Bài toán cột cắm trên dầm

 

Bài toán cột cắm trên dầm

Bài toán cột cắm trên dầm không chỉ bắt gặp ở các dự án lớn; một số công trình nhà ở gia đình do muốn thay đổi hình thức kiến trúc mà cũng có những trường hợp tương tự. Nhiều bạn lần đầu bắt gặp sẽ khá băn khoăn do việc tính toán cốt thép cột thường không thỏa mãn; chủ yếu tập trung ngay tại vị trí cột cắm trên dầm. Bài viết giải thích nguyên nhân và đưa ra một số hướng giải quyết.

Như đã nói ở trên, bài viết này tập trung vào trường hợp cột cắm trên dầm ở các công trình nhà ở gia đình có quy mô nhỏ; ảnh hưởng chủ yếu do tải trọng thẳng đứng gây nên. Là một "bài toán nhỏ" nhưng chứa đựng một nội dung rất kết cấu.

Đặt vấn đề

Trong quá trình thiết kế kết cấu, chúng ta vẫn thường gặp các trường hợp sàn mái đua ra quá dài do đó cần cắm thêm cột lên dầm tầng dưới để đỡ sàn phần kết cấu phía trên. Các cột được cắm thêm này thường có lực dọc không đáng kể nhưng nhiều khi đưa vào tính toán lại không đảm bảo khả năng chịu lực hoặc có diện tích thép yêu cầu rất lớn.

Nguyên nhân

Nguyên nhân chủ yếu là do độ võng (chuyển vị) của dầm dẫn đến chuyển vị xoay cưỡng bức tại chân cột làm cho mô men trong cột gia tăng đáng kể. Mặc dù có lực dọc nhỏ nhưng mô men trong cột lớn dẫn đến diện tích cốt thép yêu cầu lớn; khi hàm lượng cốt thép vượt quá hàm lượng tối đa cho phép (khoảng 4% đối với cột) thì được coi là cột không đảm bảo khả năng chịu lực.

Chuyển vị xoay tại chân cột ở những vị trí khác nhau.

Chuyển vị của cột cắm tại 1/4 dầm trong etabs.

Chuyển vị của cột cắm tại 1/2 dầm trong etabs.

Đề xuất cách giải quyết

Như đã trình bày ở trên, nguyên nhân chính gây nên mô men lớn trong chân cột chính là chuyển vị cưỡng bức của cột khi dầm bị võng dẫn đến chân cột bị xoay; do là chuyển vị cưỡng bức nên độ cứng càng lớn thì mô men cũng càng lớn và do đó việc tăng tiết diện cột trong trường hợp này không mang lại hiệu quả.

Để giảm momen trong cột, chúng ta cần tìm cách giảm chuyển vị xoay cưỡng bức tại chân cột. Có hai cách chúng ta có thể giảm góc xoay của chân cột đó là:

• Tăng tiết diện dầm để giảm độ võng của dầm, từ đó giảm góc xuay của chân cột
• Hoặc, thay đổi vị trí của cột trên dầm đến vị trí mà tại đó góc xoay của chân cột bé nhất

Chúng ta cùng xem 1 ví dụ để kiểm tra hiệu quả của các cách giải quyết.

Xây dựng 3 mô hình:

• Mô hình thứ nhất cột cắm tại 1/4 dầm.

• Mô hình thứ 2 cột cắm tại 1/2 dầm. 1/2 dầm là vị trí có độ võng lớn nhất nhưng lại có góc xoay bé nhất (đây là vị trí xấp xỉ vì thực tế phụ thuộc vào các nhịp liền kề và phân bố tải trọng mà vị trí cực trị có thể không nằm ở giữa dầm)

• Mô hình thứ 3 côt cắm tại 1/4 dầm và tăng chiều cao dầm để tăng độ cứng của dầm.

Kết quả của các trường hợp:

• Trường hợp 1: Cột cắm tại 1/4 dầm. Tại vị trí này momen của cột rất lớn tại vị trí chân cột.

Momen tại cột.

Chuyển vị tại chân cột.

Trường hợp 2: Di chuyển cột về vị trí 1/2 dầm. Momen trong cột đều hơn và không còn tập chung tại vị trí chân cột nữa. Tuy nhiên, độ võng và momen tại giữa dầm tăng lên.

Momen tại cột

Chuyển vị tại chân cột.

Trường hợp 3: Tăng độ cứng của dầm, mô men tại chân cột đã giảm so với trước khi tăng tiết diện dầm. 

Momen tại cột

Chuyển vị tại chân cột.

Trong 2 phương án thay đổi vị trí và thay đổi độ cứng dầm, mỗi phương án có một hạn chế riêng: như khi thay đổi vị trí cột sẽ dẫn đến nội lực và độ võng của dầm tăng, lúc đó bài toán được chuyển qua bài toán đảm bảo khả năng chịu lực và độ võng của dầm. Với phương án tăng độ cứng dầm, đây là một phương án an toàn tuy nhiên có thể sẽ ảnh hưởng đến phương án kiến trúc. Kết hợp hài hòa hợp lý giữa hai giải pháp sẽ mang đến một phương án kết cấu "đẹp nhất"

Lưu ý khi thiết kế

Thực tế, nếu lực dọc bé thì cột không phải là đối tượng đáng lo ngại. Bởi vì mô men lớn chỉ xuất hiện cục bộ ở chân cột; do đó, nếu tiết diện không đảm bảo khả năng chịu lực thì khi cốt thép bị dãn dài, chân cột sẽ chuyển sang dạng khớp dẻo; lúc đó sẽ dẫn tới sự phân phối lại nội lực và cột làm việc như trụ, thì với lực dọc bé cột vẫn có thể làm việc bình thường.

Cần tập trung vào đảm bảo khả năng chịu lực của dầm; trong đó bao gồm việc tăng cốt thép dọc so với tính toán để đảm bảo an toàn cũng như sự làm việc dài hạn của dầm. Bên cạnh đó cần chú ý tăng cốt đai chịu cắt so với các dầm khác