Tính toán dầm liên hợp đơn giản thép – bê tông cốt thép có tiết diện
MỞ ĐẦU
Nhịp độ phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế và xã hội ở nước t, nhu cầu xây dựng nhiều nhà cao tầng cho văn phòng và nhà ở ngày càng cấp bách. Việc lựa chọn các dạng kết cấu đáp ứng tốt yêu cầu công năng và tăng tiến độ thi công của loại nhà này ngày càng được quan tâm nhiều.
Khi sử dụng các giải pháp kết cấu bê tông cốt thép thông thường, công trình nhà cao tầng đòi hỏi kích thước các cấu kiện kết cấu có thể rất lớn, nặng nề, tốn kém, giảm không gian sử dụng và giảm tính thẩm mỹ. Để khắc phục các nhược điểm kể trên, giải pháp kết cấu liên hợp thép – bê tông đã và đang được sử dụng ở nhiều nước trên thế giới cho các công trình nhà nhiều tầng.
Kết cấu liên hợp thép – bê tông cốt thép, trong đó dầm thép liên kết với bản bê tông cốt thép là dạng kết cấu có khả năng huy động được sự làm việc đồng thời của dầm thép với bản bê tông cốt thép. Với tiết diện chịu mômen dương dạng kết cấu này có thể kết hợp giữa hai loại vật liệu thép và bê tông cốt thép để tạo thành tiết diện tổ hợp tham gia chịu lực tốt nhất (trong đó phần sàn bê tông cốt thép chịu nén được bố trí ở thớ chịu nén, phần thép chịu kéo tốt được bố trí ở thớ chịu kéo của tiết diện).
Dầm liên hợp thép – bê tông cốt thép nếu liên kết tốt giữa các loại vật liệu với nhau có thể xem bản sàn là thành phần của hệ kết cấu cùng chịu lực có tác dụng tăng độ cứng toàn hệ, do đó hệ dầm sàn nhẹ hơn và chiều cao kết cấu hệ dầm sàn sẽ nhỏ hơn. Mặt khác do có sự liên kết của bản sàn và kết cấu thép có tác dụng giữ cho hệ dầm không bị mất ổn định tổng thể, đồng thời tăng độ cứng cho toàn công trình. Như vậy, độ cứng của hệ sàn được tăng cường, sử dụng vật liệu hợp lý cho phép dầm sàn liên hợp có thể vượt nhịp lớn mà vẫn đạt được kích thước cấu kiện hợp lý. Hiệu quả kinh tế không chỉ dừng lại ở đó mà kích thước cấu kiện nhỏ nên tải trọng bản thân nhỏ, từ đó có thể giảm khối lượng, kích thước cột và giảm kích thước móng.
Việc khảo sát nghiên cứu tính toán dầm liên hợp đơn giản thép – bê tông cốt thép có tiết diện thay đổi dựa trên cơ sở tính toán của tiêu chuẩn Eurocode 4 với mong muốn tìm ra được giải pháp hợp lý cho việc chọn tiết diện dầm liên hợp thép – bê tông, và lý thuyết áp dụng tính toán độ võng cho dầm liên hợp thép – bê tông có tiết diện thay đổi.
– Tìm hiểu sự làm việc và tính toán dầm liên hợp, đặc biệt là dầm thép trong dầm liên hợp thép – bê tông.
– Nghiên cứu lựa chọn các thông số của tiết diện liên hợp về hình dạng dầm thép, cường độ vật liệu thép và bê tông để có được tiết diện của dầm thép trong dầm liên hợp thép – bê tông là hợp lý nhất theo tiêu chí giảm trọng lượng thép nhưng vẫn đảm bảo về khả năng chịu lực.
– Tính toán liên kết chốt giữa bản sàn với dầm thép trong dầm liên hợp thép – bê tông.
