CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG KÉP NHÀ NHIỀU TẦNG CÓ THIẾT BỊ GIẢM CHẤN 1.1 Tường kép bê tông cốt thép 1.1 Khái niệm, phân loại a. Khái niệm Trong nhà nhiều tầng, các kết cấu chịu lực theo phương thẳng đứng có dạng tấm với chiều rộng không nhỏ hơn một nửa chiều cao thông thủy của tầng (b ≥ 0,5H) và không nhỏ hơn năm lần độ dày của tấm (b ≥ 5t) được gọi là kết cấu tường hoặc kết cấu vách. Trong thực tế, kết cấu tường có thể là các tấm phẳng, tấm phẳng có phần mở rộng ở đầu, tấm phẳng kết hợp với các tấm tường theo phương vuông góc tạo thành kết cấu tường tiết diện chữ I, chữ H, chữ T, chữ C hoặc chữ L.1 Kết cấu tường trong nhà nhiều tầng 4 Đối với các công trình xây dựng cao tầng, kết cấu chịu tải trọng ngang có một ý nghĩa hết sức đặc biệt, đóng vai trò quan trọng trong hệ kết cấu chịu lực, nên các tấm tường chịu lực đều được thiết kế để chịu tải trọng ngang và tải trọng đứng. Do đó, trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn, tường chịu lực còn được hiểu theo nghĩa vách cứng hoặc tường chịu cắt [1].
Tường chịu cắt thường được bố trí đối xứng để giảm các tác động xoắn vào công trình. Khi tường chịu cắt được đặt ở những vị trí thuận lợi trong tòa nhà, kết cấu tường có thể tạo thành hệ thống chịu lực ngang hiệu quả bằng cách giảm chuyển vị khi chịu tải trọng động đất. Vì vậy, việc xác định vị trí tường chịu cắt hiệu quả và lý tưởng là rất cần thiết khi thiết kế. Các tường chịu lực hay bị giảm yếu bởi các lỗ trống xuyên qua bề dày của nó.
Khi tường có kích thước lớn hơn quy định (lớn hơn 8 m), có thể chia tường thành các tường nhỏ hơn, tạo ra tường kép (tường có các dãy lỗ) [2]. Thông thường các lỗ có dạng hình chữ nhật, có kích thước giống nhau và được bố trí cách nhau đều đặn.2 Tường kép Trong thực tế, kết cấu tường kép thường được thiết kế theo yêu cầu cho các cửa sổ trên các bức tường đầu hồi bên ngoài, hoặc cho các cửa ra vào hoặc hành lang trong các bức tường bên trong (Hình 1. Kết cấu tường kép bao gồm hai hay nhiều tường đơn 5 được kết nối bằng dầm hoặc các bản sàn theo chiều cao tầng. Các dầm được sử dụng để nối giữa hai tường đơn với nhau gọi là dầm nối.
Trong kết cấu tường kép, dầm nối làm tăng lực dọc trục, giảm mô men uốn trong tường và chuyển vị ngang của kết cấu. Đặc điểm chính của dầm nối là có khả năng chịu biến dạng lớn và chịu lực cắt là chủ yếu [4]. Các tường đơn được liên kết bởi dầm nối chịu cắt hoạt động như các dầm công xôn liên hợp chịu uốn quanh trục trọng tâm chung của tường. Nếu các dầm nối là cứng tuyệt đối, tường kép sẽ hoạt động như một công xôn lớn theo phương đứng.
Ứng suất pháp (kéo, nén) theo phương dọc trục gây ra bởi mô men tác dụng lên công xôn tổ hợp sẽ thay đổi tuyến tính với ứng suất nén và ứng suất kéo lớn nhất tại hai biên. Sự thay đổi ứng suất tuyến tính của tường kép được minh họa trong Hình 1. Khi các dầm nối liên kết hai tường đơn rất dễ bị biến dạng, từng tường đơn sẽ hoạt động như một công xôn theo phương đứng, với sự thay đổi ứng suất thể hiện như Hình 1. Ứng xử của tường kép sẽ ở giữa hai giới hạn này, Hình 1.3c thể hiện ứng suất của tường kép khi chịu tải trọng ngang.
