Công nghệ mới

Giải pháp kiến trúc cải tạo nhà gỗ

Nâng cao cường độ của dầm gỗ - thép bằng mối nối kim loại:

Giải pháp kiến trúc cải tạo nhà gỗ

Tạp chí Xây dựng - Bộ xây dựngDầm liên hợp gỗ - thép đã được áp dụng thành công trong việc cải tạo các tòa nhà gỗ lịch sử tại châu Á. Liên hợp gỗ - thép cho phép tận dụng các đặc tính kết hợp của cả hai vật liệu, như tính nhẹ của gỗ và tính dẻo dai của thép.

1. Đặt vấn đề  

Liên hợp gỗ-thép đưa ra giải pháp thay thế thân thiện môi trường, sự hiệu quả cho các tòa nhà gỗ từ trung đến cao tầng đã được chứng minh (Winter, 2012 và Tavoussi, 2014). Lợi ích kinh tế và sinh thái làm cho sự kết hợp của hai vật liệu này trở thành đối tượng tiềm năng trong việc gia cố công trình gỗ lịch sử do bản thân dầm gỗ rất hạn chế về tiết diện.

Ví dụ, hình 1 minh họa một tòa nhà được gia cố ở Trung tâm Văn hóa và Nghệ thuật Tsung-Yeh, nơi ban đầu là trụ sở chính của công ty sản xuất đường Meiji Nhật Bản. Ngày nay, nhiều sự kết hợp giữa các yếu tố gỗ và thép đã được thực hiện trên thế giới như Jasien'ko và Le.

Theo thiết kế truyền thống, loại dầm đã được thực thi đơn giản, tuy nhiên, việc tính toán hình học của dầm liên hợp gỗ-thép để tiết kiệm chi phí và cải thiện hiệu suất khi chịu tải là rất quan trọng (Dickof, 2012).

Về lý thuyết, cường độ uốn của dầm gỗ-thép được tạo ra bởi kết hợp giữa các cấu kiện gỗ và thép, liên kết keo có thể giúp tối ưu hơn quá trình truyền tải trọng giữa chúng, tuy nhiên không kinh tế. Kết nối bằng kim loại là một giải pháp thay thế giúp truyền tải trọng từ thành phần này sang thành phần khác.

Với hiệu suất kết cấu do các kết nối kim loại khác nhau, nghiên cứu này sẽ ước tính cường độ uốn của các mẫu liên hợp gỗ-thép trên hai hình dạng của thép: hình chữ I và thép tấm, mối nối liên hợp bằng đinh hoặc vít. Hiệu quả kết cấu được kiểm tra bằng thực nghiệm. Các kết quả có thể làm tài liệu tham khảo cho việc ứng dụng gỗ-thép trong các gia cố tòa nhà lịch sử bằng gỗ đặc biệt là ở Đài Loan.

Hình 1. Cải tạo bằng dầm liên hợp thép - gỗ.

2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu  

Dầm thép-gỗ thường được áp dụng ở Đài Loan cấu tạo gồm khối gỗ và tấm thép trung tâm để gia cố, như trong Hình 2(a). Tuy nhiên, hệ số hình dạng của thành phần thép có thể cải thiện đáng kể hiệu suất trong điều kiện tải nhất định, như minh họa trong Hình 2(b).

Các mặt cắt mở có khả năng uốn rất tốt nhưng độ xoắn kém. Dầm chữ I bằng thép có khả năng chống uốn và cắt rất tốt nhưng lại kém khả năng xoắn. Việc bổ sung thêm các khối gỗ là hợp lý để hạn chế hiện tượng xoắn, thậm chí ngăn chặn hiện tượng vênh có thể xảy ra trên bụng dầm.

Hình 2. Cấu tạo hai loại dầm liên hợp thép-gỗ.

Phương pháp kết nối cũng là một vấn đề được xem xét. Kết nối keo đảm bảo phân phối tải liên tục hơn tuy nhiên chưa kinh tế. Phương pháp thay thế là liên kết đinh, việc truyền tải trọng giữa gỗ và thép phụ thuộc vào tính năng của liên kết đinh. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là làm rõ hiệu quả của dầm gỗ-thép bằng đinh và vít, bởi lý thuyết và thực nghiệm với các loại cấu kiện thép khác nhau được kết hợp (hình chữ I và thép tấm).