– Nghiên cứu lý thuyết tính toán độ võng cho dầm liên hợp có tiết diện thay đổi.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
– Đối tượng nghiên cứu: Dầm thép trong dầm liên hợp thép – bê tông;
– Phạm vi nghiên cứu: Luận văn chỉ đề cập đến việc tính toán dầm LHT-BT sơ đồ đơn giản, với tải trọng sử dụng thẳng đứng, liên kết giữa sàn bê tông cốt thép với dầm thép là liên kết hoàn toàn. Từ đó, lựa chọn tiết diện hợp lý hóa tiết diện dầm trong công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, chỉ xét trong giai đoạn sử dụng, không xét đến bài toán trong giai đoạn thi công.
Trong đó, tính toán thay đổi tiết diện dầm thép tổ hợp tại các vị trí có thể, để phù hợp với mômen bền dẻo của dầm tại các vị trí ấy, tiết kiệm vật liệu, giảm trọng lượng bản thân nhưng đảm bảo khả năng chịu lực và yêu cầu cấu tạo, tính toán liên kết chốt giữa bản sàn với dầm thép, tính toán độ võng cho dầm liên hợp có tiết diện thay đổi.
4. Phương pháp nghiên cứu
– Tìm hiểu lý thuyết và phương pháp tính toán kết cấu dầm LHT-BT; những thành tựu ứng dụng của kết cấu này trên thế giới và tại VN.
– Dựa trên quy định của tiêu chuẩn châu Âu về thiết kế kết cấu LHT-BT.
– Nghiên cứu, tổng kết và kiến nghị phương pháp tính toán thiết kế đối dầm liên hợp đơn giản thép – bê tông khi dầm thép tổ hợp có tiết diện thay đổi liên kết hoàn toàn với bản bê tông cốt thép.
Phương pháp lý thuyết tính toán cho dầm liên hợp đơn giản thép – bê tông có tiết diện thay đổi. Kiến nghị về các phương pháp thay đổi tiết diện, lựa chọn tiết diện dầm thép hợp lý, tính toán liên kết chốt giữa bản sàn với dầm thép và lý thuyết tính toán độ võng cho dầm liên hợp đơn giản trong kết cấu LHT-BT; sản phẩm có thể làm tài liệu tham khảo khi tính toán thiết kế.
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị. Luận văn gồm 3 chương:
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG
Chương 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ DẦM LHT-BT
Chương 3: TÍNH TOÁN DẦM LIÊN HỢP ĐƠN GIẢN THÉP – BÊ TÔNG CÓ TIẾT DIỆN DẦM THÉP THAY ĐỔI
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG
1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG
Lịch sử phát triển của việc dùng kết cấu liên hợp thép – bê tông gắn liền với lịch sử phát triển kết cấu bê tông cốt thép, vì thực chất loại kết cấu này là một trường hợp cá biệt của kết cấu bê tông cốt thép. Do tính chất cấu tạo của “cốt thép” khác so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường, nó có thể ở dạng thép tấm, thép hình, thép ống, thép ở dạng khung, nó có thể nằm ngoài (kết cấu thép nhồi bê tông), hay có thể nằm bên trong bê tông (kết cấu thép bọc bê tông), hoặc có thể nằm ở hai thớ khác nhau của tiết diện nên tính chất làm việc, sự tương tác giữa bê tông và thép không giống như bê tông cốt thép thông thường (dùng cốt tròn), vì vậy việc thiết kế loại kết cấu này cũng mang tính chất hoàn toàn khác [1, tr8].
Tuy ra đời muộn hơn một số kết cấu truyền thống như kết cấu thép, kết cấu bêtông, kết cấu gỗ…nhưng dạng kết cấu này đã được sử dụng từ hơn 100 năm nay và càng ngày càng thấy có nhiều ưu việt, cần thiết phải khai thác. Kết cấu LHT-BT bắt đầu xuất hiện từ năm 1894, thời kỳ đầu các ứng dụng chủ yếu làm cầu như các công trình: cầu Rock Rapids (1894); cầu ở Pitts Burgh, Pennsylvania (1898) [1, tr 8-9]; Cầu Sava ở Bekgrade, Nam Tư cũ (1956); Cầu Whisky Creek, Mỹ (1961).
