NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẾT NỨT TRONG BẢN BÊ TÔNG CÓ TƯƠNG TÁC KHÔNG HOÀN TOÀN VỚI DẦM THÉP HÌNH ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP-BÊ TÔNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA VẾT NỨT TRONG BẢN BÊ TÔNG CÓ TƯƠNG TÁC KHÔNG HOÀN TOÀN VỚI DẦM THÉP HÌNH ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP-BÊ TÔNG

Lý do chọn đề tài

Kết cấu liên hợp thép-bê tông (LH-TBT) đang được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng nhờ phát huy được những ưu việt của sự làm việc liên hợp giữa hai loại vật liệu là thép và bê tông. Đối với dầm LH-TBT có bản cánh bê tông liên hợp (có tấm tole) nằm trong vùng kéo tại tiết diện chịu mô men âm, vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu ảnh hưởng của các vết nứt trong bản đến độ cứng, độ võng và khả năng chịu tải trọng của dầm. Điều này rất cần thiết đối với dầm LH-TBT làm việc theo sơ đồ liên tục nhằm làm rõ cơ sở bố trí cốt thép cấu tạo để hạn chế nứt cho bản, đồng thời xem xét việc điều chỉnh nội lực hợp lý để lựa chọn được các thông số hình học của tiết diện đảm bảo hạn chế ảnh hưởng của vết nứt trong vùng kéo (tại tiết diện chịu mô men âm) và phát huy sự tham gia của bản cánh bê tông trong vùng nén (tại tiết diện chịu mômen dương). Giải quyết được vấn đề nêu trên, luận văn sẽ có tính cấp thiết, có ý nghĩa thực tiễn và khoa học.

Mục tiêu nghiên cứu

2.1. Lựa chọn tiêu chuẩn thiết kế để áp dụng làm rõ phương pháp tính toán kiểm tra dầm LH-TBT theo sơ đồ liên tục có kể đến sự nứt của bản cánh bê tông liên hợp liên kết tương tác không hoàn toàn với dầm thép hình;

2.2. Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các vết nứt trong bản cánh bê tông liên hợp (có tấm tole) trong vùng kéo tại tiết diện mômen âm đến độ cứng, độ võng và khả năng chịu tải của dầm LH-TBT;

2.3. Nghiên cứu làm rõ cơ sở khoa học của việc bố trí cốt thép cấu tạo nhằm hạn chế bề rộng vết nứt trên bản cánh bê tông liên hợp và đề xuất giải pháp điều chỉnh nội lực để lựa chọn tỷ lệ phân phối mô men hợp lý trong dầm LH-TBT nhờ đó, đảm bảo hạn chế nứt tại tiết diện chịu mô men âm đồng thời phát huy sự làm việc của bản cánh dầm tại tiết diện chịu mô men dương.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1. Đối tượng nghiên cứu

Dầm LH-TBT tiết diện chữ I gồm bản cánh bê tông liên hợp liên kết với dầm thép hình bằng liên kết chốt hàn có mũ làm việc theo sơ đồ liên tục;

3.2. Phạm vi nghiên cứu

3.2.1. Dầm LH-TBT có các thông số hình học và vật liệu trong trường hợp khảo sát cụ thể của bài toán;

3.2.2. Dầm LH-TBT có cánh trên là bản bê tông liên hợp với tấm tole, dầm thép dùng thép hình tiết diện IPE đối xứng theo tiêu chuẩn Châu Âu;

3.2.3. Liên kết trong dầm (giữa bản cánh bê tông liên hợp với tấm tole tạo nên bản cánh làm việc liên hợp với dầm thép hình) sử dụng loại chốt hàn có mũ, xét tương tác không hoàn toàn.

Phương pháp nghiên cứu

4.1. Các giả thiết

Vật liệu sử dụng theo tiêu chuẩn châu Âu EC2 và EC4 (đối với bê tông); tiêu chuẩn EN-10080 (đối với thép thanh), tiêu chuẩn EN-10025 (thép kết cấu) và EN-10147 (đối với tấm tole trong bản cánh bê tông liên hợp);

Các vết nứt trong bản cánh bê tông liên hợp xét đến do tải trọng sử dụng và co ngót chưa kể đến ảnh hưởng của từ biến của bê tông;

Liên kết giữa bản cánh bê tông liên hợp và dầm thép hình là tương tác không hoàn toàn.

4.2. Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên cơ sở lý thuyết kinh điển về kết cấu bê tông và kết cấu thép, kế thừa các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của các tác giả đối với kết cấu LH-TBT để phân tích, hệ thống làm rõ sự làm việc của dầm LH-TBT với bản cánh bê tông liên hợp có vết nứt trong trường hợp tương tác không hoàn toàn với dầm thép hình;

Áp dụng tiêu chuẩn EC4 để tính toán kiểm tra dầm LH-TBT theo sơ đồ liên tục có kể đến sự nứt của bản cánh bê tông liên hợp tương tác không hoàn toàn với dầm thép hình; tính toán minh họa và kiểm chứng qua các ví dụ số, từ đó lập bảng tính Excel làm công cụ nghiên cứu khảo sát, phân tích và đánh giá kết quả.

Cấu trúc luận văn

Mở đầu

Nội dung chính gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan sự làm việc của dầm LH-TBT

Chương 2: Cơ sở tính toán dầm LH-TBT có bản cánh bê tông liên hợp bị nứt tương tác không hoàn toàn với dầm thép hình theo tiêu chuẩn EC4 (Châu Âu)

Chương 3: Khảo sát ảnh hưởng và giải pháp hạn chế sự nứt trong bản cánh bê tông liên hợp đến khả năng chịu tải của dầm LH-TBT.