2.1 Phân tích lý thuyết

Lý thuyết tuyến tính đàn hồi đã được đơn giản hóa tính toán các đặc tính chịu tải và độ võng của dầm. Nó chỉ đề cập đến trường hợp các độ võng nhỏ chịu tải trọng ngang. Tính chất cơ bản sau đây của điều kiện ứng suất uốn trên khối gỗ và lõi thép có thể tính bằng biểu thức (E1) và (E2)  sau:

Trong đó

Độ võng là mức độ mà một phần tử kết cấu bị dịch chuyển dưới tác dụng của tải trọng. Nó có thể là góc hoặc một đoạn. Độ võng của cấu kiện dưới tải trọng có liên quan trực tiếp đến độ nghiêng hình dạng võng của cấu kiện dưới tải trọng đó và có thể tích hợp hàm mô tả toán học độ nghiêng của cấu kiện dưới tải trọng đó.

Trong nghiên cứu này, độ võng của tất cả dầm được giới hạn không lớn hơn 1/360 dài nhịp, nhằm ước tính cường độ chịu uốn hữu hiệu theo quy chuẩn xây dựng. Có thể thu được tính chất cơ bản sau đây của độ võng đàn hồi (tại điểm giữa) trên khối gỗ và lõi thép trong biểu thức (E5) và (E6).

Trong khi tải trọng phân bố đều là tổng của qw và qs, mối quan hệ giữa qw và qs có thể được biểu diễn như (E7): 

Do đó các biểu thức có thể được viết lại như (E8) và (E9):

Dựa vào các điều kiện đã nêu, tải trọng lớn nhất (q) của dầm nghiên cứu có thể được xác định bằng cách xác định giá trị nhỏ nhất của các biểu thức có chứa q.

2.2 Phân tích kết quả tính toán

Theo tính toán như trên Hình 4, tiết diện chữ I đã được chứng minh có hiệu suất cao hơn. So với dầm liên hợp cấu kiện thép tấm, dầm liên hợp cấu kiện thép hình chữ I cho hiệu quả cải tạo tốt hơn; đặc biệt, khả năng chịu lực của dầm liên hợp gỗ-thép với nhiều nhịp khác nhau được tăng lên 1,5–2,5 lần.

Hình 3. Khả năng chịu tải của dầm liên hợp gỗ-thép với độ dày cấu kiện thép 1.9 mm.
Hình 4. Khả năng chịu tải của dầm liên hợp gỗ-thép với độ dày cấu kiện thép 2.7 mm.

2.3 Bố trí thí nghiệm

Các mẫu dự kiến trong nghiên cứu này được trình bày trong Bảng 1, bao gồm các thành phần thép có hình dạng khác nhau, các liên kết khác nhau và một dầm gỗ nguyên bản. Cây gỗ thông trồng trong nước được sử dụng trong để kiểm tra tính khả thi của việc sử dụng những loại gỗ này làm thành phần cấu trúc chính.

Sự kết hợp giữa gỗ và thép được minh họa và thể hiện trên Hình 5, đinh thép và vít được gia cố vào mặt bích của thép hình chữ I để kết nối với gỗ. Đối với Mẫu loại A, bu lông dùng để kết nối gỗ và thép. Thử nghiệm uốn bốn điểm đã được thực hiện như minh họa trong Hình 6. Khoảng cách từ bệ đỡ đến tải trọng là 990 mm. Tổng chiều dài của dầm là 2970 mm.

Hình 5. Gỗ và thép hình chữ I.
Hình 6. Thí nghiệm uốn bốn điểm.

3. Kết quả và thảo luận  

3.1 Cơ chế phá hủy 

Cơ cấu chịu tải loại A chủ yếu dựa vào khả năng chịu cắt của cấu kiện thép, cấu kiện gỗ được liên kết với thép bằng bu lông không giúp chống oằn cấu kiện thép hiệu quả do tỷ lệ chiều dày và chiều cao không đáp ứng. Theo kết quả thử nghiệm, hư hỏng xảy ra khi dầm bắt đầu xoắn như hình 7 và mất khả năng chịu tải.

Cơ chế phá hủy của loại C và loại D là tương tự nhau. Việc liên kết giữa gỗ và thép dựa vào đinh và vít ở mặt bích như minh họa trên Hình 9. Khi dầm lệch, thanh nối trượt giữa thép và gỗ để chịu lực truyền. Độ cứng uốn giảm khi đinh hoặc vít bị uốn cong. Dầm mất khả năng chịu tải khi phần dưới của cấu kiện gỗ bị nứt, hoặc đinh/vít mất khả năng chống cắt. Cơ chế phá hủy của loại F là dầm gỗ không có cốt thép, điển hình là vết nứt bụng dưới của gỗ.

