3.3.1. Đặt vấn đề
Trong xây dựng nhà cao tầng sử dụng công nghệ ứng lực trước thường chỉ ứng lực trước cho các cấu kiện chịu uốn hay chịu kéo như sàn và dầm còn các cấu kiện khác như cột, vách thường sử dụng bê tông cốt thép không căng. Lực nén trước là một dạng tải trọng đặc biệt tác động vào kết cấu thường có giá trị lớn và gây ra những ứng suất và biến dạng không những trong cấu kiện ứng lực trước mà còn trong nhưng cấu kiện không ứng lực trước khác như cột và vách trong hệ kết cấu nhà cao tầng.
Tuy nhiên trong thiết kế tính toán thông thường các nhà thiết kế tách riêng từng sàn và chỉ tính ứng lực của cáp đối với sàn mà ít quan tâm đến ảnh hưởng của ứng lực trước đến các kết cấu khác như cột vách…
Câu hỏi đặt ra là khung nhà cao tầng khi có xét đến ảnh hưởng của cáp và không xét đến ảnh hưởng của cáp khác nhau ra sao? Vậy liệu chỉ xét ảnh hưởng của cáp đến các cấu kiện ứng lực trước mà bỏ qua những ảnh hưởng của chúng đến các kết cấu khác như trên thì có an toàn cho hệ kết cấu nhà cao tầng không?
Để làm sáng tỏ hơn vấn để trên sinh viên xét khung nhà một tầng với dầm ngang được ứng lực trước còn cột khung là kết cấu bê tông cốt thép không ứng lực trước. Như đã trình bày ở các chương trước thì để mô hình ảnh hưởng của cáp ứng lực trước vào kết cấu có thể sử dụng phương pháp cân bằng tải trọng và với khung nhà 1 tầng này giả thiết thành phần cân bằng của cáp ứng lực trước gồm thành phần lực hướng lên và thành phần lực nén tại nút khung. Phân tích khung với 2 trường hợp sau:
3.3.1.1. Trường hợp 1
Khung chịu tác động của tải trọng đứng (tĩnh tải và hoạt tải) và các thành phần ứng lực trước như Hình 3.14.
Hình 3.14 - Trường hợp khung chịu tải trọng đứng và thành phần ứng lực trước Nhận xét 1
Trong trường hợp khung chịu tải trọng đứng (tĩnh tải + hoạt tải) thì khi có xét thành phần ứng lực trước trong khung thì mômen trong vách nhỏ hơn khi không xét đến ứng lực trước.
3.3.1.2. Trường hợp 2
Khung chịu tác động của tải trọng ngang (tải trọng gió hoặc động đất) và các thành phần ứng lực trước như Hình 3.15
MÔMEN DO TẢI TRỌNG ĐỨNG
MÔMEN DO LỰC NÉN CÁP
MÔMEN DO TẢI TRỌNG CÂN BẰNG HƯỚNG LÊN
MOÂMEN TOÅNG SAU CUỉNG
Hình 3.15 - Trường hợp khung chịu tải trọng ngang và thành phần ứng lực trước Nhận xét 2
Trong trường khung chịu tải trọng ngang thì khi có xét đến ảnh hưởng của ứng lực trước thì mômen trong cột lại tăng lên đáng kể so với trường hợp không có xét như
Từ 2 trường hợp phân tích ở trên, chúng ta dễ dàng nhận thấy trong tổ hợp nội lực cần phải xét đến thành phần ứng lực trước ảnh hưởng đến kết cấu khung để tránh những sai lầm đáng tiếc trong kết quả tính toán và bố trí cốt thép cho thành phần kết cấu chịu lực còn lại không ứng lực trước như cột và vách…
3.3.2. Quy trình thiết kế
Bước 1: Tách riêng thiết kế các cấu kiện ứng lực trước trong kết cấu
MÔMEN DO LỰC NÉN CÁP
MÔMEN DO TẢI TRỌNG CÂN BẰNG HƯỚNG LÊN
MOÂMEN TOÅNG SAU CUỉNG
MÔMEN DO TẢI TRỌNG NGANG NHƯ GIÓ HAY ĐỘNG ĐẤT
Bước 2: Xác định tải trọng cân bằng của thành phần ứng lực trước
Từ hình dạng cáp, số lượng cáp trong từng dải trên cột và dải giữa nhịp trong sàn ta quy về tải trọng tương đương bằng phương pháp cân bằng tải trọng mà sinh viên đã nêu ở Mục Error! Reference source not found. của đồ án này.