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ SỰ LÀM VIỆC CỦA

DẦM LIÊN HỢP THÉP-BÊ TÔNG

1.1. TỔNG QUAN VỀ DẦM LH-TBT

1.1.1. Cấu tạo dầm LH-TBT

Dầm LH-TBT là kết cấu dầm có tiết diện tạo nên từ dầm thép hình chữ I (tiết diện đối xứng hoặc không đối xứng) làm việc liên hợp với bản cánh trên (bản bê tông cốt thép hoặc bản liên hợp bê tông có tấm tole). Liên kết giữa bản bê tông và tấm tole, bản bê tông cốt thép hoặc bản liên hợp với dầm thép hình thường dùng liên kết chốt hàn có mũ.

Hình 1.1. Dầm LH-TBT

Bản cánh bê tông

Tấm Tole LH

Dầm thép

Chốt liên kết

HÌnh 1.2. Hình tiết diện dầm LH-TBT (bản cánh trên là bê tông liên hợp)

Ngoài ra, để tăng cường khả năng chống co ngót và vết nứt trong bản bê tông có bố trí lưới cốt thép thanh. Đối với dầm LH-TBT có bản cánh bê tông liên hợp, tấm tole vừa có tác dụng chịu mô men dương trong bản đồng thời làm cốp pha khi thi công, được bố trí sao cho phương của sườn tole vuông góc với phương trục dầm.

Để đảm bảo sự làm việc liên hợp đồng thời giữa bản cánh bê tông với tấm tole và giữa bản cánh trên với dầm thép hình cần bố trí các liên kết (chốt hàn có mũ, thép góc hàn, neo, móc …) và sử dụng tấm tole sóng nhằm hạn chế sự trượt xảy ra trên bề mặt tiếp xúc giữa hai loại vật liệu. tùy theo mật độ bố trí liên kết mà quan niệm tính toán tương tác hoàn toàn hoặc không hoàn toàn giữa bản cánh bê tông và tấm tole cũng như giữa bản liên hợp với dầm thép hình.

a. Dầm LH-TBT trong nhà dân dụng

Dầm LH-TBT thường được dùng trong các hệ dầm sàn trong công trình nhà dân dụng, hệ dầm cầu/cầu vượt trong công trình giao thông…

Dầm làm việc theo sơ đồ dầm

đơn giản, dầm liên tục vượt khẩu độ

b. Dầm LH-TBT trong công trình cầu

trung bình và lớn.

Hình 1.3. Ứng dụng của dầm LH-TBT

Các dạng tiết diện dầm LH-TBT thường gặp trong công trình xây dựng:

– Tùy theo bản cánh dầm có hai loại: bản bê tông cốt thép thường và bản bê tông liên hợp (có tấm tole sóng);

– Tùy theo tiết diện dầm thép hình có hai loại: dầm chữ I đối xứng và không đối xứng (cánh dưới thường lớn hơn cánh trên) hoặc thép hình hộp;

– Tùy theo cách bố trí liên kết có hai loại: bố trí chốt đơn, chốt đôi.

Hình 1.4. Một số loại tiết diện dầm LH-TBT

1.1.2. Vật liệu chế tạo

– Đối với bê tông tuân theo quy định của Eurocode 4 có cấp bền từ C20/25 đến C50/60 có các đặc trưng cơ học như bản 2.1.

Các đặc trưng cơ học của bê tông dầm LH-TBT (theo Eurocode 4)

Trong đó:

f_ck :cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông hình trụ ở tuổi 28 ngày;

f_ctm :cường độ chịu kéo trung bình ở tuổi 28 ngày;

f_cm – cường độ chịu nén trung bình;

f_{ctk, 0.05} – giá trị dưới của sức bền đặc trưng khi kéo;

E_cm – môđun đàn hồi cát tuyến kể đến ảnh hưởng tác động ngắn hạn;

Khi dùng TCVN yêu cầu bê tông phải có cấp bền B25 (M350) trở lên.

– Đối với bản cánh bê tông liên hợp: Cốt thép thanh tuân theo tiêu chuẩn EN 10080 3 với ba mác thép: S220 (tròn trơn); S400 và S500 (tròn gai) Môđun đàn hồi E_s (cốt thép thanh)= E_{a ­}(thép hình, tấm tole)= 210(kN/mm²). Tôn định hình tuân theo tiêu chuẩn EN 10147 có giới hạn đàn hồi (f_yp) từ 220 đến 350 N/mm², bề dày từ 0,7 đến 1,5mm, lớp mạ kẽm nóng chống ăn mòn dày khoảng 0,02mm.

– Đối với dầm thép: Sử dụng thép hình IPE tuân theo quy định tiêu chuẩn EN 10025 và EN 10113 với 3 mác thông dụng: S235, S275 và S355 (các con số chỉ giới hạn chảy N/mm²).

Khi dùng TCVN yêu cầu phải dùng loại thép có mác từ XCT38 trở lên.

1.1.3. Công nghệ chế tạo, thi công dầm LH-TBT

Đối với dầm LH-TBT khi thi công ta có thể sử dụng hệ thanh chống đỡ dầm (phương pháp thi công có chống đỡ) hoặc phương pháp thi công không có chống đỡ. Ứng với mỗi phương pháp thi công khác nhau sẽ ảnh hưởng đến sự làm việc cũng như những yêu cầu cấu tạo trong dầm LH-TBT khác nhau, cụ thể như sau:

– Yêu cầu cốt thép cấu tạo để hạn chế nứt ở bản nhiều hơn đối với phương pháp thi công có chống đỡ, và ít hơn đối với phương pháp thi công không có chống đỡ.

– Ảnh hưởng đến sự hóa dẽo cục bộ của dầm thép (đối với kết cấu không có chống đỡ).

