Nhằm mục đích đơn giản hóa việc sắp xếp hệ thống đường ống trong xây dựng, dầm có thể được khoan các lỗ mở với kích thước khác nhau. Khi đó khả năng làm việc cũng bị giảm theo từng trường hợp tương ứng, do đó việc gia cố thép lỗ xuyên dầm là một công tác vô cùng quan trọng. Vậy ta phải gia cố thép lỗ xuyên dầm ra sao để đảm bảo tốt nhất tính bền của cấu kiện?
Khi nào cần thiết kế lỗ mở xuyên dầm?
Các tòa nhà hiện nay hầu hết đều cần có một hệ thống mạng lưới đường ống nhằm đáp ứng các dịch vụ thiết yếu như đường ống cấp thoát nước, hệ thống điều hòa thông gió, hệ thống điện…Thường thì những đường ống này được bố trí dưới dầm và được che lại bởi hệ thống trần giả (trần nhựa, thạch cao…) do đó tạo ra một không gian chết của ngôi nhà.
Việc đưa các đường ống xuyên qua dầm là một phương án hiệu quả để làm giảm phần không gian chết này, đồng thời mang tới một thiết kế gọn gàng đẹp mắt hơn. Đối với những công trình nhỏ thì những điều này không đáng kể, song với những công trình lớn thì nó có thể giúp tiết kiệm được chiều cao tầng, từ đó tăng được số tầng cũng như giảm các loại tải trọng.
Đó là lý do vì sao lại thiết kế lỗ mở xuyên dầm. Tuy nhiên, rõ ràng một điều là khi mở lỗ như vậy thì khả năng làm việc của dầm sẽ bị giảm. Khi tiết diện dầm thay đổi sẽ tạo ra các vị trí tập trung ứng suất lớn dẫn đến sự xuất hiện của các vết nứt. Dầm bị giảm độ cứng cũng đồng nghĩa với việc bị tăng độ võng và giảm độ bền ở một mức độ nhất định.
Chính vì thế vấn đề cần phải giải quyết là gia cố thép lỗ xuyên dầm một cách hết sức cẩn thận. Việc gia cố thép lỗ xuyên dầm đóng vai trò quan trọng giúp dầm lấy lại độ cứng ban đầu, cũng như hạn chế các vết nứt dẫn đến sự cố nứt gãy dầm không mong muốn.
Gia cố thép lỗ xuyên dầm sẽ được xét trên hai trường hợp khác nhau là đối với các lỗ mở nhỏ và các lỗ mở lớn.
Việc phân biệt lỗ mở nhỏ và lỗ mở lớn trên dầm không phụ thuộc vào hình dạng của các loại lỗ mở (hình tròn, hình chữ nhật, hình thang…) mà phụ thuộc vào phản ứng của dầm. Khi xuất hiện lỗ mở mà dầm vẫn ứng xử như thông thường tức là vẫn áp dụng được lý thuyết dầm (lý thuyết uốn) thì lỗ mở đó được coi là nhỏ. Ngược lại, các lỗ mở lớn sẽ làm thay đổi cách làm việc của dầm.
Chúng ta sẽ tìm hiểu phương án gia cố thép lỗ xuyên dầm đối với từng trường hợp trong phần dưới đây.
Gia cố thép lỗ xuyên dầm với các lỗ mở nhỏ
Các dạng phá hoại khi dầm có lỗ mở nhỏ
Đối với dạng dầm chịu uốn thuần túy, việc bố trí các lỗ mở nhỏ sẽ không làm ảnh hưởng tới sự làm việc của dầm, bởi vùng chịu kéo đương nhiên sẽ xuất hiện các vết nứt ở trạng thái tới hạn, miễn là chiều cao tối thiểu của biên chịu nén lớn hơn hoặc bằng chiều cao vùng nén ở trạng thái tới hạn. Chỉ có điều các vết nứt sẽ xuất hiện sớm hơn một chút do có sự giảm độ cứng tại các tiết diện có lỗ mở.
Đối với dầm chịu tác động đồng thời của momen và lực cắt, dầm sẽ bị phá hoại theo hai dạng cơ bản như sau:
Thứ nhất là phá hoại kiểu dầm, thường bắt gặp ở các dầm đặc thông thường. Các vết nứt xuất hiện trên mặt phẳng nghiêng 45 độ và đi qua tâm lỗ mở.
Thứ hai là phá hoại kiểu khung, các vết nứt chéo nhau xuất hiện độc lập tại hai phần biên dầm phía trên và phía dưới của lỗ mở. Mỗi biên dầm sẽ ứng xử độc lập tương tự như các phần tử trong kết cấu khung.
