hoàn thiện bởi các cột và dầm và tấm tường lắp ghép 6 Hình 1. Gối đỡ thông thường liên kết giữa cột và dầm 7 Hình 1.
(a) Chuyển động không hạn chế giữa hai cấu kiến bê tông lắ ghép. (b) Hạn chế chuyển động nhưng không ngăn ngừa nứt do kéo. (c) Giảm chiều dài liên kết làm tăng ứng suất tập trung do góc quay do uốn.5 (a) Vỡ do chuyển dịch giữa các tấp sàn và dầm. (b) Nứt do ngăn cản tại liên kết giữa dầm và cột lắp ghép.
10 Nếu cột bị tác động bởi một tai nạn hoặc một lực kết cấu H với H > H, thì chuyển vị u sẽ không phải là chuyển vị đàn hồi phục hồi và có thể dấn tới mất ổn định hoặc thậm chí mất cả gối đỡ trừ khi gối đỡ có khả năng kháng cắt (Hình 1. Trường hợp móng của cột bị hỏng, mất gối đỡ cũng diễn ra trừ khi gối đỡ có khả năng chịu kéo (Hình 1. Trên đây là một số yếu tố phân biệt kết cấu bê tông lắp ghép với các dạng kết cấu bê tông khác. Sự làm việc của kết cấu bê tông lắp ghép Kết cấu bê tông lắp ghép hoàn chỉnh là một tập hợp các cấu kiện lắp ghép được kết nối phù hợp với nhau, tạo thành một khung ba chiều có khả năng chống lại tải trọng đứng và tải trọng gió (hoặc thậm chí cả động đất).
Kết cấu khung lắp ghép thường được sử dụng trong các tòa nhà như văn phòng, nhà đơn lẻ, bãi đỗ xe, trường học, sân vận động và các tòa nhà đòi hỏi không gian thông thoáng và không gian cho thuê đa chức năng. Lượng bê tông trong khung lắp ghép này ít hơn 4% tổng khối lượng của tòa nhà và 2/3 lượng bê tông này là các sàn lắp ghép. Trong trường hợp công trình là trung tâm mua sắm và bãi đỗ xe được thể hiện trong Hình 1.6, các cấu kiện bê tông lắp ghép đỡ các tải trọng thẳng đứng (tức là tải trọng trọng lực) là cột, dầm, tấm sàn, cầu thang và lõi cầu thang. Hệ khung này sẽ được ‘giằng’ để chống lại các tải trọng ngang (tức là tải trọng bên và áp lực gió) bằng cách sử dụng các ‘cột rất sâu’ (very deep columns) và các thanh giằng chéo.
Khung thể hiện trong Hình 1.7 được xây dựng bởi các cấu kiện tương tự, nhưng khả năng kháng tải trọng ngang được cung cấp bởi cùng các cột chịu tải trọng đứng, hệ khung và cột như vậy được phân là loại ‘không giằng’. Khung lắp ghép trong Hình 1.8 là tương tự một kết cấu cột, dầm và sàn, nhưng ở đây liên kết cột-dầm được thiết kế là liên kết cứng chịu mô men, và vì thế cường độ và độ cướng của các dầm và cột, khả năng chịu tải trọng ngang được cung cấp bởi sự làm việc của cả hệ khung, hiểu theo một cách đơn giản thì trong trường hợp này khung giống các khung bê tông đổ tại chỗ. Nét đặc trưng phân biệt khung lắp ghép là các liên kết giữa dầm-cột là liên kết cứng, hay nửa-cứng và vì vậy các cột sẽ chịu tác động của tải trọng ngang trong trường hợp khung không giằng như Hình 1. Các khung trong Hình 1.10 được xây dựng 11 xử dụng các cấu kiện tương tự, nhưng có sự sáng tạo ở mặt ngoài công trình và các khuôn lắp ghép đắt tiền, ngôi nhà này thể hiện một chức năng hoàn thiện cả về kiến trúc và kết cấu.
