BÀI GIẢNG NHẬP MÔN THIẾT KẾ

Ở từng giai đoạn, một số lượng lớn các lựachọn cần phải được xem xét như vật liệu được sử dụng thép, bê tông, v.v., dạng kết cấu kếtcấu cầu treo, dây văng, kết cấu dầm hay bản, số lượng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG GIAO THÔNG

BỘ MÔN KẾT CẤU XÂY DỰNG

BÀI GIẢNG

NHẬP MÔN THIẾT KẾ

HÀ NỘI 2011

CHƯƠNG 1KHÁI NIỆM VỀ THIẾT KẾ1.1 Giới thiệu

Thiết kế có thể được mô tả như là một quá trình sáng tạo ra ở dạng “khái niệm” hay “ý tưởng”một đối tượng chưa có Đối với nhiều người, khái niệm thiết kế liên quan đến việc tạo ra các đốitượng có thể hoàn thành tốt các công việc nó cần thực hiện nghĩa là nó có hiệu quả về chức năng.Một sản phẩm “được thiết kế tốt” thường có nghĩa là sản phẩm đó có thể hoàn thành tốt các chứcnăng mong muốn của nó

Thiết kế các đối tượng, đặc biệt là các công trình xây dựng là một quá trình phức hợp, có liênquan đến rất nhiều đối tượng và vấn đề khác nhau Hãy xem một ví dụ về thiết kế sau:

Hãy tưởng tượng có một con sông cắt qua 1 thành phố Giả sử rằng, hiện thời chỉ có một cách

vượt sông bằng thuyền Cách này rõ ràng là rất hạn chế và bất tiện Nếu bạn được yêu cầu cải thiện tình hình này, bạn sẽ làm việc đó như thế nào? Có thể bạn sẽ nghĩ đến việc xây dựng các

cây cầu hoặc hầm để vượt sông Việc chọn vị trí các công trình vượt sông đòi hỏi phải thực hiệnnhiều nghiên cứu, ví dụ, về hệ thống đường giao thông đang có ở cả hai bên sông, điều kiện địachất, chiều dài của công trình, v.v Bạn sẽ phải xem xét ảnh hưởng của hai hay ba phương ánkhác nhau Sau khi đã lựa chọn được vị trí lý tưởng, bạn phải thực hiện các khảo sát sơ bộ về địahình, địa chất, giao thông, v.v Một số thiết kế sơ bộ cũng được thực hiện cùng với các phương

án giá thành Với các dự án xây dựng lớn, việc đạt được các thoả thuận cho dự án là một quátrình khó khăn Dự án có thể có các ảnh hưởng xấu đến một số người hoặc nhóm cộng đồng Dự

án cần phải nghe được các ý kiến phản đối Do đó, bạn phải trình bày thiết kế, nhấn mạnh cácyếu tố về hiệu quả kinh tế, môi trường, tạo công ăn việc làm, v.v Bạn cũng phải xét đến các lậpluận kỹ thuật của những người phản đối Sau khi thoả thuận có kết quả về dự án, bạn phải xâydựng các phương án chi tiết để xây dựng công trình Ở từng giai đoạn, một số lượng lớn các lựachọn cần phải được xem xét như vật liệu được sử dụng (thép, bê tông, v.v.), dạng kết cấu (kếtcấu cầu treo, dây văng, kết cấu dầm hay bản, số lượng nhịp, v.v.) Sau khi thiết kế đã được tối ưuhoá, các bản vẽ chi tiết sẽ được thực hiện để tiến hành đấu thầu Khi nhà thầu đã được lựa chọn,bạn phải cung cấp các bản vẽ chi tiết cùng các đặc tả sao cho sản phẩm được dự kiến trong đầubạn có thể được xây dựng Như vậy, trong quá trình này, từ các yêu cầu có thể là rất không rõràng của khách hàng như “cải thiện tình hình giao thông”, bạn đã đi đến cung cấp cho kháchhàng các bản vẽ cùng các mô tả chi tiết cần thiết đủ để xây dựng một công trình cầu Quá trình

này gọi là thiết kế Như vậy, toàn bộ quá trình cung cấp cho khách hàng một sản phẩm mà ban đầu chỉ mới có ở dạng các yêu cầu được gọi là thiết kế Các chi tiết có thể thay đổi từ dự án thiết

kế này sang dự án thiết kế khác

Hãy xem một ví dụ khác:

Cần phải xây dựng một bệnh viện đã được xác định trước về kiểu (bệnh viện đa khoa hay chuyên

khoa) và số lượng giường bệnh Ở đây, người thiết kế phải lựa chọn vị trí tốt nhất trên cơ sở xemxét các trung tâm dân cư mà bệnh viện cần phục vụ, các cơ sở hạ tầng như đường sá, các phươngtiện công cộng, xử lý rác thải, v.v Các yêu cầu về không gian cho các khoa khác nhau cũng nhưcác quan hệ giữa chúng cần phải được đặt ra Các bệnh viện cần phải được phục vụ một cách đặcbiệt nên cần phải xem xét các không gian thông gió, cấp nhiệt, việc cung cấp khí y tế, thiết bị báođộng, v.v Ngoài ra, cũng cần phải xem xét đến các vấn đề khác như vị trí nhà máy đun nước,kho trữ khí y tế, nơi xử lý rác y tế, khu giặt, thang máy bệnh nhân, các thiết bị an ninh và phòngcháy, thông tin liên lạc trong và ra ngoài bệnh viện Ở bên ngoài, các dòng phương tiện giaothông cần phải được quy hoạch cẩn thận để cho phép xe cứu thương, cùng các phương tiện khác

có thể hoạt động được Các ngôi nhà phải đẹp và hài hoà với môi trường xung quanh Như ởtrong ví dụ trước, ở từng giai đoạn, một lượng lớn các phương án cần phải được xem xét và từ