Trước năm 1950 thì việc ứng dụng kết cấu LHT-BT trong công trình xây dựng thường không có tính kinh tế cao, do lượng ván khuôn, hệ đỡ cần sử dụng trong quá trình thi công bản bê tông là khá nhiều, kèm theo đó là việc mất nhiều thời gian để hàn các neo thép vào cánh dầm. Đến thời điểm này, kết cấu LHT-BT chỉ được sử dụng rộng rãi trong thi công cầu.
Sự phát triển của máy hàn đinh theo công nghệ cung lửa điện vào khoảng năm 1954 cho phép ra đời loại neo bằng chốt hàn có mũ, có thể liên kết nhanh và tại chỗ trên bản cánh của dầm thép. Cùng với sự ra đời của ván khuôn thép định hình vào nửa cuối những năm 1950 (sau này phát triển, thay thế bằng tôn sóng) đã xóa bỏ hầu như toàn bộ việc sử dụng ván khuôn tạm bằng gỗ trước kia. Ván khuôn thép này sử dụng làm sàn công tác đỡ tải trọng thi công cũng như làm ván khuôn vĩnh cửu cho bê tông.
Từ đó, kết cấu LHT-BT bắt đầu được dùng phổ biến trong xây dựng nhiều nhà cao tầng trên thế giới như: Toà nhà Atlantic Centre Project ở Atlant, Millennium Tower, Bãi đỗ xe DEZ (Áo), Citibank Duisburg (Đức) [1, tr.17-19]. Việc sử dụng kết cấu LHT-BT đã trải qua một quãng đường dài, nhưng chính thức đưa vào tiêu chuẩn quốc gia thì gần đây mới được quan tâm rõ rệt.
Sau khi các tiêu chuẩn ASSHTO (Mỹ), DIN 1078 (Đức), SRC Standard (Nhật) ban hành thì hàng loạt các quốc gia khác dựa vào đó để soạn thảo tiêu chuẩn cho nước mình. Gần đây Uỷ ban cộng đồng Châu Âu CEC (The Commission of the European Communities) thấy rằng cần thiết phải có một bộ tiêu chuẩn thống nhất chung cho các quốc gia Châu Âu không chỉ về kết cấu liên hợp mà về các kết cấu xây dựng nói chung; bộ tiêu chuẩn này ra đời, gọi là European Codes (EuroCodes hay EC). EuroCodes gồm 9 tập, trong đó EuroCodes 4 là tiêu chuẩn về Kết cấu LHT-BT [1, tr 12-13].
Ở Việt Nam, lý thuyết tính toán cấu kiện LHT-BT (bê tông cốt cứng) đã được đưa vào giáo trình bậc đại học từ năm 1995; dựa theo lý thuyết tính toán của Nga và còn khá đơn giản. Sau đó, một số luận văn cao học của các tác giả như Nguyễn Văn Khánh (1996), Nguyễn Văn Quang hoặc các đề tài NCKH của ĐH Xây Dựng và Viện KHCN Xây dựng IBST, Hà Nội (2005). Năm 2006 lý thuyết tính toán “Kết cấu liên hợp thép – bêtông dùng trong nhà cao tầng”[3] được xuất bản, nhằm cung cấp kiến thức cơ bản về kết cấu liên hợp cho kỹ sư, cán bộ kỹ thuật, nghiên cứu và giảng dạy ở bậc cao học của ngành xây dựng; trên cơ sở đó có thể thiết kế, thi công loại kết cấu này khi thực tế xây dựng yêu cầu.
