Chương 1 TỔNG QUAN HỆ GIẰNG NHÀ THÉP VÀ TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 1.1 Hệ giằng Trong một tòa nhà đa tầng, hệ thống dầm và cột thường được sắp xế theo kiểu mô hình trực giao cả về mặt đứng và mặt ngang. Trong cấu trúc khung giằng, khả năng chịu lực ngang thường được cung cấp bởi hai hệ giằng chính: Thanh giằng dọc: Hệ giằng nằm trong mặt phẳng thẳng đứng (giữa các dòng cột) giúp định hình lối tải để chuyển lực ngang xuống mặt đất và đảm bảo sự ổn định ngang. Thanh giằng ngang: Ở mỗi tầng, hệ giằng nằm trong mặt phẳng ngang, thường được tạo ra bởi tác động của tấm sàn, tạo ra một đường tải để truyền các lực ngang (đặc biệt là từ các cột chu vi và tác động của gió) tới các mặt phẳng của giằng thẳng đứng. Đối với khả năng chống xoắn quanh trục thẳng đứng và để tạo ra lực cản trong cả hai hướng trong mặt phẳng, cần ít nhất ba mặt phẳng giằng thẳng đứng (ít nhất một mặt phẳng theo mỗi hướng trực giao).
Thông thường, có nhiều hơn ba vị trí được sử dụng. Hệ giằng dọc, được biểu diễn dưới dạng các thành phần thép chéo, đảm bảo sự ổn định trong tòa nhà đa tầng, như minh họa trong hình dưới. Việc đặt giằng gần các điểm xa nhất của cấu trúc là lựa chọn tốt nhất để chống lại tác động xoắn. Khi các bộ giằng giống nhau hoặc tương tự nhau, có thể giả định rằng các lực ngang được phân phối đều giữa các hệ giằng trong hệ thống giằng chính.
Tuy nhiên, nếu độ cứng của các hệ giằng thẳng đứng khác nhau hoặc chúng được đặt không đối xứng trên mặt đất, không nên giả định rằng lực được chia đều. Lực mà mỗi hệ giằng chịu có thể được tính bằng cách giả sử rằng sàn là dầm cứng và hệ giằng là lò xo hỗ trợ.1 Giằng dọc Trong nhà nhiều tầng có giằng, các mặt phẳng giằng thẳng đứng thường được cung cấp bằng giằng chéo giữa hai đường cột.1 Giàn côngxon Chú ý rằng khi sử dụng các đường chéo và giả sử chỉ có các đường chéo kéo mới tạo ra lực cản, các dầm sàn tham gia như một phần của hệ thống giằng (thực tế, tạo ra một giàn Pratt thẳng đứng với các đường chéo chịu lực căng và các trụ - dầm sàn - ở trạng thái nén). Hệ giằng dọc cần được thiết kế để chịu các lực từ: Tải trọng gió. Lực ngang tương đương, biểu thị ảnh hưởng của các khuyết tật ban đầu.
Hiệu ứng bậc hai do lắc lư (nếu khung nhạy cảm với hiệu ứng bậc hai). Hướng dẫn xác định các lực ngang tương đương và xem xét các hiệu ứng bậc hai được thảo luận trong các phần dưới đây và công cụ thiết kế ổn định khung cũng có sẵn. Lực trong từng phần của hệ thống giằng cần được xác định để có sự kết hợp tác động thích hợp. Đối với các cấu kiện giằng, lực thiết kế do sự kết hợp trong đó tải trọng động đất là tác động chính có thể là lực nguy hiểm nhất.
Nếu có thể, nên sử dụng các thanh giằng nghiêng khoảng 45°. Điều này mang lại một hệ thống hiệu quả với lực thành phần tương đối khiêm tốn so với các cách 6 bố trí khác và có nghĩa là các chi tiết kết nối ở nơi hệ giằng gặp các mối nối dầm/cột sẽ nhỏ gọn hơn. Hệ giằng hẹp với các bộ phận bên trong nghiêng dốc sẽ làm tăng độ nhạy lắc của kết cấu. Hệ thống giằng rộng sẽ mang lại kết cấu ổn định hơn.2 Giằng ngang Cần có một hệ giằng ngang ở mỗi tầng để truyền lực ngang, đặc biệt là các lực truyền từ các cột chu vi, sang các mặt phẳng của giằng thẳng đứng để tạo ra khả năng chịu lực ngang.