đó, lựa chọn ra phương án hợp lý nhất Kết cấu chịu lực cần phải được thiết kế thoả mãn các yêucầu đặt ra để đảm bảo cho bệnh viện hoạt động hiệu quả Vị trí của các cột cần phải bố trí saocho có đủ các không gian lớn để thoả mãn yêu cầu dịch vụ của bệnh viện Cũng như ở ví dụtrước, các bản vẽ chi tiết cần phải được cung cấp cho các nhà thầu Nhà thầu mong muốn là cácbản vẽ đã được phối hợp với giữa các lĩnh vực với nhau để cho mọi vấn đề ăn khớp với nhau Đó

là những dấu hiệu của một thiết kế tốt

Từ các ví dụ này có thể thấy rằng, quá trình thiết kế bắt đầu từ một số yêu cầu cơ bản và đơngiản của khách hàng như việc xây dựng công trình vượt sông hay bệnh viện Dạng cuối cùng củaquá trình là sản phẩm được thống nhất của thiết kế Ảnh hưởng của việc thiết kế không dừng lạikhi công trình đã được thi công xong Sự dễ dàng, thuận tiện trong việc khai thác, bảo trì, v.v.đều bị ảnh hưởng của thiết kế được chọn và những yếu tố này lại có ảnh hưởng lớn đến ngườidùng

Hầu hết các thiết kế đều phức hợp, yêu cầu các kỹ năng ở nhiều lĩnh vực khác nhau như kết cấu,trang thiết bị trong nhà, kiến trúc, v.v Người thiết kế, do đó, thường làm việc trong các nhóm.Vai trò lãnh đạo được xác định phụ thuộc vào dạng đối tượng, ví dụ, kỹ sư xây dựng sẽ đóng vaitrò chính trong nhóm thiết kế công trình vượt sông còn kiến trúc sư thường sẽ chịu trách nhiệmchung trong việc thiết kế bệnh viện

1.2 Các tính chất của thiết kế

Có thể tóm tắt một số tính chất của một thiết kế tốt cho các công trình xây dựng như sau:

• Thoả mãn tất cả các yêu cầu của khách hàng

• Có hiệu quả về chức năng khai thác

• Có hiệu quả cao về đầu tư

• Cân bằng hợp lý giữa chi phí ban đầu và chi phí bảo trì

• Dễ xây dựng, dễ bảo trì và dễ khai thác

• Có tính mỹ quan cao

Một thiết kế thực tế là tổng hoà các yếu tố trên Mỗi khách hàng sẽ đặt ưu tiên cho một số tínhchất kể trên.

Từ các ví dụ nêu trên chúng ta có thể đưa ra một định nghĩa có thể của thiết kế như sau: Thiết kế

là một quá trình tối ưu hoá tất cả các khía cạnh trong yêu cầu của khách hàng Việc thiết kế yêucầu một sự tích hợp tất cả các yêu cầu của khách hàng để tạo ra một tổng thể, đảm bảo tính hiệuquả, kinh tế và mỹ quan Việc tích hợp các yêu cầu khác nhau đòi hỏi sự hợp tác trong quá trìnhthiết kế Việc nhấn mạnh vào “tổng thể” yêu cầu một giải pháp chung, vượt quá chuyên môn củatừng cá nhân Tính hiệu quả, kinh tế, và mỹ thuật đồng thời có nghĩa là tạo ra một sự thoả hiệpcân đối giữa các yêu cầu khác nhau

Sự thành công của việc thiết kế phụ thuộc vào kiến thức tổng hợp của người thiết kế cũng nhưviệc định nghĩa một cách rõ ràng chức năng mong muốn của sản phẩm thiết kế Nói chung, cóthể có nhiều thiết kế khả thi, tức là những thiết kế có thể hoàn thành được mục tiêu đặt ra Trong

số các thiết kế khả thi có thể có một số thiết kế tốt hơn các thiết kế khác và có thể có một thiết kế tối ưu Thiết kế tối ưu là thiết kế được coi là thoả mãn một cách tốt nhất các yêu cầu đặt ra cho

đối tượng Nói chung, mong muốn của người thiết kế là tìm được thiết kế tối ưu Về mặt lýthuyết, để tìm ra thiết kế tối ưu, người ta thường sử dụng các tiêu chí ở dạng các hàm kháchquan

Trong thực tế, thiết kế là quá trình lặp Khi một quá trình thiết kế bắt đầu, có một loạt các ẩn số

Để thực hiện quá trình này, người thiết kế phải sử dụng một số giả định về các phần khác nhautrong thiết kế Tiếp theo, các giả định sẽ được thay thế dần bởi các dữ liệu đã biết Cứ mỗi khicác giả định được tinh chỉnh và thay thế, thiết kế sẽ được phân tích lại

Ví dụ khi thiết kế một hệ thống sàn, người thiết kế phải biết tĩnh tải để thực hiện quá trình phântích Tuy nhiên, ở thời điểm ban đầu của quá trình thiết kế, người thiết kế chưa biết được cácthành phần của kết cấu nên chưa tính được một cách chính xác tĩnh tải Để bắt đầu, người thiết

kế phải giả định tải trọng dựa trên các giá trị có thể (hay kinh nghiệm?) Sử dụng tải trọng đãđược giả định, việc thiết kế được tiến hành và các cấu kiện sẽ được lựa chọn Khi các cấu kiện đãđược lựa chọn, các giả định về tải trọng sẽ được xác định lại và việc phân tích sẽ lại được thựchiện Quá trình này sẽ được lặp lại cho đến khi ở tính toán cuối cùng, tải trọng sẽ được xác định

từ các cấu kiện đã được lựa chọn

Các ví dụ cũng đã minh hoạ các bước chính trong các dự án và có thể tóm tắt lại như sau:

• Xây dựng

1.3 Thiết kế và phân tích

Thiết kế và phân tích là hai hoạt động tách rời nhau và cũng rất cần thiết phải biết sự khác nhaugiữa chúng

Phân tích là quá trình đánh giá vấn đề đang được đặt ra, trong đó không có việc lựa chọn phương

án kết cấu hay cấu kiện mới Phân tích chỉ đơn giản là tính toán xác định một số tính chất của kếtcấu hay cấu kiện Ví dụ, nếu bạn có 1 dầm với kích thước và tải trọng cho trước, việc phân tích

sẽ cho kết quả là phản lực, các giá trị hay biểu đồ mô men, lực cắt cũng như kết quả so sánh vớicác tính năng cho phép liên quan đến các ràng buộc định trước như cường độ, độ võng, v.v Nóicách khác, việc phân tích sử dụng một số các giá trị thiết kế, thực hiện tính toán và trả về kết quảđược sử dụng trong quá trình thiết kế

