CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Giới thiệu chung về vách bê tông cốt thép 1. Khái niệm vách cứng BTCT Theo tiêu chuẩn thiết kế của một số quốc gia trên thế giới [6, 55, 57] những cấu kiện chịu tải được xem là vách cứng nếu thỏa mãn điều kiện lw ≥ hw /2 và lw ≥ 5h. Vách cứng bê tông cốt thép có thể được chế tạo bằng cách ghép côppha, lắp đặt cốt thép rồi đổ bê tông tại vị trí thiết kế của kết cấu trong công trình hoặc có thể được chế tạo bằng cách sản xuất các tấm tường trong nhà máy rồi tiến hành lắp ghép tại vị trí thiết kế.
Vách cứng chịu tải trọng ngang tác động song song với mặt phẳng của vách. Ngoài ra, khi tính toán mô men quán tính của vách cứng phải xét tới ảnh hưởng của các vách cứng nằm ở phương vuông góc liên kết với nó [55, 56]. Vách cứng chịu cắt có thể có nhiều hình dạng bao gồm vách phẳng, vách có cánh hoặc tiết diện hình lòng máng. Tiết diện vách phẳng là hình chữ nhật có hoặc không có các mở rộng ở vùng biên.
Tiết diện của các vách chịu cắt có cánh thường là hình chữ T hoặc chữ L. Vách bê tông cốt thép xung quanh lõi thang máy và giếng thang thường có tiết diện chữ C hoặc U (vách chịu cắt hình lòng máng) (Hình 1. Các thông số về kích thước vách thể hiện trong Hình 1.1, trong đó h là chiều dày vách; hw là chiều cao vách và lw là chiều dài vách. Các loại tiết diện ngang của vách chịu cắt 4 1.
Phân loại vách cứng * Phân loại vách cứng theo chiều cao Vách cao có tỉ số hw /lw ≥ 2 Vách thấp có tỉ số 0,33 ≤ hw /𝑙𝑤 ≤ 1 − 2 Vách đôi có dầm nối (tường kép) Vách có lỗ khoét Hình 1. Phân loại vách theo chiều cao * Phân loại vách cứng theo công năng sử dụng - Hệ kết cấu vách chịu lực phương đứng (Bearing walls): vách chịu gần như toàn bộ tải trọng đứng. Loại vách này thường gặp trong công trình nhà ở, được sử dụng như tường ngăn trong các căn hộ. - Vách chịu tải trọng đứng theo diện truyền tải và chịu toàn bộ tải trọng ngang.
* Phân loại vách cứng theo phương pháp thi công Vách bê tông cốt thép thi công toàn khối và vách thi công lắp ghép. Sự phá hoại của vách cứng Tùy vào hình dạng của vách (kích thước, tỉ số chiều cao/chiều rộng, cốt thép), dưới tác dụng của các loại tải trọng mà các cấu kiện vách có các cách ứng xử khác nhau. Nghĩa là ứng xử của vách ít nhiều phụ thuộc vào mối quan hệ giữa biến dạng uốn, biến dạng cắt và biến dạng dọc trục tại tiết diện của vách. Ngoài ra, cơ chế phức tạp như xoay tấm cứng do mất lực bám dính của cốt thép ở chân vách, ảnh hưởng của hiện tượng bó cốt thép, vết nứt, sự tập trung ứng suất, từ biến, hiện tượng tăng đột ngột độ cứng vùng kéo cũng có thể làm thay đổi ứng xử của vách.
Vấn đề này đã được trình bày trong nhiều nghiên cứu khác nhau [41], [73], [81], [85]. 5 Ví dụ, vách được sử dụng trong nhà cao tầng chủ yếu chịu uốn, với biến dạng tập trung tại những vị trí có mô men lớn, điển hình là vị trí mặt đất. Dạng phá hoại này được đặc trưng bởi những vết nứt ngang ở rìa của vách. Bên cạnh đó, trong nhà thấp tầng, kết cấu vách chủ yếu chịu cắt, thì những vết nứt chéo lại thường xuất hiện.