Trong khung giằng nhiều tầng, thường sử dụng hai loại hệ giằng ngang sau đây: Giằng khung: Đây là hệ giằng ngang trong mặt phẳng, thường được đặt giữa các đường cột. Chúng cung cấp đường dẫn tải để truyền lực ngang xuống mặt đất và giữ cho kết cấu ổn định ngang. Hệ giằng tam giác rời rạc: Loại hệ giằng này được hình thành từ các thành phần tam giác nằm ngang, thường được tạo ra bởi tác động của tấm sàn. Nó tạo ra đường dẫn tải để truyền các lực ngang (chủ yếu từ các cột chu vi và tác động của gió) tới các mặt phẳng của giằng thẳng đứng.
Thường thì, hệ thống sàn sẽ đủ để hoạt động như một màng ngăn mà không cần thêm giằng thép. Tuy nhiên, ở tầng mái, hệ giằng, thường được gọi là dầm gió, có thể cần chịu lực ngang ở đỉnh cột nếu không có giằng khung.2 Hệ giằng ngang (trên mái) trong nhà một tầng 7 1.2 Cấu tạo các hệ giằng cho nhà cao tầng kết cấu thép Các giằng chéo có ảnh hưởng cản trở đến quy hoạch kiến trúc và có thể sinh ra khó khăn trong việc tổ chức không gian bên trong và tổ chức giao thông cũng như trong bố trí cửa đi, cửa sổ. Vì vậy giằng thường được bố trí tập trung trong một số bộ phận kết cấu như lõi để giảm thiểu hạn chế cản trở kiến trúc trong khi vẫn thoả mãn yêu cầu kết cấu về chịu lực ngang và chịu xoắn của nhà. Ở nhiều vị trí, kiểu của giằng được lựa chọn chủ yếu từ cơ sở cho phép bố trí cửa.
Trong các nhà có chiều cao nhỏ đến trung bình không mảnh các kỹ sư có thể bố trí hệ thống giằng ở những vị trí không ảnh hưởng đến yếu tố kiến trúc. Trong kết cấu mảnh có chiều cao trung bình hay lớn vị trí của hệ thống chịu lực ngang là rất quan trọng. Do đó, kỹ sư và kiến trúc sư cần phối hợp với nhau trong các giai đoạn ban đầu của thiết kế. Các dạng kết cấu giằng có hiệu quả và ít cản trở đến kiến trúc nhưng cấu tạo của chúng có thể gây uốn trong dầm.
Một số chúng lại gây ra mô men uốn cả trong dầm và cột. Nói chung, các kiểu giằng gây ra mô men uốn trong dầm và cột khi chịu lực ngang có độ cứng ngang không lớn và, do đó, có hiệu quả kém hơn kết cấu giàn tam giác – là kết cấu chỉ gây ra lực dọc. Ứng xử của kết cấu giằng do tải trọng ngang trong kết cấu nhà có tính đảo chiều nên các bộ phận của hệ thống giằng sẽ tuỳ theo chiều tải trọng, chịu kéo và nén và cũng vì vậy chúng cần được thiết kế theo trường hợp chịu nén – 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 toàn 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 là mô 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.3 Các kiểu kết cấu giằng Trong kết cấu giằng có các thanh chéo được nối với dầm ở những vị trí cách khá xa đầu dầm (Hình 1.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 có thể được thiết kế trong kết cấu khung thép có yêu 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 vòng lặp của tải trọng.
Vai trò của các “thanh bụng” để chịu lực cắt trong kết cấu khung giằng có 9 thể được thể hiện bằng dòng lực cắt được truyền giữa các tầng.4 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.4a, 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.4 Sự phân bố dòng lực ngang qua các tầng. (a) Kết cấu giằng đơn, (b) kết cấu giằng kép, (c) kết cấu chữ K, (d) giằng kiểu chân ghế Trên Hình 1.4b, nội lực trong các giằng nối từng dầm cân bằng nhau theo phương ngang làm cho dầm chịu lực dọc không đáng kể.4c, một nửa dầm chịu nén và nửa còn lại chịu kéo.4d, các phần cuối của dầm chịu kéo và chịu nén và toàn 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.5 Sự làm việc của giằng khi chịu lực đứng Vai trò, nếu có 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 1.5b bị ngắn lại, các thanh chéo bị nén.5c, các đầu dầm không nối với giằng sẽ không có liên kết mô men với cột. Do đó, dầm không thể tạo ra ràng buộc theo phương ngang để sinh ra nội lực trong thanh giằng chéo. Tương tự, trên Hình 1.5d, 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.3 Ứng xử của khung có giằng Khung có giằng khi chịu lực ngang ứng xử như một giàn cong xon đứng.