Quá trình thiết kế sử dụng các kết quả phân tích để ra quyết định về vấn đề đang được thiết kế.Dựa vào kết quả phân tích, quá trình thiết kế sẽ thay đổi sự mô tả vấn đề (các tham số thiết kế)

và sau đó, yêu cầu các phân tích bổ sung Quá trình thiết kế lặp lại cho đến khi tìm ra giải pháptốt nhất

Hãy phân tích lại ví dụ thiết kế sàn ở trên để thấy rõ quan hệ giữa thiết kế và phân tích Giả sửrằng, mục đích thiết kế là xác định chiều dày của sàn Với các vật liệu cho trước, chiều dày củasàn phải đủ lớn để chịu tải trọng khai thác cũng như trọng lượng bản thân nó Ở thời điểm banđầu, do chưa biết chiều dày nên cũng chưa biết trọng lượng bản thân của nó Người ta có thể giảđịnh chiều dày sàn theo kinh nghiệm và thực hiện quá trình phân tích để có nội lực trong sàn.Trên cơ sở của nội lực này, chiều dày sàn sẽ được điều chỉnh lại Mỗi lần thay đổi chiều dày sànlại phải thực hiện phân tích để tính nội lực và đánh giá lại khả năng chịu lực của sàn

Có thể thấy rằng, hầu hết các vấn đề liên quan đến thiết kế đều đòi hỏi nhiều phân tích Trongphân tích các kết cấu phức tạp, việc sử dụng các công cụ phần mềm là rất hữu ích Máy tính đặcbiệt có ích khi thực hiện các công việc có tính lặp đi lặp lại và để dành thời gian sang tạo cho conngười

CHƯƠNG 2CÁC DẠNG LỖI

Mục tiêu chính của thiết kế là để tránh các lỗi, hư hỏng hay thất bại có thể xảy ra Trong thực tế,

có nhiều dạng lỗi hay thậm chí là thất bại có thể xảy ra và trước khi nghiên cứu các phương phápphòng tránh, cần phải hiểu được sự khác nhau giữa chúng Chúng ta bắt đầu với việc xem xét cáclỗi hay thất bại theo nghĩa rộng của từ này qua một ví dụ

Một công ty được thuê thiết kế một tháp nước cho một khu vực Tháp này được xây dựng bằng

bê tông cốt thép và cần phải có đủ chiều cao để có thể cung cấp nước cho một khu vực rộng lớn.Một nhà thầu địa phương được giao xây dựng tháp nước này Nhà thầu không có các thiết bị cơkhí nên bê tông phải được trộn và vận chuyển đến tháp bằng các phương pháp thủ công Chấtlượng của việc đổ và đầm bê tông rất kém Đến lúc tháp xây xong một nửa, người ta chắc chắnrằng tháp sẽ không thể được xây đến chiều cao thiết kế Tuy nhiên, chính quyền không muốnmang tiếng rằng các nhà thầu địa phương không có khả năng xây dựng tháp và áp lực chính trịbuộc phải sử dụng tháp này và dẫn đến một thoả hiệp: tháp không được xây dựng cao hơn nữa vàthùng chứa nước vẫn được lắp lên cao độ hiện có Điều này đã được thực hiện và nhà thầu địaphương được coi là đã hoàn thành công việc với niềm tự hào lớn Tháp này, tuy vậy, hoàn toàn

vô dụng đối với người sử dụng do không có đủ chiều cao Tháp nước đã không bị sụp đổ hay hưhỏng, tuy nhiên đây thật sự là một thất bại đối với người dùng do nó không có khả năng sử dụng

và cũng chẳng khác gì như nó đã bị đổ Như vậy, có thể định nghĩa lỗi (hay thất bại) như sau:Một công trình được coi là có lỗi hay, nghiêm trọng hơn, bị thất bại khi nó không có hoặc sẽkhông có khả năng đáp ứng được tất cả các tiêu đã đề ra cho nó

Rõ ràng là không phải tất cả các lỗi đều nghiêm trọng như nhau Tháp nước ở trên là ví dụ vềthất bại hoàn toàn do nó không sử dụng được Tuy nhiên cũng có nhiều lỗi có thể làm hạn chếviệc sử dụng bình thường của kết cấu nhưng không dẫn đến sự vô dụng hoàn toàn hoặc các lỗi cóthể sửa chữa được mà không đòi hỏi các chi phí lớn

Sau đây, chúng ta sẽ xem xét một số lỗi (hay thất bại) hay xảy ra trong thực tế xây dựng

2.1 Lỗi về chức năng

Ví dụ nêu trên thuộc về dạng lỗi này Công trình đơn giản là không có khả năng hoạt động nhưyêu cầu Ở đây không có các sai sót về vật liệu và kết cấu được thiết kế và xây dựng phù hợp vớicác quy tắc và tiêu chuẩn thiết kế Các sai sót dạng này hay gặp hơn là chúng ta nghĩ Nó khôngnhất thiết phải là sai sót của kỹ sư kết cấu hay nhà thầu Thông thường sai sót này nằm ở chỗkhách hàng không phân tích một cách đầy đủ nhu cầu của mình hay không trao đổi đầy đủ và rõràng với những người thiết kế Hệ thống thoát nước không được bố trí ở chỗ thấp nhất trong khuvực, cầu được xây dựng với khoảng tịnh không không đủ để tàu thuyền có thể đi qua dưới chúng,nhà máy thuỷ điện xây xong nhưng không có nước chứa, v.v vẫn thường xảy ra và được quy về

nhóm này Cách để tránh các lỗi này là các các bên có liên quan trong dự án phải phân tích vấn

đề đang được giải quyết và tất cả các bên phải hiểu một cách rõ ràng, vấn đề gì đang được yêucầu Đây chắc chắn là nhiệm vụ đầu tiên cần phải được thực hiện khi thiết kế

2.2 Lỗi về khả năng khai thác, vận hành

Lỗi về khả năng khai thác, vận hành ở các công trình xây dựng xảy ra khi ứng xử của kết cấu,dưới tác dụng của tải trọng khai thác, làm hạn chế sự hoạt động bình thường của nó Ví dụ haygặp là độ võng quá mức như dầm võng lớn có thể làm biến dạng khung cửa và làm cho cửakhông đóng được nữa là một ví dụ về lỗi khai thác Ví dụ khác là dao động quá lớn của máy móc

có thể làm cho các thiết bị đo đạc có độ nhạy cao không hoạt động được Hầu hết các lỗi khaithác đều do thiếu độ cứng mà không phải là thiếu khả năng chịu lực