Tuy nhiên, những ứng xử này chủ yếu xuất hiện ở vách đơn đứng độc lập, khi vách làm việc kết hợp với các cấu kiện khác hoặc vách khác, ứng xử có thể thay đổi và tạo ra những dạng phá hoại khác nhau như uốn thuần túy hoặc cắt thuần túy. Vì kết cấu vách có ứng xử phức tạp nên đã có rất nhiều nghiên cứu lý thuyết cũng như nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trong những thập kỷ qua. Các nghiên cứu về vách đều tập trung mô phỏng cấu kiện này một cách tương đối đầy đủ, sao cho sát với sự làm việc thực tế nhất, tạo ra các mô hình phân tích tính toán để có thể dự báo được ứng xử và những đặc tính quan trọng của vách như sự tăng độ cứng của bê tông, hình thành vết nứt, hiện tượng mất lực bám dính và sự dịch chuyển của trục trung hòa. Thiết kế vách bê tông cốt thép theo một số tiêu chuẩn a.
Thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574-2018 [101] * Thiết kế vách theo phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi Phương pháp này chia vách thành những phần tử nhỏ, xem mỗi phần tử như cấu kiện chịu nén (kéo) đúng tâm, coi ứng suất phân bố đều trong mỗi phần tử. Phân chia vách để tính theo ứng suất đàn hồi a) Sơ đồ lực tác dụng; b) Phân chia các vùng trên tiết diện ngang vách; c) Ứng suất do lực dọc N; d) Ứng suất do mô men M. Các bước tính toán: Bước 1: Chia vách thành các phần tử nhỏ với kích thước ha, với a h và 0,5lw; a càng nhỏ thì độ chính xác càng cao. Nên chia vách thành 5 vùng bằng nhau, tiết diện mỗi vùng: h0,2 lw.
Bước 2: Xác định ứng suất trong mỗi phần tử do lực dọc N và mô men trong mặt phẳng M gây ra: - Ứng suất trung bình (kéo, nén) của mỗi vùng là: N M i yi (1.1) A I Trong đó: A = h lw; I = h lw 3/12; yi là khoảng cách từ tâm phần tử thứ i đến trục chính trung tâm. - Lực dọc kéo (nén) tác dụng vào phần tử thứ i: 7 Ni= 0,2 h lw i (1.2) Bước 3: Tính toán diện tích cốt thép chịu nén, kéo Cốt thép từng vùng phần tử tính như cấu kiện chịu kéo (nén) đúng tâm. * Phương pháp xây dựng biểu đồ tương tác Thực chất của phương pháp này coi vách làm việc như cấu kiện chịu nén lệch tâm. Nguyên tắc chung của phương pháp xây dựng biểu đồ tương tác là dựa vào biến dạng cực hạn của bê tông vùng nén và vị trí của trục trung hòa được thể hiện qua chiều cao vùng nén x, ta có thể xác định được trạng thái ứng suất trong bê tông và cốt thép trong vách, các ứng suất này tổng hợp lại thành một lực dọc và một mô men tại trọng tâm hình học của vách, chính là 1 điểm của biểu đồ tương tác.
Tập hợp các điểm này sẽ tạo thành một đường cong liên hệ giữa lực dọc N và mô men M. Vì biểu đồ tương tác là một đường cong, mỗi điểm trên đường cong tương ứng với một vị trí của trục trung hòa trên tiết diện vách. Ảnh hưởng lực dọc (N) trên ứng xử của tiết diện vách nhận thấy được qua biểu đồ tương tác N - M (N-M interaction chart) như ví dụ sau đây: Hình 1. Biểu đồ tương tác Năm điểm được nhận dạng trong biểu đồ tương tác ở Hình 1.4 là: 8 - Điểm A: nén thuần túy, không mômen uốn M =0; - Điểm B: nén + uốn lệch tâm nhỏ, tất cả cốt thép trên tiết diện đều chịu nén (x = chiều cao tiết diện): c = cu (bê tông) và t < y (thép); - Điểm C: phá hoại cân bằng, biến dạng lớn nhất của bê tông vùng nén đạt đến biến dạng cực hạn quy ước của bê tông đồng thời biến dạng lớn nhất của cốt thép đạt đến giới hạn chảy: c = cu (bê tông) và t = y (thép); - Điểm E: uốn thuần túy, không có lực dọc N=0.