Một vài hình ảnh công trình sử dụng kết cấu liên hợp
|  |
Hình 1.1 – Tháp thiên niên kỷ 55 tầng sử dụng kết cấu liên hợp (Viên – Áo)
Hình 1.2 – Nhà khung liên hợp 35 tầng Major Bank Dallas
Hình 1.3 – Atlantic Center
Hình 1.4 – Nhà cao tầng dùng cột rỗng nhồi bê tông tai Tokyo
Hình 1.5 – Nhà cao tầng dùng sàn liên hợp tại Tokyo
![images380733_xethangcuuhoa[1]](http://khotailieu.com.vn/wp-content/uploads/2026/06/images380733_xethangcuuhoa1.jpeg)
Hình 1.6 – Tòa nhà Diamond Plaza 21 tầng tại TP. Hồ Chí Minh
Hình 1.7 – Sàn liên hợp tại 109 Đường Trường Chinh Hà Nội (trước khi đổ bê tông)
Hình 1.8 – Công trình Hudtower đang thi công
Hình 1.9 – Cột liên hợp tại công trình Hudtower
Hình 1.10 – Cột liên hợp tròn tại công trình Hudtower
Hình 1.11 – Trung tâm thương mại tài chính Bitexco tại Hồ Tùng Mậu – Hải Triều – Quận 1 – Thành phố Hồ Chí Minh
Hình 1.12 – Nhà đa năng 23 tầng (2 tầng hầm) cột thép bọc bê tông, sàn bê tông tại phố Nguyễn Ngọc Vũ – Hà Nội (đang thi công)
Hình 1.13 – Cầu vượt phố Láng hạ (đang thi công)
Hình 1.14 – Sàn liên hợp cầu vượt phố Láng Hạ (đang thi công)
Hình 1.15 – Cầu vượt Láng Hạ – Lê Văn Lương (đang thi công)
1.2. KHÁI NIỆM VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG
Một cấu kiện được gọi là liên hợp nếu nó được tạo bởi hai loại vật liệu có đặc tính khác nhau. Mục đích của kết cấu liên hợp là tận dụng về mặt cơ học những đặc tính tốt nhất của mỗi loại vật liệu này. Trường hợp phổ biến trong xây dựng là kết cấu liên hợp thép – bê tông.
Khác với kết cấu bê tông cốt thép thông thường, có cốt chịu lực là các thanh thép tròn, kết cấu liên hợp thép – bê tông là kết cấu mà thép chịu lực có tiết diện lớn dạng thép tấm, thép hình, thép ống. Nó có thể nằm ngoài bê tông (gọi là kết cấu thép nhồi bê tông) hay nằm trong bê tông (gọi là kết cấu thép bọc bê tông), hoặc có thể nằm cạnh nhau được liên kết với nhau để cùng làm việc.
Hình 1.16 – Cấu tạo kết cấu liên hợp thép bê tông
Hình 1.17 – Các dạng tiết diện kết cấu hỗn hợp thép – bê tông
Chú thích: – Kết cấu thép nhồi bê tông: , b.
– Kết cấu thép bọc bê tông: h, i, k, l
– Kết cấu thép vừa bọc bê tông vừa nhồi bê tông: c, d.
– Kết cấu liên hợp thép – bê tông: e, m.
Việc hình thành các dạng kết cấu liên hợp bắt nguồn từ hai nguyên nhân:
– Bắt đầu tự ý định thay thế các cốt thép tròn bằng các cốt thép dạng khác (gọi là cốt cứng); khi hàm lượng thép quá lớn, hình thành nên kết cấu liên hợp.
– Bắt đầu từ ý tưởng muốn bao bọc kết cấu thép chịu lực bằng bê tông để chống xâm thực, chống cháy hoặc để cùng chịu lực, từ đó hình thành nên kết cấu LHT-BT. Tuy ra đời muộn hơn một số kết cấu truyền thống khác như kết cấu thép, kết cấu bê tông cốt thép, kết cấu gỗ… nhưng dạng kết cấu này đã được áp dụng nhiều năm nay và ngày càng thấy có nhiều điểm ưu việt cần được khai thác [1, tr 7-8].
1.3. ĐẶC ĐIỂM CỦA KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG
– Khả năng chống ăn mòn của thép được tăng cường. Điều này càng có ý nghĩa đối với công trình xây dựng ở vùng khí hậu có độ ẩm cao, công trình ven biển, các cấu kiện bị tiếp xúc với môi trường ăn mòn.
– Khả năng chịu lửa tốt. Đối với các cấu kiện được bọc bê tông, khả năng chịu lửa của thép được đảm bảo tốt hơn là sử dụng thép bọc ngoài.