Hệ khung giằng ‘xương’ bê tông lắp ghép, Trung tâm bán lẻ và bãi đậu xe ‘Green Apple’, Helsinki. Các loại kết cấu khung lắp ghép này được gọi là kết cấu ‘xương’ (skeletal), đây sẽ là dạng kết cấu được thảo luận và thiết kế trong tài liệu này. Mặc dù các cột, dầm và sàn được nhìn thấy rõ trong Hình 1.10, nhưng kết cấu này lại chủ yếu là kết cấu ‘khung- tường’, nó khác với dạng ‘xương’ vì sử dụng các tấm tường với ba chức năng là: (1) tạo dáng kiến trúc, và chịu tải trọng (2) đứng và (3) ngang. Hệ kết cấu tường này không được thảo luận và thiết kế trong tài liệu này.7 Khung lắc 'xương' bê tông lắp ghép, Europark, Rome Hình 1.8 Khung ‘xương’ bê tông lắp ghép được biết tới là khung nửa cứng, Đại học Recife, Brazil.9 Kết cấu ‘ xương’ lắp ghép kết hợp với các cột kiến trúc và dầm sườn, Reading Business Park, Vương quốc Anh Hình 1.10 Khung ‘xương’ lắp ghép và ‘khung-tường’, Barwa City, Qatar.11 Sơ đồ truyền tải vào khung không giằng (lắc) do (a) trọng lưc (b) tải ngang 15 Trong Hình 1.11a, trọng lực gk (tĩnh tải [kN/m2]) và qk (hoạt tải hoặc tải đặt thêm [kN/m2]) truyền trực tiếp lên các tấm sàn gây ra uốn, cắt và một chút xoắn.
Các tải sàn này sau đó truyền lên các dầm (dạng cắt [kN/m2]); Tiếp theo truyền từ dầm xuống cột; và từ cột xuống móng (dạng lực nén N[kN]). Mô men uốn m [kNm] có thể xuất hiện trong cột do phản ứng dầm-cột, nhưng ở đây bỏ qua vì nó khá nhỏ so với mô men M do tải ngang Wk gây ra.11b, lực Wk (áp lực gió theo phương ngang [kN/m2]) tác động vào toàn bộ mặt ngoài của tòa nhà. Để kể đến sai số xây dựng lệch theo phương đứng, một lực Hi [kN] sai số ban đầu được cộng vào lực Wk [kN] tại mỗi mức sàn. Hi được định nghĩa và sử dụng trong thiết kế ổn định ở phần 6.
Tải trọng tuyết tính do sai số ban đầu hi = Hi/l [kN/m]. Các tải này được đặt tại các mức sàn. Nếu như chiều cao tầng là h [m] và chiều dài của mặt đón gió là l [mư, thì tổng lực đặt tại mỗi mức sàn sẽ là Wk+Hi=wkhl+hil [kN] (trừ tầng mái khi đó chiều cao tầng tính là h/2). Wk+Hi được truyền thông qua các sàn tầng, tác động dạng tấm (dạng lực cắt ngang f [kN]) đối với các dầm; từ các dầm (dạng lực cắt ngang F [kN]) tác động vào các cột; và từ các cột (dạng mô men M [kNm] và lực cắt ∑f [kN]) truyền xuống móng.
Biến dạng thứ cấp do chuyển vị e2 [m hoặc mm] gia tăng, lúc đó mô men tại chân công trình sẽ = M + m + Ne2. Bởi vì e2 tỷ lệ với h3, e2 tăng rất nhanh với chiều cao và vì vậy nó sẽ là nguyên nhân chính gây ra mô men tại chân công trình. Hình dạng biến dạng của cộ phụ thuộc vào bậc liên kết của cột với đài móng (các liên kết chống mô men uốn), và liên kết giữa dầm và cột. Tốt nhất thì liên kết giữa cột với móng mà dầm là liên kết cứng, khi đó hình dạng biến dạng của cột được thể hiện như Hình 1.
Xấu nhất thì liên kết giữa cột với móng và dầm là khớp, thì kết cấu thành hệ cơ cấu (biến hình) như Hình 1. Trong thực hành, hệ móng thường rất cứng (nhưng không vô cùng) và các dầm gần với khớp (nhưng vẫn có độ cứng) vì vậy hình dạng biến dạng của cột như Hình 1.