2.3 Hư hỏng do hết khả năng chịu lực

Các công trình xây dựng có thể bị hư hỏng, phá hoại do nhiều nguyên nhân khác nhau nhưng đầutiên có thể phải kể đến là do hết khả năng chịu lực nghĩa là hiệu ứng của tải trọng như nội lực,ứng suất, v.v vượt quá khả năng chịu đựng của vật liệu Việc phòng ngừa xảy ra hư hỏng dạngnày là một trong những yêu cầu đầu tiên trong việc thiết kế kết cấu

Bên cạnh sự phá hoại kết cấu trực tiếp do hết khả năng chịu lực còn có dạng phá hoại do mất ổnđịnh Ở đây, biến dạng và hiệu ứng thứ cấp (hiệu ứng phát sinh do chuyển vị) dẫn đến sự pháhoại kết cấu mà không phải là do vật liệu hết khả năng chịu lực Do đó, lỗi này chịu ảnh hưởngchính của độ cứng hơn là cường độ Mất ổn định có thể dẫn đến hư hỏng trong hầu hết các cấukiện mảnh, chịu nén Ví dụ về dạng phá hoại này bao gồm:

• Các cột mảnh,

• Vùng chịu nén của dầm mảnh,

• Các cánh chịu nén của mặt cắt dầm thép cán,

• Tường của các thùng chứa, silo, v.v

2.4 Sự phá hoại dây chuyền

Phá hoại dây chuyền là hiện tượng một số bộ phận kết cấu bị phá hoại dẫn đến sự phá hoại củacác bộ phận khác Trong các kết cấu cầu, sự phá hoại của trụ có thể dẫn đến sự phá hoại của cácnhịp dầm lân cận Cũng tương tự là sự phá hoại của cột trong các công trình nhà có thể dẫn đến

sự phá hoại của cả một khu vực hay thậm chí của cả công trình Sự sụp đổ các toà nhà Trung tâmthương mại thế giới ở Mỹ năm 2001 là một ví dụ về sự phá hoại này Nhiệt độ quá cao do vụđâm máy bay đã làm cho một số cột thép ở các tầng giữa bị chảy và dẫn đến các tầng trên bị sậpxuống Tải trọng lớn cùng với nhiệt độ cao làm cho các cột ở tầng dưới lần lượt mất khả năngchịu lực dẫn đến sự phá huỷ của toàn bộ công trình

Để tránh sự phá hoại dây chuyền, các công trình nên được thiết kế có tính dư, nghĩa là các bộphận kết cấu phải có nhiều hơn một đường truyền lực

2.5 Phá hoại do chuyển vị quá lớn của nền móng

Chuyển vị quá lớn của nền móng làm thay đổi các quan hệ truyền lực cũng như nội lực của các

bộ phận kết cấu và dẫn đến sự phá hoại của kết cấu Chuyển vị lớn cũng có thể làm cho côngtrình không sử dụng được bình thường do bị nghiêng quá mức hay đơn giản chỉ là gây tâm lýkhông yên tâm cho người sử dụng

Chuyển vị lớn của nền móng công trình có thể do nhiều nguyên nhân gây ra như việc khảo sátđịa chất không đầy đủ dẫn đến đánh giá sai khả năng chịu lực của nền đất, thiết kế kết cấu móngkhông hợp lý hay do các chuyển vị của bản thân nền đất do sự hạ cao độ mực nước ngầm, vậnđộng địa chất, v.v

2.6 Vai trò của Tiêu chuẩn thiết kế

Phải thấy rằng, kết quả thiết kế cũng chỉ mới là giả định, cho đến khi thiết kế đó được thực hiện.Không ai biết chắc trước, liệu nó có thực sự hoạt động như mong muốn hay không Liệu có cáclỗi ở trong quá trình phân tích? Liệu có điều kiện hay ràng buộc nào đó chưa được xét đến? Liệu

có điều kiện nào chưa được gặp trước đây? Không ai biết chắc được cho đến khi thiết kế đượcthực hiện Để giảm thiểu các lỗi hay thất bại có thể xảy ra, chúng ta thường học tập từ các kinhnghiệm trong thực tế Theo nghĩa này, lỗi hay thất bại cũng có ích nếu nó giúp phát hiện ra cácđiều kiện hay ràng buộc trước đó chưa biết

Rất tiếc là rất nhiều lỗi sẽ bị lặp lại ở những người khác, ở các dự án khác Để giúp tránh việc lặplại các lỗi đã xảy ra cũng như đề phòng các lỗi có thể xảy ra, xã hội và giới chuyên môn sử dụngcác công cụ đặc biệt là các Tiêu chuẩn kỹ thuật Tiêu chuẩn kỹ thuật có nhiệm vụ đưa ra cáckhuyến nghị về các ràng buộc cần phải xét đến cũng như các giá trị nên được sử dụng trong cácquá trình kỹ thuật Mỗi khi các ràng buộc mới được phát hiện hay các yếu điểm được phát hiệntrong các ràng buộc đang có, tiêu chuẩn kỹ thuật cần phải được cập nhật để xét đến các vấn đềnày Tất cả các thiết kế đều được yêu cầu phải thoả mãn với yêu cầu của Tiêu chuẩn để khai thácđược các lợi thế có được trong quá khứ Phù hợp với điều đó, tất cả các tiêu chuẩn thiết kế phảiđược cập nhật sau một số ít năm để có được các kiến thức tốt nhất Có thể nói rằng, các điềukhoản của tiêu chuẩn là rất quan trọng, có ảnh hưởng đến sinh mạng của nhiều người cũng nhưtài sản

CHƯƠNG 3CÁC DẠNG VẬT LIỆU3.1 Giới thiệu

Mối quan hệ giữa dạng kết cấu và tính chất của vật liệu là rất phức tạp nhưng bắt buộc phải xemxét nghiên cứu để có thể tạo ra các thiết kế có độ an toàn cao và kinh tế Chương này chỉ giớithiệu sơ lược một số vật liệu điển hình Các phương pháp chế tạo, tính chất của các vật liệu xâydựng đã được giới thiệu chi tiết trong các sách giáo khoa về vật liệu xây dựng

