Phần mở đầu Chƣơng I: Tổng quan Chƣơng II: Thiết kế cột BTCT tiết diện hình chữ L Chƣơng III: Phân tích sự làm việc của cột bê tông cốt thép có tiết diện chữ L trong nhà cao tầng Phần Kết luận và kiến nghị 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giải pháp kết cấu cho cột Bê tông cốt thép trong nhà cao tầng trên thế giới và tại Việt Nam Phát triển chung cƣ cao tầng từ lâu đã trở thành xu hƣớng tất yếu trên thế giới và ở Việt Nam không là ngoại lệ. Giải pháp kết cấu và vật liệu đối với nhà cao tầng đƣợc lựa chọn có thể là kết cấu khung bê tông cốt thép chịu lực, kết cấu thép hay kết cấu liên hợp bê tông cốt thép. Cho đến hiện nay giải pháp kết cấu và vật liệu của phần lớn các nhà cao tầng tại Việt Nam chủ yếu vẫn là kết cấu khung bê tông cốt thép chịu lực.
Giải pháp này là phù hợp hơn cả với trình độ thiết kế và thi công của Việt Nam.Tuy nhiên, việc các cấu kiện chịu lực có kích thƣớc lớn, đặc biệt là cấu kiện cột đã dẫn đến giảm không gian sử dụng của công trình. Ngoài ra khi sử dụng cột tiết diện hình vuông, hoặc hình chữ nhật thì hiệu quả trong kháng chấn đạt đƣợc chƣa cao do mômen quán tính trong giới hạn đàn hồi thấp hơn so với cột dạng vách, dạng chữ L hay chữ V,. Tiết diện Tiết diện Tiết diện Cột dạng Tiết diện Tiết diện chữ nhật vuông hình tròn vách chữ L chữ V Hình 1.1 Một số loại tiết diện cột bê tông cốt thép Việc lựa chọn tiết diện cột dạng hình vuông, hình chữ nhật, dạng vách, chữ V hay chữ L,.luôn là một điểm đáng lƣu tâm của ngƣời kỹ sƣ thiết kế. Một mặt đảm bảo cho công trình an toàn nhƣng mặt khác cũng phải đảm bảo yêu cầu kiến trúc và tăng không gian sử dụng cho công trình.
Với ƣu điểm nhƣ trên, hiện nay, nhiều công trình nhà cao tầng đã sử dụng giải pháp kết cấu 4 cột tiết diện dạng chữ V, chữ L, ví dụ công trình "Nhà ở xã hội Rice City Linh Đàm"; "Chung cƣ CT2 - Twin towers" - Khu đô thị Tây Nam bán đảo Linh Đảm;. Cột góc căn hộ tiết diện chữ L Hình 1.2 Nhà ở xã hội Rice City Linh Đàm 5 Hình 1.3 Vị trí góc căn hộ sử dụng cột chữ L 1. Hiệu quả khi sử dụng cột tiết diện chữ L trong công trình nhà cao tầng Trong các công trình nhà cao tầng bê tông cốt thép, cột có hình dạng chữ L đƣợc sử dụng một cách hiệu quả ở các góc đơn nguyên kiến trúc nhƣ là văn phòng, phòng ở. So với tiết diện cột truyền thống hình dạng chữ nhật với cùng diện tích tiết diện ngang, có thể liệt kê đƣợc hai ƣu điểm nêu dƣới đây của cột có tiết diện dạng chữ L.
Thứ nhất, cánh của cột đƣợc thể hiện thiết kế với bề rộng đủ nhỏ để giấu trong khối xây tƣờng, đảm bảo yêu cầu kiến trúc và tiết kiệm diện tích sử dụng. Thứ hai, với mô men quán tính trong giới hạn đàn hồi 6 lớn hơn của mặt cắt, những cột dạng này làm tăng tính chống uốn của kết cấu công trình, giảm chuyển vị ngang tổng thể và độ dịch chuyển ngang từng tầng gây bởi tải trọng ngang nhƣ gió hoặc động đất. Một nhƣợc điểm với cột có tiết diện chữ L là khả năng chống động đất. Dƣới tác dụng điều kiện gia tải, dƣới sự tập trung nhiều ứng suất nén gây ra từ mô men uốn kết hợp với lực dọc trục có thể dẫn đến phá hoại cục bộ hoặc sự mất ổn định của cánh chịu nén, điều đó chỉ ra sự giảm trong độ cứng chống uốn và độ bền.