– Tăng độ cứng của kết cấu, điều này thấy rõ đối với các cột LHT-BT kể cả bọc ngoài hay nhồi trong đều làm giảm độ mảnh của cột thép, làm tăng khả năng ổn định cục bộ cũng như tổng thể của cột thép.
– Khả năng chịu biến dạng lớn hơn kết cấu bê tông cốt thép, đó là ưu điểm lớn trong việc chịu tải trọng động đất.
– Có thể tạo kết cấu ứng lực trước trong khi thi công, tăng hiệu quả sử dụng vật liệu, nhất là vật liệu cường độ cao.
– Có thể dễ dàng dùng phương pháp thi công hiện đại (phương pháp thi công ván khuôn trượt, thi công lắp ghép) làm tăng tính cơ động, tăng tốc độ thi công, sớm đưa công trình vào sử dụng.
– So với kết cấu bê tông thông thường, kích thước của kết cấu LHT-BT bé hơn, do đó tăng được không gian sử dụng.
– Có thể đạt hiệu quả kinh tế cao: So với kết cấu bê tông cốt thép thông thường thì lượng thép dùng trong kết cấu LHT-BT lớn hơn, nhưng đôi khi chưa hẳn là đắt hơn. Nếu đánh giá hiệu quả kinh tế một cách toàn diện thì có thể chi phí vật liệu cao, nhưng được bù lại bởi tốc độ thi công nhanh, đưa vào sử dụng sớm, quay vòng vốn nhanh thì cuối cùng công trình sẽ rẻ hơn [1, tr16].
1.4. SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG
Bê tông và thép là các vật liệu cơ bản khác nhau, tuy nhiên trong kết cấu LHT-BT thì chúng hoàn toàn tương hợp và bổ sung cho nhau. Chúng có hệ số dãn nở do nhiệt gần như nhau và có thể tạo nên một tổ hợp lý tưởng về mặt độ bền. Bê tông làm việc hiệu quả khi chịu nén, ngược lại thép có khả năng chịu kéo rất tốt. Bê tông có khả năng chống ăn mòn tốt và là chất cách nhiệt tốt cho thép khi ở nhiệt độ cao. Ngoài ra nó còn làm tăng độ cứng của các cấu kiện thép mảnh để nâng cao khả năng ổn định, nhất là đối với các thành thép mỏng khi chịu nén (là bản bụng của dầm, cột).
Khi dùng kết cấu hỗn hợp thép – bê tông người ta nhận thấy ngay rằng việc tạo các chi tiết neo để tăng lực dính kết giữa bê tông và thép là cực kỳ quan trọng và không thể thiếu được. Ý tưởng cơ bản giống như đối với kết cấu bê tông và thép thông thường; tuy nhiên kết cấu liên hợp có những đặc điểm riêng: đó là vai trò của các liên kết chống trượt; trong khi ở kết cấu BTCT thông thường thì chỉ do lực ma sát của bề mặt cốt thép và bê tông đảm bảo sự làm việc đồng thời của hai loại vật liệu này.
a. Tiết diện không được liên kết b. Tiết diện được liên kết hoàn toàn
Hình 1.18 – Hiệu quả liên kết hai dầm khi chịu uốn
Nếu khảo sát cấu kiện trên chỉ trong giai đoạn đàn hồi, dễ dàng thấy rằng, cùng một giá trị tải trọng thì trường hợp được liên kết hoàn toàn độ cứng EI của tiết diện tăng, nên ứng suất pháp lớn nhất trên tiết diện sẽ giảm đi một nửa và độ võng sẽ giảm đến 4 lần.