Ở Bắc cực, nơi người Eskimo sinh sống, trước đây chỉ có tuyết và người ta đã tìm cách sử dụngtuyết làm vật liệu xây dựng Với vật liệu này, người Eskimo đã sáng tạo ra lều tuyết, một dạngkết cấu rất đặc biệt Các viên “gạch tuyết” có chiều dày khoảng 400-500 mm đã được cắt ra vàxây dựng thành lều có dạng xoắn ốc lên đỉnh Đây là dạng kết cấu tự chống đỡ, trong tất cả cácgiai đoạn nó không cần bất cứ một hệ thống kết cấu hỗ trợ nào Lều này giúp người Eskimo tránhđược gió bão và duy trì được nhiệt độ bên trong cao hơn bên ngoài khoảng 40°C Kết cấu này đãphát huy được tính chất của băng tuyết là có cường độ chịu nén khá tốt nhưng không chịu đượckéo Kết cấu này cũng khai thác được một ưu thế khác của tuyết là khả năng cách nhiệt cao Đây

là một điển hình về việc phát triển các kết cấu thoả mãn yêu cầu sử dụng trên cơ sở khai thác tối

ưu các tính chất của vật liệu có sẵn

Các ví dụ tương tự cũng có thể tìm được rất nhiều ở Việt Nam hay nhiều nơi khác trên thế giới

Ở nhiều miền quê ở Việt Nam người dân sử dụng bùn trộn với rơm (rơm đất) làm vật liệu làmtường nhà Vật liệu này có sẵn ở địa phương, có tính cách nhiệt cao và rất dễ xây dựng Nhượcđiểm chính của loại vật liệu này là có cường độ khá thấp nên nó thường được xây dựng ở cáctường có cốt (tre, v.v.) và không chịu được nước nên phải được che chắn khỏi nước mưa Gạchlàm từ đất sét là một dạng vật liệu rất phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới từ hàng nghìn năm nay.Gạch không nung có cường độ không cao và không chịu được nước nên được sử dụng làm tườngđược bao che khỏi tác động của nước Gạch nung có cường độ chịu nén lớn và có thể chịu đượcmưa nắng nên được sử dụng ở rất nhiều dạng kết cấu chịu nén khác nhau như tường, cột, máivòm, v.v Rất nhiều công trình mái vòm có nhịp lớn đã được xây dựng bằng gạch Các kết cấulàm từ gạch đã phát huy được ưu điểm của loại vật liệu này là có khả năng chịu nén cao, cáchnhiệt cách âm tốt và khá rẻ tiền

Hai ví dụ về sử dụng tuyết và đất làm vật liệu xây dựng nói trên chứng minh rằng, các vật liệu

“tầm thường”, nếu được sử dụng trong các dạng kết cấu hợp lý, cũng có thể phát huy được cáclợi thế của mình để phục vụ tốt các nhu cầu của con người

3.2 Đá

Đá tự nhiên là một trong những vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong lịch sử Rất nhiềucông trình là kỳ quan của thế giới được xây bằng đá như Kim Tự Tháp, Angkor Wat, Vạn Lý

tường thành, v.v đã được xây dựng bằng đá Ở Việt Nam, nhiều công trình cũng được xây dựngbằng đá như Thành Nhà Hồ ở Thanh Hoá, Nhà Thờ Đá ở Phát Diệm, v.v.

Hình 1 Thành Nhà Hồ

Hình 2 Cầu vòm bằng đá ở Rôm, Ý

Đá tự nhiên có cường độ chịu nén rất lớn nhưng có cường độ chịu kéo khá nhỏ nên chúng được

sử dụng hợp lý trong các kết cấu chịu nén như cột, tường, vòm Dạng kết cấu nổi tiếng để sửdụng hiệu quả vật liệu đá tự nhiên là kết cấu vòm Gothic Hầu hết các nhà thờ lớn ở châu Âu vàTrung Đông đều được xây dựng bằng vật liệu và kết cấu này

3.3 Gỗ

Các nhược điểm về khả năng chịu kéo làm cho kết cấu đá và gạch chỉ có thể được sử dụng hếtsức hạn chế để chịu uốn Các kết cấu vòm có thể vượt được nhịp lớn nhưng rất đắt đỏ Chúnghầu như chỉ được sử dụng trong một số cầu và nhà đặc biệt Kết cấu vòm đắt không chỉ là bởichúng rất khó xây dựng mà còn do chúng đòi hỏi chiều cao lớn từ chân đến đỉnh vòm và kết cấu

để chịu lực ngang ở chân vòm Do đó, người ta phải tìm ra vật liệu có thể chịu uốn tốt để vượtqua được các nhịp tương đối lớn Cho đến cách mạng công nghiệp, vật liệu duy nhất đáp ứngđược yêu cầu này là gỗ Có thể nói gỗ là vật liệu có cường độ chịu kéo và chịu nén đều tương đốicao cho phép nó chịu uốn tốt Về mặt tự nhiên, gỗ được khai thác từ cây nên có chiều dài lớn hơn

nhiều so với kích thước mặt cắt nghĩa là rất lý tưởng cho kết cấu dạng dầm Gỗ được sử dụng đểvượt qua các nhịp vừa nên rất được ưa chuộng để làm kết cấu đỡ cho các sàn nhà trung bình nhưnhà ở Gỗ cũng được sử dụng để làm các cầu có nhịp nhỏ Bên cạnh cường độ chịu lực khá cao,

gỗ còn rất dễ gia công nên nó có thể được chế tạo thành các cấu kiện và từ đó xây dựng nên cáckết cấu phức hợp, lớn như kết cấu khung, giàn, v.v Hầu hết các nhà gỗ đều được xây dựng ởdạng này Đối với xây dựng dân dụng, gỗ còn có ưu điểm về mặt cách nhiệt, cách âm, thân thiệnvới người dùng và môi trường nhưng có khả năng chống cháy kém Trong thời đại hậu côngnghiệp, gỗ ít được sử dụng trong các kết cấu chịu lực do nó không cạnh tranh được với các vậtliệu khác như sắt, thép, bê tông, v.v