Bước 3: Mô hình khung với các phần tải trọng ứng lực trước
Sau khi quy đổi cáp về tải trọng tương đương ta đưa các tải trọng này vào tính toán kết cấu toàn bộ khung.
Bước 4: Tổ hợp nội lực
Thành phần ứng lực trước luôn tồn tại trong kết cấu nên có thể xem là tỉnh tải. Do đó khi tổ hợp nội lực lấy hệ số tổ hợp là 1 và tuân thủ theo TCVN 9386 – 2012: Thiết kế công trình chịu động đất.
Bước 5: Tính toán và bố trí thép cho cấu kiện không ứng lực trước.
3.3.3. Một số lưu ý khi xét ảnh hưởng thành phần ứng lực trước trong kết cấu nhà cao tầng
Việc mô hình toàn bộ kết cấu và chất vào mô hình các tải tính toán lên công trình là không phù hợp với điều kiện làm việc thực của công trình.
Vì thực chất là công trình được xây từng tầng. Do đó tải trọng của tầng trên chỉ ảnh hưởng đến tầng dưới nó. Trong trường hợp mô hình cả công trình thì tải trọng tầng dưới tác dụng cả tầng dưới lẫn tầng trên nó. Do đó việc mô hình hóa toàn bộ kết cấu với các tải trọng tương ứng như hiện nay đang tính toán là chưa chính xác.
Tương tự thì ảnh hưởng của ứng lực trước trong công trình cũng vậy, việc kéo cáp theo từng tầng, trong trường này các tầng trên vẫn chưa được thi công do đó ứng lực trước chỉ tác dụng lên các tầng phía dưới nó mà không tác dụng lên tầng trên nó. Để cụ thể hơn sinh viên minh họa bằng hình vẽ sau:
- Khi ứng lực trước tầng thứ N thì cột tầng thứ N sẽ bị chuyển vị một đoạn là .
- Khi xây tiếp tầng thứ N+1 thì thành phần lực ứng lực trước của tầng thứ N không còn ảnh hưởng đến tầng thứ N+1 nữa. Vì thực chất là xây lên một cột đã bị chuyển vị trước.
- Tương tự khi xây tiếp tầng thứ N+2 thì thì thành phần lực nén của tầng thứ N+2 chỉ ảnh hưởng đến tầng thứ N và N+1 mà không ảnh hưởng đến tầng N+3
Do đó khi xét đến ảnh hưởng của thành phần ứng lực trước ta phải xét đến các giai đoạn thi công và trình tự căng cáp.
Tuy nhiên do thời gian làm đồ án không cho phép nên trong đồ án sinh viên chấp nhận giả thiết quan niệm tính toán kết cấu truyền thống là giả thiết đã có toàn bộ công trình và chất các tải tương ứng lên công trình đó.
Taàng N
Taàng N Taàng N+1
Taàng N Taàng N+1
Taàng N+2
3.3.4. Các giả thiết khi tính toán cho mô hình công trình
Sàn là tuyệt đối cứng trong mặt phẳng của nó (mặt phẳng ngang). Không kể biến dạng cong (ngoài mặt phẳng sàn) lên các phần tử. Bỏ qua sự ảnh hưởng độ cứng uốn của sàn tầng này đến các sàn tầng kế bên.
Mọi thành phần hệ chịu lực trên từng tầng đều có chuyển vị ngang như nhau. Các cột đều được ngàm tại chân cột ngay tại mặt đài móng.
Khi tải trọng ngang tác dụng thì tải trọng tác dụng này truyền vào công trình dưới dạng lực phân bố đều trên các sàn và sàn truyền các lực này sang hệ vách. Biến dạng dọc trục của sàn, của dầm xem như là không đáng kể và được bỏ qua trong tính toán.