Khi hai tường được liên kết bởi các dầm nối, từng tường đơn không còn làm việc như một công xôn theo phương đứng, mô men tác dụng sẽ ngăn cản tường đơn hoạt động như một cấu kiện độc lập, uốn quanh trục trung hòa của hai tường [3]. Khi tường biến dạng dưới tác dụng của tải trọng ngang, các đầu của dầm nối phải xoay và chuyển vị theo phương đứng, vì vậy dầm uốn theo đường cong và ngăn cản mô men uốn tự do của tường. Tác động uốn gây ra lực cắt trong dầm nối, tạo ra mô men uốn có chiều ngược lại với các mô men uốn bên ngoài tác dụng trên mỗi tường (Hình 1. Lực cắt cũng gây ra lực dọc bên trong hai tường, lực kéo và lực nén trong tường đón gió và khuất gió.
Mô men do gió M trong hai tường tại bất kỳ vị trí nào đều bị ngăn cản bởi tổng của mô men uốn M1 và M2 trong hai tường tại vị trí đó, và mô men gây ra bởi lực dọc Nl, với N là lực dọc trong mỗi tường và l là khoảng cách giữa hai trục trung tâm của hai tường đơn. 6 Trục trung hòa của từng tường đơn và tường kép a) Tường như một công xôn lớn b) Từng tường đơn hoạt động như một công xôn c) Tường kép Hình 1.3 Ứng suất của tường kép khi chịu tải trọng ngang [3] Thành phần Nl thể hiện mô men đảo chiều gây ra bởi sự uốn của dầm nối, ngược chiều mô men tự do của mỗi tường đơn. Giá trị này bằng 0 trong trường hợp các tường liên kết và đạt giá trị lớn nhất khi dầm nối là cứng tuyệt đối. Mô men sinh ra bởi các lực dọc (Nl) giúp làm giảm giá trị của mô men trong hai tường đơn nhờ hoạt động của dầm nối.4 Ứng xử của tường kép khi chịu tải trọng ngang M = M 1 + M 2 + Nl (1.1) 7 Do các dầm nối thường có tiết diện bé hơn nhiều so với tường, nên hệ tường kép làm việc phức tạp hơn so với hệ tường đơn.
Mô men trong các cột tường lớn nhất tại chân tường và giật cấp lên phía trên. Trong khi đó lực cắt lớn nhất xuất hiện tại một vị trí thường ở khoảng 1/3 đến 1/4 chiều cao tường (Hình 1.5 Lực cắt trong tường kép khi chịu tải trọng ngang [2] Theo TCVN 9386:2012 [1], kết cấu tường kép có hệ số ứng xử cao hơn kết cấu tường chịu cắt thông thường, có nghĩa là phản ứng với tác động của tường kép tốt hơn. Cụ thể, khi thiết kế nhà nhiều tầng, nhiều nhịp theo cấp dẻo kết cấu trung bình, hệ số ứng xử của hệ tường kép và tường thông thường tương ứng là 3,9 và 3,0. Với cấp dẻo kết cấu cao, hệ số ứng xử là 5,85 và 5,2 tương ứng với hệ tường kép và hệ không thuộc hệ tường kép.
Phân loại Tường kép có thể có một hoặc nhiều dãy lỗ (Hình 1. Số lượng, kích thước và vị trí các lỗ này trên chiều cao tường ảnh hưởng quyết định tới sự làm việc của tường. Do số lượng các dãy lỗ cửa quyết định cách thức làm việc và phương pháp tính toán tường, nên tường thường được phân biệt gồm có một dãy lỗ cửa và nhiều dãy lỗ cửa.6 Tường có một hoặc nhiều dãy lỗ Bên cạnh kết cấu tường có dãy lỗ liên kết cứng toàn bộ với nền, các yêu cầu về kiến trúc có thể quy định rằng tường cắt không liên kết liên tục với nền (Hình 1. Do đó, tường có thể được liên kết ở tầng thứ nhất trên một tập hợp các cột hoặc trên một khung cho phép xảy ra biến dạng tương đối ở chân tường.