Ngoài ra sự giảm của độ cứng chống xoắn và cắt thuần túy tác dụng của các loại cột dẫn có thể đến sự phá hủy đột ngột ở một vài bộ phận chính của công trình có độ lệch tâm cao. Tổng quan về các kết quả nghiên cứu cột BTCT tiết diện chữ L Hiện nay, tại Việt Nam và trên thế giới có ít các nghiên cứu về ứng xử chịu động đất của cấu kiện cột bê tông cốt thép tiết diện chữ L. Có thể liệt kê ra một số nghiên cứu nêu dƣới đây. + Nghiên cứu của Ramamurthy và Khan(1): Các tác giả tiến hành loạt thí nghiệm trên cột bê tông cốt thép có mặt cắt chữ L và hình chữ nhật nhằm xác định sức kháng của cột khi chịu nén lệch tâm xiên.
Kết quả thí nghiệm cho thấy dạng phá hoại cũng tƣơng đồng nhƣ nghiên cứu của Hsu. Sức kháng của cột có mặt cắt chữ L không chênh lệch nhiều so với mặt cắt có tiết diện chữ nhật “quy đổi”.4 Sơ đồ thí nghiệm Hình 1.5 So sánh giữa cột chữ L và cột hình vuông + Nghiên cứu của Hsu(2): Hsu đã đề xuất các công thức giải tích và tiến hành chuỗi thí nghiệm trên 10 cột ngắn bê tông cốt thép có tiết diện chữ L dƣới tác dụng nén lệch tâm xiên. Mẫu cột chữ L liên kết cứng ở hai đầu đƣợc thí nghiệm tĩnh đến phá hoại. Kết quả thí nghiệm cho thấy các mẫu bị phá hủy theo khi chịu với các vết nứt ngang xuất hiện ở giữa cột và một vài vết nứt nhỏ xuất hiện dọc theo chiều dài cột.6 Mẫu thí nghiệm Hình 1.7 Mặt cắt ngang của cột 9 Hình 1.8 Cột trước và sau thí nghiệm Hình 1.9 So sánh kết quả thí nghiệm và giải tích + Nghiên cứu của Li và Phạm(3): Các tác giả đã tiến hành thí nghiệm với 10 mẫu cột bê tông cốt thép chịu đồng thời tải trọng nén đúng tâm và tải trọng lặp theo phƣơng ngang.
Quan sát kết quả thí nghiệm cho thấy có 2 dạng phá hoại đối với cột: dạng phá hoại chẻ dọc thân cột và uốn ở 2 đầu cột. Khác với cột có tiết diện chữ nhật, lực nén dọc không ảnh hƣởng đến sức kháng cắt của cột. Phƣơng của tải trọng ngang tác dụng lên cột ảnh hƣởng khá rõ ràng tới sức kháng cắt của cột.10 Sơ đồ thí nghiệm và chi tiết các mẫu 11 Hình 1.11 Dạng phá hoại của cột có mặt cắt chữ L + Aman(4) thực hiện bốn thí nghiệm gần nhƣ tĩnh trên bốn bức tƣờng tiết diện chữ L bằng bê tông chịu cắt dƣới sự tác dụng của tải dọc trục kết hợp tải trọng tuần hoàn. Các mẫu thí nghiệm này có thể phân loại nhƣ kết cấu bán lắp ghép đƣợc xây dựng các tấm panel chế tạo trƣớc làm việc nhƣ một dạng bê tông trong thời gian xây dựng.
Tác giả đã báo cáo rằng tất cả các mẫu thử bị phá hủy uốn với một vài vết nứt phồng ở thép dọc tại mép cánh tự do song song với hƣớng của tải trọng ngang. Ngoài ra, sự giảm độ bền của các mẫu gần điểm phá hủy rõ ràng hơn bởi giá trị đỉnh của tải tuần hoàn ngang giảm đáng kể. + Nguyễn Xuân Huy, Phạm Xuân Đạt và Lƣơng Xuân Chiều(5) đã thực hiện thí nghiệm với 05 tổ mẫu, mỗi tổ mẫu bao gồm 02 cột với cùng thông số kết cấu đƣợc thử nghiệm phá hủy bằng cách dùng bàn rung để nghiên cứu tác dụng của động đất đối với từng loại tiết diện cột. Mẫu thí nghiệm đƣợc thiết kế với tỷ lệ ¼ từ cột của tòa nhà, các mẫu đƣợc đúc cùng một diện tích mặt cắt, hàm lƣợng cốt thép nhƣng khác nhau về hình dạng mặt cắt, bao gồm hình chữ L, chữ V và hình vuông truyền thống.