Hình 3 Cầu Thê Húc được làm bằng gỗ 3.4 Sắt, thép

Năm 1779, Abraham Darby đã xây dựng cầu bằng sắt đúc đầu tiên ở Shropshire Đây là biểutượng của một cuộc cách mạng trong xây dựng Trước đó, sắt đã được sử dụng khá nhiều trongcác lĩnh vực khác nhau nhưng cầu này đã chứng minh rằng, sắt có thể được sử dụng làm vật liệuxây dựng rất hiệu quả

Hình 4 Cầu Ironbridge bằng sắt đúc đầu tiên trên thế giới

Việc sử dụng sắt đúc, sắt rèn và sau đó là thép trong xây dựng đã thúc đẩy sự phát triển của cuộccách mạng công nghiệp Sắt và thép có cường độ chịu nén và chịu kéo đều cao, cao hơn nhiềulần cường độ của gỗ Ngoài ra, chúng cũng cứng hơn gỗ nhiều Tuy nhiên sắt thép khó chế tạohơn nên đắt hơn Chúng cũng nặng hơn so với gỗ Trong thời gian đầu, cũng như gỗ, sắt thépđược sử dụng chủ yếu trong các kết cấu khung và giàn Sắt đúc, do có độ giòn cao, nên dần dần

bị thay thế bởi sắt rèn và thép, là những vật liệu có dẻo cao nên an toàn hơn cho người sử dụng.Sắt rèn do khá đắt nên được sử dụng cho đến cuối thế kỷ 19 Sau đó, thép dần dần thay thế sắt.Cầu bằng thép các-bon được xây dựng lần đầu tiên là cầu St Louis quan sông Mississippi ở Mỹvào năm 1874 Việc gia công thép là không dễ dàng như gỗ nên thép thường được chuẩn hoá vàgia công ở xưởng ở dạng gần như hoàn thiện rồi mới được lắp ghép một cách nhanh chóng ởcông trường Điều này dẫn đến các thiết kế chi tiết kết cấu thép thường được các nhà máy chếtạo kết cấu thép thực hiện mà không phải là kỹ sư tư vấn.

Thời gian gần đây, xu hướng phát triển các sản phẩm thép tấm và thép lá trở nên khá phát triển.Thép tấm là một dạng vật liệu làm các kết cấu dạnh vỏ quan trọng trong thế kỷ hai mươi Théptấm cho phép chế tạo các cấu kiện “phi tiêu chuẩn” như dầm thép hàn, dầm thép hộp thành mỏng

có các dạng mặt cắt khác nhau Các dạng vật liệu và kết cấu này đang trở thành xu hướng hiệnđại trong xây dựng cầu

Có thể nói rằng, sắt và sau đó là thép là một vật liệu xây dựng lý tưởng cho cả nhiều thế kỷ vừaqua Thép được sử dụng rất đa dạng nhờ cường độ và độ cứng cao Quá trình chế tạo làm chothép là một vật liệu đắt tiền dẫn đến việc sử dụng thép rất tiết kiệm ở các dạng kết cấu như giàn,khung hay kết cấu thành mỏng Khác với các vật liệu như gạch, đá, thép không kén dạng kết cấu,nghĩa là thép được dùng gần như trong mọi dạng kết cấu

có thể chế tạo bê tông ở cường độ thích hợp với mục đích sử dụng

Theo truyền thống, thành phần chính của bê tông là đá, cát, xi măng và nước Trong số này chỉ

có xi măng là sản phẩm công nghiệp và chiếm tỷ lệ tương đối nhỏ trong bê tông (khoảng 15%theo trọng lượng bê tông) Điều này làm cho bê tông là một vật liệu xây dựng rất rẻ Hai dạngchính của xi măng là xi măng thuỷ hoá và pozzolans

Pozzolans là dạng đầu tiên của xi măng và có thể tìm được ở dạng tự nhiên từ tro núi lửa Nếuđược trộn với vôi (hydroxit canxi) và nước, pozzolans có thể tạo ra bê tông Bê tông pozzolans

đã được sử dụng phổ biến ở thời kỳ La Mã Nhiều công trình đã được xây bằng loại bê tông nàytrong đó có đấu trường Colosseum hay đền thờ Pantheon ở Rôm (Ý) Mái vòm của đền thờPantheon có đường kính đến 34 m và được đổ bê tông như cách mà chúng ta vẫn làm ngày nay:xây dựng hệ thống đà giáo, ván khuôn và đổ bê tông vào đó Sau khi bê tông đông cứng, ván

khuôn và đà giáo được tháo ra để xuất hiện kết cấu bê tông Sự tồn tại của các công trình La Mãcho đến ngày nay đã minh hoạ được độ bền của các kết cấu làm bằng bê tông.

bê tông sẽ chịu nén và cốt thép chịu kéo Bê tông cốt thép là một vật liệu liên hợp cho phép sửdụng vật liệu một cách lý tưởng Mặc dù vậy, bê tông cốt thép chỉ bắt đầu được sử dụng rộng rãisau chiến tranh thế giới thứ 2 do nhu cầu xây dựng lớn và thép thì ít và đắt Hiện nay, bê tông cốtthép đang là vật liệu thống trị trong ngành xây dựng ở hầu hết các nước trên thế giới Bê tông cốtthép trở thành vật liệu đa năng, có thể được thi công bằng công nhân tay nghề không cao

Tuy nhiên, bê tông cốt thép cũng có nhiều nhược điểm Hầu hết chúng có màu xám, không thânthiện với con người và môi trường nếu không được che phủ Xu hướng dùng bê tông trần ở cácnước công nghiệp thời gian trước đây đã làm cho bê tông trở nên kém thân thiện Các kết cấu bêtông cốt thép thường được coi là kết cấu khối lớn và có thể trở thành nặng nề nếu không đượcthiết kế và xây dựng khéo léo Bê tông được coi là vật liệu bền nhưng trong một số môi trường

khắc nghiệt, nó có thể bị suy yếu nhanh Cốt thép trong bê tông có thể bị rỉ và làm cho bề mặt bêtông bị vỡ làm giảm khả năng chịu lực và mỹ quan

Tương tự như thép làm kết cấu, bê tông cốt thép là một vật liệu rất đa năng được sử dụng hết sứcrộng rãi ở gần như mọi dạng kết cấu Bê tông cốt thép cho phép vượt qua các hạn chế về sự phụthuộc của dạng kết cấu vào tính chất của vật liệu Hơn tất cả các vật liệu khác, khả năng của bêtông cốt thép chỉ phụ thuộc vào khả năng sáng tạo của người thiết kế

