Tại Sao Phải Bố Trí đai Cột Trong Nút Khung Nhà Cao Tầng?

Phần liên kết giữa dầm và cột (nút khung) đóng vai trò quan trọng trong việc bảo đảm cho các cấu kiện phát huy hết khả năng làm việc của chúng, bảo vệ công trình không bị sụp đổ khi các cấu kiện chưa bị phá hoại. Một nguyên tắc quan trọng trong thiết kế kết cấu là phải bảo đảm các liên kết không bị phá hoại trong mọi trường hợp. Muốn vậy thì cường độ (khả năng chịu lực) của liên kết phải lớn hơn cường độ của tất cả các cấu kiện mà nó liên kết. Sự phá hoại từng cấu kiện riêng lẻ có thể không gây nên sự sụp đổ của công trình, nhưng sự phá hoại của các liên kết giữa dầm và cột thì rất dễ dẫn đến sự sụp đổ của toàn công trình.

Để thấy được điều này, ta hãy xét một khung phẳng chịu tải trọng ngang như trên Hình 1a. Giả sử cột đã được thiết kế theo nguyên tắc cột khỏe – dầm yếu (tức là cột không bao giờ phá hoại trước dầm). Lúc này sẽ có hai trường hợp xảy ra:

Trường hợp 1: Các nút khung được thiết kế tốt, chúng có cường độ cao hơn dầm. Trong trường hợp này, toàn kết cấu chỉ bị sụp đổ khi tất cả các đầu dầm đều đã xuất hiện khớp dẻo (Hình 1b). Bởi vì chỉ khi đó thì mới xuất hiện cơ cấu. Sự phá hoại của một số dầm sẽ không tạo nên cơ cấu sụp (Hình 1c).

Trường hợp 2: Các nút khung không được thiết kế cẩn thận, chúng có cường độ thấp hơn dầm. Trong trường hợp này, các nút khung sẽ bị phá hoại trước khi khớp dẻo xuất hiện trong dầm. Khi đó chỉ cần sự phá hoại của vài nút khung là cơ cấu sụp sẽ hình thành (Hình 1d).

Mặc dù liên kết có vai trò quan trọng như vậy nhưng các tài liệu hướng dẫn thiết kế kết cấu bê tông cốt thép ở nước ta hiện nay lại rất ít quan tâm đến nó: gần như không có một tài liệu tiếng Việt nào quan tâm đúng mức đến vấn đề này. Nhiều kỹ sư thiết kế cũng chỉ quan tâm đến việc thiết kế các cấu kiện dầm, cột… mà bỏ qua những điểm nối vô cùng quan trọng giữa chúng.

Để thiết kế và cấu tạo nút khung một cách hợp lý, ta cần phải biết cơ chế chịu lực và phá hoại của nó. Xét một khung phẳng chịu tải trọng ngang, tải trọng quan trọng trong nhà cao tầng, như trên Hình 2a. Biểu đồ mô men của nó có dạng như trên Hình 2b. Tách nút A ra khỏi khung và biểu diễn các mô men tác dụng lên nó như trên Hình 2c. Các mô men tác dụng lên nút A sẽ hình thành các cặp ngẫu lực làm nút này có khuynh hướng biến dạng và phá hoại như trên Hình 2d. Hình 3 cho thấy các vết nứt được hình thành trong nút khung bê tông cốt thép trong một thí nghiệm. Trong thí nghiệm này tải trọng ngang được đổi chiều (giống như tải trọng gió và động đất trong thực tế) nên vết nứt được hình thành theo cả hai phương.

Để chống lại sự phá hoại nói trên, một biện pháp đơn giản là bố trí cốt đai cho cột trong nút khung như trên Hình 4. Một số ý kiến hiện nay cho rằng việc bố trí cốt đai như vậy sẽ gây khó khăn cho việc thi công. Nói như vậy tức là chưa hiểu được tầm quan trọng của liên kết trong kết cấu. Thực ra, việc đưa bất cứ một cấu kiện nào, một thanh thép nào vào kết cấu cũng đều gây khó khăn cho thi công. Vấn đề là nếu cấu kiện đó, thanh thép đó là cần thiết thì khó khăn cách mấy cũng phải đưa vào.

Trên đây trình bày lý do của việc bố trí cốt đai cột trong nút khung của nhà cao tầng. Việc tính toán cốt đai này sẽ được trình bày trong một tài liệu khác. Đào Đình Nhân