– Ảnh hưởng đến sự trượt giữa bản bê tông và dầm thép hình. Đối với những kết cấu không được chống đỡ khi thi công thì sự tăng độ võng do sự trượt gây ra bởi liên kết tương tác không hoàn toàn ít hơn so với kết cấu được chống đỡ khi thi công.

1.1.4. Ưu nhược điểm của dầm LH-TBT

a. Ưu điểm

Dầm LH-TBT phát huy khả năng làm việc liên hợp của hai loại vật liệu thép và bê tông cốt thép nhờ tận dụng được những ưu điểm (tỉ số độ cứng trên trọng lượng tương đối cao, độ bền, khả năng chống cháy tốt nên khi kết hợp với nhau trở thành một loại vật liệu composite lý tưởng). Bản cánh bê tông trong dầm LH-TBT không chỉ là cấu kiện chịu tải trọng mà còn là một thành phần chịu lực đáng kể cùng với dầm thép hình (thực chất nó đặt ở cánh trên dầm thép có tác dụng tăng đáng kể khả năng chịu lực của dầm).

Nhờ có sự làm việc liên hợp giữa dầm thép hình và bản cánh bê tông cho phép chọn tiết diện thép hình trong dầm LH-TBT giảm đáng kể so với các dầm thép thông thường cùng nhịp và tải trọng (nghĩa là với cùng một tiết diện thì tiết diện liên hợp có khả năng vượt nhịp lớn hơn so với tiết diện không liên hợp), tiết diện liên hợp có độ cứng lớn hơn, biến dạng nhỏ hơn từ 20-30%.

Việc sử dụng tấm thép sóng dập nguội như một ván khuôn vĩnh cửu trong bản cánh bê tông liên hợp của dầm LH-TBT cho phép giảm đáng kể thời gian và nhân công tháo lắp ván khuôn so với dầm bê tông cốt thép thông thường, hơn nữa vì không cần cốp pha chống đỡ nên các công việc hoàn thiện có thể được thực hiện ngay dưới một sàn hay bản mặt cầu đang thi công.

Việc dùng tấm tole hình trong bản cánh liên hợp như cốt thép chịu kéo vừa tăng khả năng chịu tải, hạn chế vết nứt đồng thời giảm thời gian thao tác lắp đặt cốt thép cho bản. Hình dạng tole sóng có thể giảm tới 30% lượng bê tông, tiết kiệm vật liệu, giảm đáng kể trọng lượng bản thân của bản cánh, mặt khác cho phép tạo ra các ô rỗng để tận dụng, bố trí các đường ống trong chiều sâu của rãnh làm tăng chiều cao hiệu dụng và giảm chiều cao mỗi tầng nhà.

Dầm LH-TBT có thể linh động trong thi công khi lắp ghép khung thép sẵn sau đó tiến hành thi công song song các bản sàn khác nhau cho phép giảm thời gian thi công và sử dụng được các phương pháp thi công hiện đại (lắp ghép; dùng ván khuôn trượt …)

b. Nhược điểm

Dầm LH-TBT đòi hỏi dùng vật liệu phải có chất lượng cao, công nghệ thi công hiện đại tuân thủ các yêu cầu đòi hỏi nghiêm ngặt của các quy định, quy trình.

Việc tính toán dầm LH-TBT phức tạp hơn so với dầm bê tông cốt thép hoặc dầm thép thông thường vì phải xét các trạng thái tính toán khi thi công và sử dụng trên các tiết diện liên hợp giữa bê tông, tấm tole, cốt thép thanh (trong bản cánh liên hợp) và dầm thép hình.

Mặt khác, dầm LH-TBT cần có thêm chi phí cho chế tạo và lắp đặt các liên kết chống trượt tương đối cao. Khi nhịp ngắn, tải trọng nhỏ thì chi phí liên kết cao hơn so với chi phí tiết kiệm vật liệu của dầm liên hợp. Do đó giải pháp dầm LH-TBT chỉ đạt hiệu quả cao trong phạm vi nhịp và tải trọng lớn.

1.2. SỰ LÀM VIỆC VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ NỨT BẢN CÁNH BÊ TÔNG ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM LH-TBT

1.2.1. Sự tham gia làm việc của bản cánh bê tông hoặc bê tông liên hợp

– Trong giai đoạn thi công: bê tông chưa đông kết thì bản cánh bê tông chưa tham gia chịu lực liên hợp cùng với dầm thép hình. Trường hợp có bản cánh bê tông liên hợp có tấm tôn vừa có tác dụng chịu mômen âm trong sàn hoặc bản mặt cầu vừa đóng vai trò là côp pha thì sự làm việc tham gia của bản cánh bê tông liên hợp tùy thuộc vào độ cứng hạn chế võng của tấm tôn dưới tác dụng của tải trọng thi công.

– Trong giai đoạn sử dụng: khi bê tông đã đông kết và làm việc liên hợp nhờ các liên kết (giữa bản bê tông và tấm tôn trong bản cánh bê tông liên hợp và bản cánh với dầm thép hình) tạo thành một kết cấu duy nhất thì mới phát huy hiệu quả của sự tham gia làm việc của bản cánh bê tông với dầm thép hình.

Đối với tiết diện chịu mômen dương (dầm đơn giản hoặc dầm liên tục) thì phần bản cánh bê tông tại nhịp (BTCT thường và bê tông liên hợp có tấm tôn) sẽ tham gia chịu nén tốt làm tăng khả năng chịu lực cho tiết diện nhờ đó làm giảm yêu cầu tham gia của dầm thép hình nếu được đảm bảo sự làm việc liên hợp với dầm thép hình.