3.6 Bê tông dự ứng lực

Ngoài bê tông cốt thép, còn có phương pháp thứ hai để khắc phục khả năng chịu kéo kém của bêtông Có thể minh hoạ nguyên tắc được áp dụng ở đây thông qua ví dụ nâng hàng sách (Hình 6).Nếu chúng ta nâng 2 quyển sách hai đầu, chúng ta sẽ chỉ nâng được 2 quyển này Tuy nhiên, nếuchúng ta ép cả hàng lại với lực đủ lớn, chúng ta sẽ có khả năng nâng được cả hàng Bằng việc tạo

ra lực nén dọc, chúng ta đã biến hàng sách thành “dầm sách”, có thể chịu được uốn

Hình 6 Lực ép hai đầu sẽ giúp nâng cả chồng sách

Khả năng cải thiện tính năng của bê tông thông qua ứng suất nén dọc đã được phát hiện ra từnhững năm 1880 Tuy nhiên người ta đã không thành công trong việc thực hiện ý tưởng này.Nguyên nhân là, bê tông bị từ biến dưới tác dụng của lực Từ biến là hiện tượng biến dạng của bêtông tăng dần theo thời gian dưới tác dụng của ứng suất không đổi Hiệu ứng từ biến, do đó, làmgiảm tác dụng của lực nén dọc trong bê tông Đến những năm 1920 Freyssinet, một kỹ sư ngườiPháp, đã thành công trong việc giải quyết vấn đề này sau rất nhiều năm thí nghiệm Ông đã chỉ rakhả năng vượt qua được ảnh hưởng của từ biến bằng cách sử dụng thép có cường độ rất cao đểtạo ra lực nén trong bê tông – bê tông dự ứng lực Để đạt hiệu quả, bê tông cũng cần có cường độcao để chịu được lực nén lớn

Hiện nay, có hai phương pháp được áp dụng để tạo dự ứng lực trong bê tông là phương pháp

căng trước và phương pháp căng sau Trong phương pháp căng trước, cốt thép được kéo căng

trên bệ rồi đổ bê tông trùm lên chúng Đến khi bê tông đạt cường độ nhất định, cốt thép được cắt

khỏi bệ Sự co của thép và lực dính bám sẽ tạo ra dự ứng lực nén trong bê tông Trong phương pháp căng sau, bê tông được đúc trước và có để các lỗ để luồn cốt thép Sau khi bê tông đạt

cường độ mong muốn, cốt thép được kéo căng trên bê tông (bê tông được sử dụng như là bệ căngcốt thép) Quá trình căng cốt thép đồng thời tạo ra lực nén trong bê tông Lực nén được duy trìthông qua hệ thống neo, giữ cốt thép không bị tuột khỏi bê tông

Có thể coi bê tông dự ứng lực là một dạng bê tông cốt thép nhưng có khả năng chống nứt caohơn cao hơn nhờ tác dụng của lực nén trước Nhờ đó, các kết cấu bằng bê tông dự ứng lực có độcứng lớn hơn nên thanh mảnh hơn, vượt được nhịp lớn hơn, có độ bền cao hơn so với kết cấubằng bê tông cốt thép không dự ứng lực.

Hiện nay, kết cấu bê tông dự ứng lực được sử dụng rất phổ biến trong các kết cấu nhịp lớn nhưcầu, sàn nhà, mái che, v.v

3.7 Nhận xét

Có thể nói rằng, trong thực tế xây dựng, không có vật liệu nào tuyệt đối tốt hơn vật liệu khác màquan trọng là người kỹ sư phải biết khai thác các lợi thế của chúng cho mục đích sử dụng củamình Bùn, đất, như trên đã nêu, không phải là vật liệu tầm thường Cho các công trình đập vànền đường, đất là vật liệu không thể thay thế Một số dạng vật liệu đòi hỏi một số sạng kết cấunhất định như gạch chỉ có thể sử dụng trong các kết cấu chịu nén nhưng là một trong những vậtliệu được sử dụng phổ biến nhất trong lịch sử

Cũng có thể nói rằng, hai loại vật liệu mới là thép và bê tông cốt thép (cùng với bê tông dự ứnglực) là những vật liệu đa năng và có thể thích hợp với nhiều dạng kết cấu khác nhau Tuy nhiên,cũng có một số dạng kết cấu phù hợp đặc biệt với một loại vật liệu nhất định Ví dụ, đối với đậpvòm người ta chỉ sử dụng bê tông mà không phải là vật liệu nào khác Trong khi đó, dầm trongcầu treo dây võng hầu như chỉ được làm bằng thép, v.v Các vật liệu ưu tiên cho một dạng kếtcấu có thể thay đổi theo thời gian phụ thuộc nhiều vào giá thành của chúng

Sự phát triển của vật liệu xây dựng thời gian qua đã tạo ra nhiều dạng vật liệu mới có nhiều tínhnăng đặc biệt – vật liệu tính năng cao như bê tông tính năng cao với cường độ, độ cứng, độ dai,

độ bền môi trường cao, thép tính năng cao có cường độ cao và độ bền cao, v.v Những vật liệumới này đã cho người thiết kế có nhiều cơ hội lựa chọn để phát triển các dạng kết cấu mới, đápứng tốt hơn các yêu cầu sử dụng, môi trường và mỹ quan

CHƯƠNG 4TẢI TRỌNG VÀ TÁC ĐỘNG4.1 Giới thiệu

Có thể cho rằng, tải trọng là một trong những ẩn số lớn nhất trong kỹ thuật Các mô hình và độlớn của lực được sử dụng trong thiết kế hầu hết cũng chỉ là giả định gần đúng Ví dụ chúng ta sửdụng lực phân bố đều trong thiết kế nhưng, trong thực tế, lực hoàn toàn phân bố không đều và độlớn của nó cũng khác với giả định Ví dụ, nếu một phòng được xếp đầy người thì diện tích chiếm

chỗ mỗi nguời là 0,26m và tải trọng có thể đạt đến 2 2,0kN m2 và đây chính là tải trọng thiết

kế cộng thêm (hoạt tải) lớn nhất cho các văn phòng Tuy nhiên, chúng ta cũng biết rằng, một sốkhu vực của văn phòng – thường là một diện tích nhỏ – được chất tải lớn với giấy tờ cũng nhưthiết bị Như thế, có thể thấy rằng, việc xác định được một cách thoả mãn tải trọng thiết kế làkhông đơn giản Trong thiết kế, người ta thường sử dụng các giá trị tải trọng đã được kiểmnghiệm qua thực tế hay các giá trị được khuyến nghị trong các tiêu chuẩn thiết kế Mục này giớithiệu một số nội dung liên quan đến bản chất của tải trọng Độ lớn của chúng được đề cập đếntrong các Tiêu chuẩn thiết kế và không được nhắc ở đây