b) Thiết kế theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318 - 2018 Phương pháp vùng biên chịu mô men cho rằng cốt thép đặt trong vùng biên ở hai đầu vách chịu toàn bộ mô men. Mô men tương đương một cặp ngẫu lực đặt tại hai vùng biên của vách. Lực dọc giả thiết là phân bố đều trên toàn bộ chiều dài mặt cắt ngang của vách. Phân chia vách để tính theo phương pháp vùng biên chịu mô men Các bước tính toán: Bước 1: Giả thiết chiều dài vùng biên Bt, Bp chịu mô men (Bt, Bp =0,2lw).
Mô men M tương đương một cặp ngẫu lực đặt ở hai vùng biên của vách. Bước 2: Xác định lực kéo, nén trong vùng biên của vách 9 Bước 3: Tính cốt thép chịu kéo, nén, trong mỗi đoạn vách như cấu kiện nén hoặc kéo đúng tâm. Bước 4: Kiểm tra hàm lượng cốt thép và bố trí cốt thép Bước 5: Kiểm tra phần vách còn lại giữa hai vùng biên như đối với cấu kiện chịu nén đúng tâm. Phương pháp giả thiết vùng biên chịu mô men tương tự như phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi, chỉ khác ở chỗ bố trí tập trung lượng cốt thép chịu toàn bộ mô men ở hai đầu vách.
Phương pháp này thích hợp với các trường hợp vách có tiết diện tăng cường ở hai đầu. Các mô hình phân tích vách bê tông cốt thép 1. Mô hình dầm tương đương Phương pháp đơn giản để mô hình hóa ứng xử phi tuyến của cấu kiện vách đó là sử dụng phần tử thanh (mô hình dầm hoặc mô hình dầm-cột). Nếu phương pháp này được sử dụng để mô hình hóa một tòa nhà, phần tử thanh mặc định được đặt ở trục tâm của vách và được liên kết với phần còn lại của hệ kết cấu bằng các liên kết cứng.
Trong các mô hình trước đây, phần tử thanh được mô hình hóa bằng cách sử dụng dầm đàn hồi với khớp dẻo. Các khớp này được thể hiện bởi các lò xo xoay đàn hồi phi tuyến đặt tại các đầu dầm [3]. Các dạng khác nhau của quy luật ngẫu nhiên có thể được sử dụng cho mối quan hệ mômen - góc xoay của mỗi liên kết phi tuyến. Ngoài ra, việc kể đến lò xo xoay phi tuyến khác tại đầu liên kết cứng có thể sử dụng để tính đến sự xoay cố định tại bề mặt liên kết bất kỳ [82].
Mô hình này đã được cải thiện để có thể mô phỏng thêm ứng xử khác xảy ra trong vách, Takayanagi và Schnobrich [82] vào năm 1976 đã giới thiệu một loại lò xo xoay phi tuyến bổ sung dựa trên lực cắt tại đầu mỗi phần tử thanh để mô phỏng biến dạng cắt. Và sau đó vào năm 1979 Soleimani và cộng sự [82a] đã đưa thêm vào ứng xử phi tuyến bằng việc sử dụng nhóm lò xo trong phần tử dầm. Keshavarzian và Schnobrich [49] đã kết hợp hiệu ứng của lực dọc và sự biến thiên của vùng phi tuyến.