Đối với tiết diện chịu mômen âm (tại gối của dầm liên tục, dầm có mút thừa hoặc console) do bản bê tông hoặc bản bê tông liên hợp nằm trong vùng kéo nên không tham gia chịu tải với dầm thép hình. Mặt khác có khả năng bị phá hoại do bản bê tông bị nứt.

1.2.2. Ảnh hưởng của sự nứt bản cánh bê tông đến sự làm việc của dầm LH-TBT

Các nguyên nhân gây ra nứt bản bê tông là do khi nội lực lớn, ứng suất kéo trong bản bê tông vượt quá cường độ chịu kéo của vật liệu bê tông. Ngoài ra hiện tượng nứt còn do nhiều nguyên nhân khác khó tránh khỏi như:

– Do co ngót và từ biến của bê tông.

– Sự lún không đều hoặc chuyển vị cưỡng bức của gối tựa.

– Các tác nhân cơ học, vật lý, hóa học của môi trường

– Các nguyên nhân do thi công, bảo dưỡng, vật liệu không đảm bảo chất lượng, việc bố trí cấu tạo kết cấu không hợp lý (không đảm bảo cốt thép cấu tạo)

Sự nứt của bản cánh bê tông gây ra ảnh hưởng đáng kể đến sự làm việc của dầm LH-TBT cụ thể như sau:

– Làm giảm độ cứng của bản bê tông và tăng độ võng của dầm LH-TBT tại tiết diện nứt

– Làm giảm hiệu quả làm việc liên hợp giữa bản cánh bê tông và dầm thép hình, làm suy giảm tác dụng của liên kết.

– Sự xuất hiện của vết nứt trong bản cánh bê tông chịu kéo sẽ dẫn đến biến dạng và khả năng xoay hạn chế giữa bản bê tông và dầm thép hình, chuyển từ liên kết cứng sang liên kết khớp dẽo (khi tính toán được xét đến tùy theo sự phân lớp tiết diện) đặc biệt là các tiết diện tại gối trung gian của dầm LH-TBT theo sơ đồ dầm liên tục. Việc phân phối lại mômen trong dầm LH-TBT theo sơ đồ liên tục có xu hướng giảm mômen âm tại gối và tăng mômen dương tại nhịp cần được phân tích, xét đến trong tính toán.

Vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu ảnh hưởng của việc nứt bản cánh bê tông đến sự làm việc của dầm LH-TBT và các giải pháp hạn chế nứt nhằm phát huy hiệu quả của sự tham gia làm việc của bản cánh bê tông đến khả năng chịu tải của dầm LH-TBT

1.2.3. Vấn đề điều chỉnh nội lực trong dầm LH-TBT

Cần được thiết kế hợp lý và tối ưu khi phát huy hết khả năng chịu lực của mỗi loại vật liệu sao cho toàn bộ tiết diện đạt đến cường độ giới hạn cực hạn (của bản cánh bê tông hoặc bê tông liên hợp và dầm thép hình). Một trong những giải pháp cần xem xét là dùng các phương pháp điều chỉnh nội lực nhằm đạt được sự phân bố nội lực hợp lý cho tiết diện dầm LH-TBT.

Đối với dầm LH-TBT theo sơ đồ đơn giản, điều chỉnh nội lực chỉ nhằm mục đích tiết kiệm vật liệu thép cho dầm thép hình. Vấn đề nâng cao khả năng chống nứt không đặt ra.

Đối với dầm LH-TBT theo sơ đồ liên tục, điều chỉnh nội lực là giải pháp có tác dụng hạn chế sự nứt của bản cánh bê tông trong vùng kéo của tiết diện chịu mômen âm (bằng cách giảm mômen ở gối) đồng thời phát huy hiệu quả của bản cánh bê tông trong vùng nén của tiết diện chịu mômen dương dẫn đến tiết kiệm vật liệu cho dầm thép hình.

Tuy nhiên do tác động của lực điều chỉnh nên tải trọng thường xuyên tác dụng vào BTCT lớn hơn so với trường hợp không điều chỉnh dẫn đến ảnh hưởng của từ biến, co ngót trong trường hợp này cũng sẽ lớn hơn.

Việc tiến hành điều chỉnh nội lực được thực hiện với hai biện pháp chính sau: điều chỉnh nội lực không sử dụng cốt thép cường độ cao và điều chỉnh nội lực sử dụng cốt thép cường độ cao. Trong đó, cốt thép cường độ cao chỉ tác dụng riêng vào dầm thép hoặc chỉ để nén tấm BTCT hoặc cốt thép cường độ cao tác dụng vào tiết diện liên hợp.

Với hai biện pháp điều chỉnh nội lực chính, người ta đưa ra rất nhiều công nghệ điều chỉnh nội lực, cụ thể với các dầm đơn giản có các biện pháp điều chỉnh chính: Điều chỉnh bằng trụ tạm (một hoặc nhiều trụ tạm), điều chỉnh bằng kích trên bệ (dầm Prebeam), điều chỉnh bằng việc nén tấm BTCT. Với dầm liên tục: điều chỉnh bằng trụ tạm, điều chỉnh bằng kích từ trụ chính, điều chỉnh bằng trọng lượng bản thân, điều chỉnh bằng tự liên hợp và đặt tải, điều chỉnh bằng các khớp tạm thời và kích ngang …

Hình 1.5. Điều chỉnh nội lực bằng trụ tạm hoặc thanh căng

Vấn đề nghiên cứu cần đặt ra là xác định tỷ lệ phân phối mômen hợp lý cho dầm LH-TBT với các thông số hình học, vật liệu và nhịp khác nhau sao cho hiệu quả đạt được tiết diện hợp lý: vừa hạn chế sự nứt của bản cánh chịu mô men âm và phát huy khả năng chịu nén của bản cánh chịu mômen dương.