Tương tự, nếu tường được đỡ trên các móng riêng lẻ hoặc các hệ thống móng khác tương tác trực tiếp với lớp đất bên dưới. Có thể xảy ra biến dạng xoay theo phương thẳng đứng tương đối ở chân đế. Những hiệu ứng này thường được mô hình hóa bằng lò xo tuyến tính hoặc xoay.7 Tường kép có móng riêng lẻ Ngoài ra, có thể phân biệt kết cấu tường có một dãy lỗ theo ba dạng làm việc chính dựa trên hệ số liền khối [5]: 9 - Tường có dãy lỗ có kích thước lớn 1: Trong trường hợp này độ cứng của dầm nối rất bé và cho phép bỏ qua mô men uốn tại các tiết diện liên kết ngàm với cột tường. Như vậy có thể xem các dầm nối làm việc như những thanh nối có khớp ở hai đầu (Hình 1.
Mô hình tính toán của kết cấu là các cột tường liên kết với nhau bằng các giằng [2].8 Mô hình tính toán tường có dãy lỗ có kích thước lớn - Tường có dãy lỗ có kích thước bé 10: Trường hợp này các dầm nối có độ cứng rất lớn và biến dạng của vách cứng sẽ tuân theo giả thiết tiết diện phẳng của Bernoulli. Mô hình đơn giản của tường có dãy lỗ bé là tường đặc bị giảm yếu bởi các lỗ (Hình 1. Trong mô hình này độ cứng của các dầm nối được xem là đủ lớn để có thể chấp nhận giả thiết tiết diện phẳng. - Tường có dãy lỗ có kích thước trung bình 1 10: Đây là trường hợp trung gian, biến dạng của tường khi chịu tải trọng ngang có dạng như trên Hình 1.
Tính toán tường có dãy lỗ có kích thước trung bình cần xét đến sự làm việc chịu uốn của các dầm nối.9 Tường có dãy lỗ có kích thước bé Hình 1.10 Tường có dãy lỗ có kích thước trung bình 1.2 Các nghiên cứu nổi bật về tường kép bê tông cốt thép Paulay và cộng sự (1969) đã tiến hành các thí nghiệm dầm chịu tải trọng tĩnh và điều hòa với các kiểu gia cường khác nhau [6]. Thông qua các nghiên cứu xác định được hai kiểu phá hoại do cắt chủ yếu xảy ra trong dầm nối được cấu tạo thông thường: phá hoại do kéo theo đường chéo và phá hoại trượt do cắt. Các kết quả thí nghiệm chỉ ra phá hoại 11 kéo theo đường chéo có thể xảy ra ở yêu cầu độ dẻo từ thấp đến trung bình ngay cả khi ban đầu dầm chịu uốn. Ngoài ra, đối với các dầm có tỷ lệ nhịp dầm trên chiều cao tiết diện dầm nhỏ và lượng lớn cốt thép đai được cấu tạo để gia cường chịu cắt, phá hoại trượt vẫn xảy ra ở các yêu cầu biến dạng cao hơn do tích lũy biến dạng dẻo trong cốt thép dọc và tích tụ hư hỏng của bê tông gần đầu dầm.
Để cải thiện độ dẻo của dầm nối, việc sử dụng cốt thép chéo trong dầm đã được đề xuất bởi Paulay và Binney (1974) [7]. Các thiết kế của dầm nối bê tông cốt thép chéo bao gồm cốt thép dọc và chéo, cốt thép chịu cắt và bê tông (Hình 1. Thanh chéo có thể được hình thành từ các thanh đơn hoặc một nhóm thanh thép. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng dầm nối bị phá hoại khi đặt cốt thép chéo chịu kéo.