Phương án gia cố thép lỗ xuyên dầm cho các lỗ mở nhỏ
Sau khi đã nắm được các kiểu phá hoại dầm như phía trên, ta cần bố trí cốt thép gia cố sao cho ngăn ngừa được cả hai kiểu phá hoại này. Theo các nghiên cứu thì phương án dưới đây có thể được xem là tối ưu nhất:
- Các thanh màu vàng là cốt đai ngắn nhằm chống phá hoại kiểu khung
- Các thanh màu đỏ là cốt đai dài nhằm chống phá hoại kiểu dầm
- Các thanh màu xanh là cốt thép cấu tạo để neo cốt đai ngắn
- Các thanh màu tím là cốt thép theo phương chéo để ngăn chặn các vết nứt.
Đồng thời khi gia cố thép lỗ xuyên dầm thì ta cũng cần quan tâm đến đường kính và chiều dài các thanh thép gia cố. Đường kính thép và chiều dài các thanh này phụ thuộc vào chiều cao của dầm và đường kính của lỗ mở. Các thanh màu vàng và đỏ có chung đường kính gọi là phi 1, các thanh cấu tạo màu xanh và tím có chung đường kính là phi 2. Quan sát bảng sau:
Giả sử đường kính lỗ mở là 50mm, với dầm cao 400mm thì phi 1 và phi 2 đều là phi 16;
Ví dụ khác với đường kính lỗ mở d= 150-200mm, với dầm cao 1000mm ta sẽ có phi 1= 16 và phi 2 = 18mm. Đồng thời trong bảng cũng thể hiện miền không cần gia cường thép và miền không được phép khoét lỗ cấu kiện.
Gia cố thép lỗ xuyên dầm với dầm có lỗ mở lớn
Dạng phá hoại khi dầm có lỗ mở lớn
Tương tự như đối với các dầm có lỗ mở nhỏ, đối với các dầm chịu uốn thuần túy thì việc mở các lỗ mở lớn cũng không làm ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn của dầm miễn là không làm ảnh hưởng đến kích thước vùng nén của dầm tại trạng thái giới hạn.
Còn đối với dầm chịu tác động của cả momen và lực cắt, các biên dầm trên và dưới của lỗ mở lớn sẽ ứng xử như một dầm độc lập và phá hoại xảy ra sẽ là phá hoại dẻo như trong hình dưới đây. Cơ chế phá hoại bao gồm 4 nút dẻo hình thành tại mỗi đầu của các biên dầm.
Phương án gia cố thép lỗ xuyên dầm dành cho các lỗ mở lớn
Việc phân tích và tính toán để gia cố thép lỗ xuyên dầm với các dầm có lỗ mở lớn khá phức tạp. Để tìm ra phương án gia cố cần phải phân tích được tải trọng phá hoại dựa trên các điều kiện cơ bản như điều kiện cân bằng, điều kiện phá hoại dẻo và cơ cấu phá hoại được thỏa mãn đồng thời. Muốn nắm được cụ thể và chi tiết hơn về phần này cần có sự tham vấn và tính toán từ các kiến trúc sư có chuyên môn.
Về cơ bản các bước tính toán để gia cố thép lỗ xuyên dầm với dầm có lỗ mở lớn sẽ bao gồm các bước sau:
- Bước 1: Xác đinh cốt thép dọc cho biên dầm chịu nén
- Bước 2: Xác định lực cắt chịu bởi biên dầm chịu nén
- Bước 3: Xác định nội lực và thiết kế biên dầm chịu kéo
- Bước 4: Thiết kế chống nứt
Hình dưới đây thể hiện cốt thép gia cố thép lỗ xuyên dầm cho lỗ mở lớn:
Tương tự như gia cố thép lỗ xuyên dầm với các dầm có lỗ mở nhỏ, ta cần bố trí các cốt thép ngắn – dài cho các biên dầm chịu kéo – chịu nén cũng như thanh thép chéo xung quanh lỗ mở để hạn chế các vết nứt.
Như vậy, trên đây vừa cùng bạn đọc tìm hiểu về những ứng xử của dầm khi trên thân dầm xuất hiện các lỗ mở nhỏ và lớn cũng như cách gia cố thép lỗ xuyên dầm trong từng trường hợp tương ứng. Dù ít hay nhiều thì việc khoét lỗ cũng sẽ làm ảnh hưởng đến đường truyền lực của dầm, do đó ngoại trừ một vài trường hợp không cần thiết, ta cần gia cố thép lỗ xuyên dầm đúng yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo dầm làm việc được tốt nhất.