1.2.4. Bố trí cốt thép hạn chế nứt trong bản cánh dầm LH-TBT

Đối với sự nứt bản cánh trong vùng bê tông chịu kéo là điều khó tránh khỏi và ảnh hưởng lớn đến sự làm việc cũng nhưng tính bền, tính cứng của kết cấu. Vì vậy ta cần phải có những phương án nhằm giảm hiện tượng nứt cũng như hạn chế bề rộng vết nứt trong bản bê tông. Một trong những giải pháp là bố trí cốt thép cấu tạo trong phần bề rộng tham gia làm việc của bản bê tông.

Hàm lượng cốt thép được bố trí phụ thuộc vào phương pháp thi công của kết cấu. Đối với những kết cấu có chống đỡ khi thi công, hàm lượng cốt thép tối thiểu cần được bố trí là 0,4% diện tích phần bê tông và 0,2% phần diện tích bê tông đối với những kết cấu không có chống đỡ khi thi công. Đồng thời cần phải kéo dài các cốt thép này một đoạn bằng ¼ chiều dài của nhịp ở hai bên gối tựa trung gian hoặc ½ nhịp đối với kết cấu dạng console.

Cốt thép bố trí cấu tạo vừa có nhiệm vụ chống nứt cho bản đồng thời ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu mô men bền âm của kết cấu khi tại tiết diện này bê tông làm việc chịu kéo kém. Vì vậy cần phải bố trí cốt thép có khả năng chịu kéo lớn để đảm bảo sự hóa dẻo đồng thời của kết cấu.

1.3. LIÊN KẾT TRONG KẾT CẤU DẦM LH-TBT

1.3.1. Tổng quan về liên kết

Liên kết là bộ phận nối, ghép chặt giữa cấu kiện KCT và BTCT để ngăn cản, hạn chế sự trượt trên bề mặt tiếp xúc giữa cấu kiện thép-bê tông nhằm đảm bảo sự làm viêc liên hợp trong cấu kiện LH-TBT.

Hình 1.6. Hình liên kết trong dầm

Đối với cấu kiện dầm LH-TBT, sự làm việc liên hợp xuất hiện khi bản cánh bê tông liên hợp bao gồm tấm tôn sóng bằng thép cũng như tất cả các cốt thép trong bản và bê tông đã đông cứng liên kết với nhau tạo thành một cấu kiện duy nhất. Khi đó, bản cánh bê tông liên hợp phải có khả năng truyền lực trượt dọc tại bề mặt tiếp xúc giữa bản và dầm thép hình. Để đảm bảo sự truyền lực trượt dọc này ta cần bố trí những liên kết để đảm bảo sự làm việc đồng thời giữa hai cấu kiện để tạo ra sự liên hợp trong kết cấu dầm LH-TBT.

Để phân tích sự làm việc của từng loại liên kết, tiêu chuẩn EC phân chia liên kết thành hai loại liên kết “dẻo” và “không dẻo”.

Hình 1.7. Các loại liên kết

+ Một liên kết được coi là dẻo khi nó có khả năng biến dạng đủ khi chịu trượt để phù hợp với giả thiết làm việc dẻo hoàn toàn của liên kết khi trượt. Theo EC4 các liên kết: bulông cường độ cao, thép góc có cánh mỏng được hàn hoặc thép góc bẻ nguội dùng liên kết đinh được xem như liên kết dẻo.

+ Một liên kết được coi là liên kết cứng khi biến dạng của liên kết chỉ do biến dạng của bê tông khi chịu ép trên mặt tiếp xúc với liên kết. Các liên kết dạng khối cứng như: các thanh thép hình chữ T, chữ [, khối hộp …

+ Các hình thức liên kết: chốt hàn, thép hàn góc, neo, móc …

Hình 1.8. Các hình thức liên kết trong cấu kiện liên hợp thép-bê tông

1.3.2. Sự làm việc của liên kết trong dầm LH-TBT

Sự làm việc liên hợp giữa bản cánh bê tông và dầm thép phụ thuộc vào sự làm việc của các liên kết chống cắt tại bề mặt. Vì vậy cần phải bố trí các liên kết chống cắt tại bề mặt tiếp xúc để đảm bảo sự làm việc liên hợp này. Tuy vậy, việc sử dụng các vật liệu có cường độ cao đòi hỏi phải có nhiều liên kết chống cắt hơn để kết cấu có sự làm việc hoàn toàn. Do số liên kết chống cắt bị giới hạn hoặc trong trường hợp đạt được thiết kế tối ưu thì cũng có thể thiết kế bố trí liên kết trong dầm với sự làm việc liên hợp không hoàn toàn giữa bản bê tông và dầm thép hình.

Việc bố trí các liên kết có hai dạng sau:

– Liên kết hoàn toàn: là liên kết mà nếu tăng nhiều hơn so với số liên kết đã bố trí (N_f) thì khả năng chịu lực của tiết diện cũng không tăng nữa.

– Liên kết không hoàn toàn: Nếu bố trí không đủ số liên kết cần thiết (N) sẽ làm giảm khả năng chịu lực của dầm LH-TBT.

Mức độ liên kết trên chiều dài nhịp dầm như sau:

: Liên kết hoàn toàn

: Liên kết không hoàn toàn

: Không có sự làm việc liên hợp giữa dầm thép hình và bản bê tông cốt thép.

Mức độ liên kết sẽ ảnh hưởng đến sự làm việc cũng như khả năng chịu tải của dầm LH-TBT. Đối với kết cấu dầm LH-TBT, dưới tác dụng của tải trọng ngoài, dầm bị biến dạng uốn và sinh ra ứng suất trượt tại bề mặt tiếp xúc giữa bản cánh bê tông liên hợp và dầm thép hình.