4.2 Nguồn gốc và sự phân loại tải trọng

4.2.1 Trọng lực

Kết cấu thường được yêu cầu phải chịu các đối tượng có khối lượng Trọng lực của các khốilượng này (trọng lượng) tác dụng lên kết cấu Trọng lượng của bản thân kết cấu và của các bộphận khác được gắn chặt với kết cấu như hệ thống cửa và các trang thiết bị trong nhà hay hệ

thống lan can, cột đèn trong các công trình cầu, được gọi là tải trọng thường xuyên Trọng lượng của người hay phương tiện sử dụng công trình được gọi là tải trọng cộng thêm hay, do chúng có

vị trí tác dụng và độ lớn thay đổi nên, còn được gọi là hoạt tải.

4.2.2 Tải trọng môi trường

Tải trọng môi trường là một dạng tải trọng rất quan trọng cần phải được xem xét thích đáng trongthiết kế công trình Tải trọng gió, động đất, v.v là những dạng tải trọng môi trường điển hình.Tải trọng gió có thể tác dụng lên kết cấu theo phương bất kỳ và cả chiều đứng lẫn nằm ngang

Do tác dụng của động đất, công trình chịu các chuyển vị có gia tốc làm phát sinh lực quán tính

và từ đó làm phát sinh nội lực Ở vùng lạnh, kết cấu mái nhà còn phải được thiết kế để chịu đượctải trọng băng tuyết

Nhiệt độ thay đổi cũng là một dạng tác động của môi trường lên kết cấu làm phat sinh nội lựctrong các kết cấu có ràng buộc chống biến dạng tự do Một số dạng kết cấu có độ nhạy cao vớitác động động như cáp trong các cầu dây còn phải xét đến tác động của mưa

4.2.3 Áp lực thuỷ tĩnh và áp lực đất

Áp lực thuỷ tĩnh tác dụng lên kết cấu ở rất nhiều dạng Ở các kết cấu thùng chứa hay đập nước,

áp lực ngang của nước là một trong những tải trọng quan trọng nhất Các kết cấu mố cầu, tườngchắn cũng cần được thiết kế có xét đến áp lực ngang của nước ngầm Ở các kết cấu ngập trongnước, lực đẩy nổi cũng cần phải được xét đến Tác động của áp lực đất lên kết cấu cũng tương tựnhư của áp lực thuỷ tĩnh Độ lớn của áp lực đất phụ thuộc vào góc ma sát trong, lực dính và một

số đặc tính khác của đất

4.2.4 Tải trọng ngẫu nhiên

Tải trọng ngẫu nhiên xảy ra với các sự kiện không dự kiến trước như nổ, va chạm, hoả hoạn haycác sự kiện là hậu quả của lỗi do con người tạo ra Các kết cấu bắt buộc phải được thiết kế với đủkhả năng chịu được các tác động đã được dự kiến trong quá trình xây dựng cũng như sử dụng.Đối với các tải trọng ngẫu nhiên, phương pháp chính là giảm thiểu các hư hại có thể xảy ra nhưthiết kế kết cấu có độ dẻo dai cao, kết cấu có tính dư để có thể có nhiều khả năng truyền lực, v.v

4.2.5 Tác động gián tiếp

Có rất nhiều tác động phát sinh một cách gián tiếp từ các chuyển vị bị hạn chế Các tác động nàycòn được gọi là tác động cưỡng bức Ví dụ hay gặp là lực phát sinh trong kết cấu siêu tĩnh donhiệt độ thay đổi Tương tự là nội lực phát sinh trong kết cấu bê tông do co ngót và từ biến Cácràng buộc hạn chế chuyển vị cũng rất đa dạng như ma sát giữa nền móng với bản bê tông, cộthạn chế chuyển vị của dầm hay ngược lại, v.v Nội bộ trong từng cấu kiện cũng có hiện tượnghạn chế chuyển vị/biến dạng giữa các bộ phận Ví dụ, bề mặt bê tông bị co lại do sự giảm nhiệt

độ nhanh trong khi phần lõi không co làm cho phần bề mặt bị kéo nứt Chuyển vị lún không đềugiữa các bộ phận móng công trình cũng làm phát sinh nội lực Trong Hình 7 kết cấu siêu tĩnhphát sinh nội lực khi chịu chuyển vị không đều

Hình 7 Kết cấu ngàm cứng, phát sinh mô men uốn khi chuyển vị không đều

4.2.6 Tải trọng động

Các tác động động gây ra gia tốc trong kết cấu Có rất nhiều ví dụ về tác động động như tải trọngtác động điều hoà gây ra bởi máy móc, tác động xung gây ra bởi va chạm, tác động có tính nhấtthời hay ngắn hạn gây ra bởi các vụ nổ, tác động ngắn hạn lặp đi lặp lại như tác động của búađóng cọc, tác động nhất thời có tính ngẫu nhiên như động đất, gió và sóng Đáp ứng của kết cấuphụ thuộc vào tính chất của nó cũng như các đặc trưng của tác động Với các tác động dạng nàytính chất quan trọng của kết cấu là tần số dao động riêng và tính giảm chấn của kết cấu Nóichung, kết cấu càng cứng thì có tần số dao động riêng càng cao Khi kết cấu đủ cứng, có thể coitác động động như là tác động tĩnh (tác động tương đương tĩnh) Khi tần số của tác động bằngkhoảng 1/3 tần số dao động riêng nhỏ nhất của kết cấu cũng có thể coi tác động đó là tươngđương tĩnh Khi phân tích động lực học, người ta phải giải phương trình dao động của kết cấu cóxét đến lực quán tính và tác động Nói chung, phân tích động lực học là một bài toán phức hợp