Nói chung, trong kết cấu liên hợp thép – bê tông, sự ma sát tự nhiên giữa thép và bê tông là bé, nên thường được bỏ qua (trừ trường hợp cột liên hợp và một số bản sàn liên hợp dùng tôn sóng có sườn vằn định hình). Sự làm việc đồng thời giữa hai loại vật liệu được đảm bảo do bố trí những bộ phận nối gọi là các liên kết; chúng được gắn chặt trên các cấu kiện thép (chốt hàn, thép góc hàn, các neo, móc…) mà vai trò của chúng là ngăn cản, hoặc ít nhất là hạn chế sự trượt dọc xảy ra trên mặt tiếp xúc giữa thép và bê tông. Tuỳ theo mật độ bố trí liên kết mà trong xây dựng nhà phân ra liên kết hoàn toàn và liên kết không hoàn toàn. Một cách rõ ràng hơn, thí dụ đối với dầm liên hợp, liên kết hoàn toàn là liên kết mà nếu tăng nhiều hơn so với số liên kết đã bố trí thì khả năng chịu lực của tiết diện dầm cũng không tăng thêm được nữa; trong trường hợp ngược lại ta có liên kết không hoàn toàn.
1.5. KẾT CẤU HỆ DẦM SÀN LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG
1.5.1. Khái niệm hệ dầm sàn liên hợp thép – bê tông (LHT-BT)
– Hệ dầm sàn liên hợp bao gồm sàn bê tông và dầm thép (Hình 1.19). Sàn có thể là sàn bê tông cốt thép quen thuộc đổ trên cốp ph, sàn đúc sẵn hay là sàn liên hợp đổ trên tôn sóng bằng thép đóng vai trò như cốp pha và làm cốt thép dưới cho sàn.
– Sàn liên hợp (bê tông + tôn sóng bằng thép) truyền lực xuống hệ chịu lực (hệ dầm), sau đó lực được truyền xuống hệ cột. Hình dạng tôn sóng (dạng tiết diện và dạng gờ) được chế tạo sao cho đảm bảo liên kết giữa tôn và bê tông. Liên kết này là yếu tố chủ yếu đảm bảo sự làm việc của sàn liên hợp. Chốt hàn làm tăng liên kết giữa tôn và dầm nhưng chỉ liên quan về mặt cơ học đến liên kết của dầm liên hợp.
Hình 1.19 – Hệ dầm sàn liên hợp với tôn sóng bằng thép
1.5.2. Bố trí hệ dầm sàn LHT-BT trong công trình nhà dân dụng
a. Bố trí tấm tôn sóng trong hệ dầm sàn LHT-BT
Sàn liên hợp truyền lực theo phương của sườn đến các dầm phụ. Dầm phụ truyền lực đến từ sàn liên hợp đến dầm chính. Dầm phụ có thể coi như dầm liên hợp nếu có liên kết giữa sàn liên hợp và dầm thép, trong trường hợp này ta phải sử dụng neo.
Dầm chính có thể được tính toán như dầm liên hợp nếu có liên kết giữa dầm thép và sàn bê tông.
– Tấm tôn sóng bằng thép có thể được bố trí theo hai phương:
+ Phương của sườn vuông góc với dầm phụ (Hình 1.19). Đó là cách bố trí cho phép phân bố nội lực tốt nhất giữa các cấu kiện và có độ cứng tổng thể lớn nhất;
+ Phương của sườn song song với dầm phụ. Cách bố trí này không có lợi vì sự chịu lực của dầm phụ và của sàn sẽ chồng chéo nhau trong khi độ cứng lại nhỏ.
– Theo lý thuyết, việc xác định nội lực và khả năng chịu lực của sàn liên hợp phải tính đồng thời theo cả hai phương. Do sự làm việc phức tạp, tính không đồng nhất của vật liệu và sự tính toán phức tạp nên các phương pháp tính toán hiện nay đều dựa trên sự làm việc của các cấu kiện theo một phương.
b. Bố trí hệ dầm thép trong hệ dầm sàn LHT-BT
– Có 03 phương án bố trí hệ dầm sàn LHT-BT:
Hệ dầm sàn LHT-BT bố trí theo sơ đồ đơn giản;
Hệ dầm sàn LHT-BT bố trí theo sơ đồ phổ thông;
F:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LUAN VAN 2014\LUAN VAN KY THUAT\LUAN VAN LOP K26 XDDD\TRAN KHANH LUAN