Nếu liên kết giữa phần bản cánh bê tông và dầm thép đảm bảo cho biến dạng giữa bản cánh bê tông và dầm thép là bằng nhau thì ta có liên kết hoàn toàn giữa bản và dầm thép hình. Ngược lại, nếu tồn tại sự trượt tương đối giữa bản cánh bê tông và dầm thép hình dọc theo bề mặt tiếp xúc, ta có liên kết không hoàn toàn.

Sự liên kết tương tác không hoàn toàn giữa bản bê tông và dầm thép hình cho kết quả quả là có nhiều biến dạng do chịu cắt tại bề mặt tiếp xúc giữa bản cánh bê tông và dầm thép hình. Cuối cùng nó có thể dẫn đến việc giảm độ cứng và tăng độ võng của dầm LH-TBT.

NHẬN XÉT CHƯƠNG 1

Phần mở đầu và chương 1 của luận văn đã xác định được các vấn đề về phương pháp luận nghiên cứu: Từ tính cấp thiết và tình hình nghiên cứu ứng dụng thực tế của đề tài, luận văn đã xác định được mục tiêu nghiên cứu, đối tượng, phạm vi, giả thiết và phương pháp nghiên cứu… Đồng thời đã hệ thống được các vấn đề tổng quan về các khái niệm và sự làm việc của kết cấu dầm LH-TBT theo sơ đồ liên tục, các vấn đề về sự nứt, sự liên kết tương tác không hoàn toàn giữa bản bê tông và dầm thép hình làm cơ sở để tính toán trong chương 2 và 3.

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ TÍNH TOÁN DẦM LH-TBT CÓ BẢN CÁNH BÊ TÔNG LIÊN HỢP BỊ NỨT TƯƠNG TÁC KHÔNG HOÀN TOÀN VỚI DẦM THÉP HÌNH THEO TIÊU CHUẨN EC4 (CHÂU ÂU)

2.1. PHƯƠNG PHÁP VÀ TIÊU CHUẨN TÍNH TOÁN

2.1.1. Phương pháp chung

Khi tính toán kiểm tra dầm LH-TBT ta áp dụng phương pháp trạng thái giới hạn (TTGH).

TTGH là trạng thái mà từ đó trở đi kết cấu không còn thỏa mãn các yêu cầu đặt ra cho nó, có thể kể đến như: chịu lực quá lớn, mất tính ổn định hay do biến dạng quá lớn … Có hai TTGH được tính toán:

– TTGH 1: Trạng thái giới hạn về độ bền

Tính toán theo trạng thái này nhằm đảm bảo cho kết cấu không bị phá hoại do chịu tác động của tải trọng.

– TTGH 2: Trạng thái giới hạn về độ võng

Tính toán trong giai đoạn này nhằm đảm bảo cho kết cấu không xuất hiện biến dạng quá mức.

Trong giai đoạn sử dụng: Tính toán kiểm tra dầm liên hợp thép-bê tông với sơ đồ liên tục theo 2 trạng thái giới hạn về bền và độ võng. Khác với dầm bình thường, cách tính toán dầm liên hợp phụ thuộc vào một số yếu tố: Loại tiết diện (chia theo độ mảnh của bản cánh, bản bụng dầm thép), hình thức liên kết giữa tấm đan với dầm thép (liên kết hoàn toàn hay không hoàn toàn), vị trí trục trung hòa trên tiết diện ngang. Xem xét đến sự nứt của bản cánh bê tông liên hợp với dầm thép.

Cơ sở xem xét sự phân bố lại nội lực trong dầm đồng thời đưa ra phương án bố trí cốt thép cấu tạo để hạn chế bề rộng vết nứt trong bản cảnh bê tông.

2.1.2. Tiêu chuẩn tính toán

Trên thế giới kết cấu LH-TBT được ứng dụng từ rất sớm và rất phổ biến. Vì vậy, hệ thống tiêu chuẩn tính toán ứng dụng cho từng quốc gia cũng rất đa dạng. Chẳng hạn, tiêu chuẩn AASO – Hoa Kỳ; DIN 1078 – Đức; SRC – Nhật Bản hay tiêu chuẩn Eurocodes của Châu Âu…

Trong đề tài, tác giả đã chọn tiêu chuẩn tính toán là bộ tiêu chuẩn về kết cấu xây dựng cho các quốc gia Châu Âu, gồm 9 tập gọi là European Codes (Eurocodes-EC):

1. Eurocode 1: Cơ sở tính toán và các tác động lên công trình.

2. Eurocode 2: Kết cấu bê tông cốt thép.

3. Eurocode 3: Kết cấu thép.

4. Eurocode 4: Kết cấu liên hợp Thép-Bê tông.

5. Eurocode 5: Kết cấu gỗ.

6. Eurocode 6: Kết cấu gạch đá.

7. Eurocode 7: Tính toán địa chất công trình.

8. Eurocode 8: Tính toán kết cấu công trình chịu động đất.

9. Eurocode 9: Tính toán kết cấu bằng hợp kim nhôm.

Phần ENV 1994-4-1 là Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp cho xây dựng dân dụng. Tiêu chuẩn trình bày đầy đủ các phần từ vật liệu đến thiết kế sàn, dầm cột bằng kết cấu liên hợp thép – bê tông.

2.2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN KIỂM TRA

2.2.1 Xác định tải trọng và tác động

Trong giai đoạn sử dụng, dầm thép liên hợp với tấm tole. Lúc này dầm LH-TBT chịu các tải trọng sau:

– Trọng lượng bản thân dầm liên hợp: (bản cánh bê tông, dầm thép hình);

– Tĩnh tải do vật liệu hoàn thiện, đường ống kỹ thuật, vách ngăn trên sàn;

– Hoạt tải sử dụng của sàn;

– Tác động của khí hậu (nhiệt độ, gió) tuỳ theo trường hợp cụ thể.