Quá trình gia tải đƣợc tăng liên tục đến đỉnh gia tốc. Thông qua thí nghiệm đã kiểm tra đƣợc sự ảnh hƣởng của hình dạng mặt cắt ngang của cột đến khả năng chống động đất của công trình cũng nhƣ dạng phá hoại của nó. Một số thông số đầu vào của nghiên cứu này đƣợc thể hiện hình 1.12 Mặt cắt các tiết diện cột trong thí nghiệm Hình 1. Thực hiện thí nghiệm Hình 1.
Sơ đồ thí nghiệm Năm nhóm mẫu đều đƣợc tác dụng theo một phƣơng từ bàn rung với đỉnh gia tốc đồ tăng dần cho đến khi mẫu bị phá hoại. Ở bƣớc đầu tiên, đỉnh 13 gia tốc đồ đƣợc gán là 1 m / s 2. Ngoại trừ việc mất dữ liệu gia tốc đặt trên khối lƣợng của mẫu cột V-dài, mọi kết quả đều đƣợc thu về đầy đủ: (i) chuyển vị ngang ở đỉnh và chân mẫu, (ii) gia tốc của khối lƣợng của 4/5 mẫu, (iii) thông số biến dạng của các cốt thép. Sau mỗi bƣớc gia tải, sự phát triển của vết nứt đƣợc ghi lại trực tiếp trên mẫu.15 Mẫu sau thí nghiệm Hình 1.15 minh họa trạng thái phá hoại của các mẫu cột sau khi thí nghiệm.
Sự phá hoại của các mẫu khá đa dạng bao gồm các vết nứt ngang (do uốn), chéo (do cắt) tại các vị trí và ở những thời điểm khác nhau. Ngoài ra, cũng xuất hiện việc gãy đứt của cốt thép trong quá trình thí nghiệm đối với mẫu cột dạng hình vuông.1 Tóm tắt lại những kết quả chính trong quá trình thí nghiệm cũng nhƣ các quan sát hiện trƣờng của mỗi mẫu: giá trị gia tải lớn nhất, chuyển vị ngang tƣơng đối, dạng và thời điểm xuất hiện vết nứt. Kết quả thí nghiệm Dạng tiết diện Đỉnh gia tốc Chuyển vị tƣơng đối Dạng vết nứt và thời cột tác dụng lớn nhất theo phƣơng điểm tƣơng ứng (m/s2) ngang (mm) Vết nứt do uốn tại L- ngắn 8 56 4m/s2 Vết nứt do uốn tại Vuông 11 60.3 6 m/s2 Vết nứt do uốn tại V- ngắn 12 45.5 6 m/s2 Vết nứt do uốn tại V- dài 12 18.5 6 m/s2 Vết nứt do cắt tại 8m/s2 L -dài 12 15 Vết nứt do cắt tại 8m/s2 Kết luận đƣợc đƣa ra: - Các dạng cột tiết diện chữ L và chữ V có ứng xử động đất tốt so với cột dạng hình vuông truyền thống. Ngoại trừ mẫu cột L-ngắn, các dạng cột đặc biệt đều có thể tiếp tục chịu đƣợc lực động đất với đỉnh gia tốc lớn hơn so với cột vuông (20% ở cột V- ngắn và 50% ở cột V-dài và L- dài.
Ở trạng thái phá hoại do lực dọc, khi cột vuông gần nhƣ mất hết khả năng làm việc (xuất hiện vỡ bê tông diện rộng, cốt thép đứt), các cột dạng đặc biệt vẫn có chƣa bị phá hoại nghiêm trọng. Điều này có giá trị lớn trong việc thoát hiểm khi có động đất lớn. Cần ghi chú rằng vết nứt đầu tiên xuất hiện ở các mẫu đều ở đỉnh gia tốc đồ 6 m / s 2. 15 - Trong 5 nhóm mẫu tiến hành thí nghiệm, cột dạng V-dài là sự lựa chọn tốt nhất để thiết kế kháng chấn.
Ngoài ƣu điểm về kiến trúc, cột V-dài có độ cứng và sức kháng đối với lực dọc lớn.