Hình 9. Phá hoại trượt trên mối nối giữa thép và gỗ.

3.1 Cường độ uốn 

So sánh độ bền uốn được thể hiện trên Hình 10. Từ kết quả thử nghiệm có thể hiểu loại A thể hiện khả năng chịu tải lớn nhất trong số tất cả các loại. Tải trọng tối đa của loại A là 40898 N với độ võng là 44 mm, trong khi tải trọng tối đa của loại C và loại D lần lượt là 33086 N và 38559 N. Tải trọng tối đa của loại F là 21453 N.

So sánh mối quan hệ Tải trọng - Độ lệch, có thể thấy rằng mặc dù loại A thể hiện khả năng chịu tải tối đa nhưng loại D cho thấy độ cứng ban đầu tốt hơn, cao hơn loại A, trong khi loại C nhỏ hơn một chút so với loại D. Xét độ võng theo quy định thiết kế thì độ võng tối đa trong phạm vi 1/360 nhịp và khả năng chịu tải trong phạm vi độ võng được coi là hiệu quả.

Vì vậy, so sánh khả năng chịu tải tại độ võng L/360, có thể thấy loại D là loại có giá trị thiết kế cao nhất, cao hơn loại A khoảng 1,5 lần, cao hơn loại F 2,5 lần, trình bày ở Bảng 2. Kết quả thí nghiệm kết quả phù hợp với các phân tích lý thuyết sơ bộ tính toán ở phần 2.1.

Hình 10. So sánh cường độ uốn.

Bảng 2. Độ cứng ban đầu và tải trọng khi uốn L/360

4. Kết luận  

Nghiên cứu này khảo sát khả năng chịu uốn của các loại dầm liên hợp gỗ-thép dựa trên phân tích lý thuyết và thực nghiệm sơ bộ. Kết quả có thể được kết luận như sau:

1. Kết quả cho thấy, so với dầm liên hợp có cấu kiện thép tấm, dầm liên hợp có cấu kiện thép hình chữ I cho hiệu quả cải tạo tốt hơn, đặc biệt, khả năng chịu lực của dầm liên hợp gỗ-thép với nhịp ngắn hơn có khả năng tăng lên 1,5-2,5 lần.

2. Đối với loại A gồm thép tấm và thành phần gỗ được liên kết bằng bu lông, hư hỏng xảy ra khi dầm liên hợp bắt đầu xoắn và mất khả năng chịu tải.

3. Đối với loại C và loại D gồm các cấu kiện thép và gỗ hình chữ I có liên kết đinh hoặc vít thì độ cứng uốn giảm khi đinh hoặc vít cong. Dầm liên hợp mất khả năng chịu tải khi bản dưới của cấu kiện gỗ bị nứt, hoặc đinh/vít mất khả năng chống cắt.

4. Mặc dù loại A thể hiện khả năng chịu tải lớn nhất trong số tất cả các loại nhịp, tuy nhiên xét độ võng quy định thiết kế được kiểm soát trong phạm vi 1/360 của nhịp, cho thấy loại D là loại có hiệu quả thiết kế cao nhất, cao hơn loại A khoảng 1,5 lần.
 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Dickof, C, Stiemer S.F, Tesfamariam S, “Wood-steel hybrid seismic force resisting systems: seismic ductility”, World Conference on Timber Engineering, Auckland, 2012, 994-1001
[2]. Jasien´ko, J. and Nowak, T. P, “Solid timber beams strengthened with steel plates - Experimental studies”, Construction and Building Materials 63, 2014,81-88. 
[3]. Hsu, T.L, Chang, F.C, Tsai, M.T, Le, T.D.H, Study on Performance of Timber-Steel Composite Beams with Different Shapes of Steel Components, World Conference on Timber Engineering, Vienna, 2016, 63-70.
[4]. Le, T.D.H, Tsai, M.T, “Numerical Study on Optimization of Wooden-Steel Hybrid Beams Base on Shape Factor of Steel Component”, International Journal of Technology and Engineering Studies, Vol. 1, no. 2, 2015, 53-62.
[5]. Tavoussi, K, Winter, W, Pixner, T, and Parada, F, “Timber-steel hybrid beams for multi-storey buildings: design criteria, calculation and tests”. World Conference on Timber Engineering, Quebec City, 2014.
[6]. Winter, W, Tavoussi, K, Pixner, T, and Parada, F, “Timber-steel-hybrid beams for multi-storey buildings”, Proceedings of World Conference on Timber Engineering, Auckland, 2012.

Ý kiến của bạn