2.2.2. Phân lớp tiết diện và xác định bề rộng hiệu quả

a. Phân loại tiết diện dầm LH-TBT

Trong kết cấu công trình xây dựng, sự phân loại tiết diện của kết cấu dầm LH-TBT dưới tác dụng của tải trọng phụ thuộc vào khả năng xoay của tiết diện chịu uốn. Theo các kết quả thí nghiệm thực tế, người ta phân loại tiết diện dầm LH-TBT thành 4 loại sau:

+ Loại 1: tiết diện có khả năng phát triển mômen bền dẻo ( do mômen uốn dương hoặc do mômen uốn âm) với khả năng xoay đủ để hình thành khớp dẻo;

+ Loại 2: tiết diện cũng có khả năng phát triển mômen bền dẻo, nhưng với khả năng xoay hạn chế;

+ Loại 3 hoặc 4: khi do hiện tượng cong vênh cục bộ trong vùng chịu nén của dầm thép (bản bụng hoặc bản cánh), ứng suất của những thớ chịu tải lớn không thể vượt quá giới hạn đàn hồi tính toán đối với tiết diện loại 3, hoặc nhỏ hơn giá trị này đối với tiết diện loại 4.

Tuy vậy, đối với những kết cấu xây dựng nhà cửa ta thường chỉ xét đến tiết diện loại 1 và loại 2. Cần phải dựa trên sự phân loại của tiết diện dầm thép và sự làm việc chịu uốn của tiết diện đang xét để sự phân loại chính xác.

– Đối với các tiết diện chịu mômen âm (M_sd <0­) và cánh nén của dầm thép không được giữ ổn định bởi bản sàn bê tông thì sự phân loại phụ thuộc vào giới hạn độ mảnh của bản cánh và bản bụng dầm thép.

Bảng 2.1. Cánh dầm thép chịu nén không được giữ ổn định bởi tấm đan

– Đối với các tiết diện chịu mômen dương (M_sd >0) thì dựa vào sự phân loại tiết diện dầm thép và sự có mặt của tấm đan sẽ đóng vai trò phân loại như sau:

+ Tất cả các cánh chịu nén của dầm thép nếu được liên kết với tấm đan bằng các liên kết được bố trí theo các khoảng cách thích hợp (nhỏ hơn 20tε đối với tấm sàn đặc và 5tε đối với tấm sàn có sườn vuông góc với dầm), có thể được coi như tiết diện loại 1.

+ Khi trục trung hòa dẻo nằm trong tấm sàn hay trong bản cánh dầm mà bản cánh này có độ mảnh thuộc loại 1 và được liên kết với tấm sàn thì có thể coi cả tiết diện liên hợp là loại 1 bởi vì khi đó bản bụng hoàn toàn chịu kéo. Trong trường hợp ngược lại (trục trung hòa đi qua bản bụng), tiết diện liên hợp được coi như loại 2 vì sự tăng ép mặt của tấm sàn gây nén phần trên của tiết diện làm hạn chế khả năng quay của tiết diện.

b. Xác định bề rộng ảnh hưởng của bản BTCT

Khi chịu uốn, một phần tấm sàn bêtông sẽ tham gia làm việc cùng với dầm thép để tạo thành tiết diện dạng chữ T. Trên bề rộng tham gia làm việc b_eff này (hình2.1) ứng suất pháp sẽ coi như phân bố đều.

Hình 2.1. Chiều rộng tham gia làm việc của tấm đan đối với một dầm

Đối với dầm đơn giản giá trị của b_eff được lấy như sau (hình2.1):

b_eff = b_e1 + b_e2 (2.1)

với b_ei = min (, b_i) (2.2)

Trong dầm đơn giản, l­_o là nhịp dầm.

Đối với dầm liên tục cũng dùng công thức (2.1), (2.2) nhưng L₀ được lấy theo hình 2.2, chia ra theo vùng mômen dương (ở nhịp) và mômen âm (ở gối).

Hình 2.2. Nhịp tương đương để xác định chiều rộng tham gia làm việc của tấm đan

2.2.3. Tính toán nội lực và điều chỉnh, phân phối mô men

Khi tính toán kiểm tra dầm LH-TBT theo sơ đồ liên tục, điều quan trọng là cần phải xác định được nội lực lớn nhất tại các tiết diện nguy hiểm của dầm do các tổ hợp tải trọng gây ra. Theo các quan niệm về ứng xử của các vật liệu tại các tiết diện nguy hiểm, ta có 2 phương pháp phân tích chính để xác định sự phân bố lại nội lực trong dầm LH-TBT như sau:

– Phương pháp phân tích cứng-dẻo (đàn dẻo), phương pháp này dựa trên khái niệm khớp dẻo, cho phép hình thành khớp dẻo dẫn đến phá hoại dầm gây bởi các tải trọng tới hạn.

Phân tích này chỉ có giá trị khi tiết diện khảo sát (nơi xuất hiện khớp dẻo) có khả năng phát triển và bền dẻo dưới tác dụng của tải trọng tăng dần tới khi tạo thành số lượng vừa đủ các khớp dẻo. Các khớp dẻo này gây nên các góc xoay của tiết diện có liên quan và có sự phân phối lại mô men uốn cùng với quá trình hình thành các khớp dẻo. Sự hình thành các góc xoay tại các tiết diện tới hạn là khó có thể dự đoán trước. Vì vậy để áp dụng được phương pháp phân tích này cần phải đưa ra các điều kiện cụ thể dựa theo các các kết quả thí nghiệm của các mẫu dầm.

– Phương pháp phân tích đàn hồi, chủ yếu kể đến là sự mất tính cứng của vùng bê tông chịu mô men âm do hình thành vết nứt, khi đó gây nên sự phân bố lại mômen trước khi dầm đạt trạng thái giới hạn. Đồng thời phương pháp phân tích này có thể sử dụng cho tất cả các dầm liên tục và không phụ thuộc vào loại tiết diện khảo sát.

Đối với đề tài, tác giả ứng dụng phương phân tích đàn hồi để xác định sự phân bố lại mômen trong kết cấu dầm LH-TBT. Cụ thể như sau:

Trong EC4 cho phép hai dạng phân tích đàn hồi không nứt và nứt như sau: (để thể hiện đơn giản, trên hình vẽ bề rộng tham gia làm việc của bản bê tông trên mỗi nhịp đều như nhau):

Hình 2.3. Phương pháp phân tích đàn hồi

a, phương pháp không hình thành vết nứt; b, phương pháp hình thành vết nứt

– Phân tích không nứt tiến hành với mô men quán tính I₁ không đổi trên nhịp, được tính toán khi giả thiết rằng bê tông chịu kéo không bị nứt (với sự đồng hóa của tiết diện theo tỉ lệ thép) và lấy bề rộng tham gia làm việc của tấm đan ở giữa nhịp.

– Phân tích nứt lấy mômen quán tính I₂ trên khoảng 15% của mỗi nhịp ở hai nhịp bên gối tựa trung gian, và mômen quán tính I₁ trên các phần còn lại của nhịp. Mômen quán tính I₂ được tính khi bỏ qua phần bê tông chịu kéo đã bị nứt và kể đến các cốt thép bố trí trong chiều rộng tham gia làm việc của tấm đan ở trên gối. Ta cần giả thiết trước phần chiều dài nứt nhằm đơn giản hóa việc phân tích (tránh làm bài toán lặp) và cho độ chính xác phù hợp (các thí nghiệm cho thấy các mômen tính toán với giả thiết 15% này cho độ chính xác , trong khi đó độ dài nứt nằm trong khoảng từ 10 đến 25%).

Sự phân bố mô men trong dầm được tính toán như sau: sự phân bố này là giảm mômen trong tiết diện ở những nơi mà tỷ số giữa mô men tác dụng và mômen bền lớn hơn (chủ yếu ở chỗ gối tựa trung gian), và tăng mômen có dấu ngược lại (chủ yếu trong nhịp), với mục đích giữ sự cân bằng của các tác động tác dụng và mômen uốn.

Hình 2.4. Sự phân bố lại mô men uốn trong dầm liên tục

Gọi p là tỷ lệ phân phối lại mô men lớn nhất trong dầm, EC4 cho ta bảng giá trị p phụ thuộc vào phương pháp phân tích và loại tiết diện trên gối tựa như sau:

Bảng 2.2. Tỉ lệ phần trăm lớn nhất khi phân phối lại mô men gối

2.2.4. Tính toán xác định nội lực cho dầm LH-TBT theo sơ đồ liên tục 2 nhịp chịu tải trọng phân bố đều

Hình 2.5. Dầm LH-TBT chịu tải trọng sử dụng

Tính toán mômen tại các tiết diện nguy hiểm:

Tại tiết diện ở nhịp: (2.3)

Tại tiết diện ở gối: (2.4)

– Xét đến sự phân phối lại mômen:

+ Theo phân tích đàn hồi không nứt, phần trăm mô men gối phân bố lớn nhất là 40%.

(2.4)

(2.5)

+ Theo phân tích đàn hồi nứt, tỷ lệ mô men gối phân bố lớn nhất là 25%.

(2.6)

(2.7)

2.3. TÍNH TOÁN KIỂM TRA DẦM LH-TBT CÓ KỂ ĐẾN VẾT NỨT THEO EC4

2.3.1. Các giả thiết tính toán

Các tiết diện khảo sát đều thuộc loại 1 (tiết diện có khả năng phát triển mômen bền dẻo với khả năng xoay đủ để hình thành khớp dẻo) hoặc loại 2 (tiết diện cũng có khả năng phát triển mômen bền dẻo, nhưng với khả năng xoay hạn chế). Sức bền chịu uốn của tiết diện được tính tới mômen tính toán dẻo. Do tính không đối xứng của tiết diện, cần phân biệt mômen bền dẻo dương và mômen bền dẻo âm .

Khi xác định các mômen bền dẻo chấp nhận các giả thiết sau:

– Liên kết trong nhịp (nơi có tiết diện khảo sát) giữa tấm đan và dầm thép là liên kết hoàn toàn, tấm đan bê tông và các cốt thép có thể đạt đến sức bền lớn nhất của chúng.

– Tất cả các thớ của dầm thép, kể cả các thớ nằm ngay sát trục trung hoà đều hoá dẻo do kéo hoặc nén.

– Ứng suất trong vùng bê tông chịu nén là phân bố đều và bằng 0,85f_ck/ γ_c. Hệ số 0,85 kể đến sự sai khác giữa cường độ nhận được khi thí nghiệm mẫu hình trụ và sức bền thực của kết cấu do: chất tải dài hạn lên kết cấu, sự có mặt của ứng suất tiếp trong tiết diện tính toán, sự không đồng đều về điều kiện giới hạn của bê tông.

– Bỏ qua sức bền chịu kéo của bê tông.

– Các cốt thép của tấm đan khi chịu kéo sẽ bị chảy và đạt đến cường độ tính toán f_sk / γ_s.

– Sự làm việc của cốt thép có thể bỏ qua khi tấm đan chịu nén. Trong tấm đan liên hợp không tính đến tấm tôn chịu nén.

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\LUAN VAN 2014\LUAN VAN (Dinh Ba Dạt)\HAI VO