Lý do chọnđềtài
Hiện nay kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) vẫn là kết cấu được sử dụng rộng rãi tại nước ta Với nhiều ưu điểm về cường độ, độ ổn định cũng như biện pháp thi công khá đơn giản Song cũng tồn tại những khuyết điểm như tải trọng bản thân kết cấu lớn, khó vượt nhịp lớn, thời gian thi công kéo dài, Thế nhưng với công nghệ bê tông lắp ghép thì tất cả các nhược điểm đó của BTCT đều được khắc phục triệt để.
Một công trình bê tông lắp ghép là sự kết hợp của các cấu kiện bê tông đúc sẵn và được kết nối với nhau tạo thành một khung không gian 3 chiều có khả năng chịu tải trọng đứng và gió (thậm chí cả tải trọng động đất) Công trình bê tông lắp ghép rất phù hợp với các công trình như chung cư, cửa hàng, bãi đỗ xe, trường học, sân vận động và các loại công trình yêu cầu vượt nhịp lớn, có không gian rộng bên trong Khả năng chịu lực của từng cấu kiện, sự kết nối của các cấu kiện cũng tương tự như kết cấu BTCT đổ tạichỗ.
Hiện nay, trên thế giới hay ở Việt Nam đã có rất nhiều dự án xây dựng thành công sử dụng bê tông đúc sẵn cho toàn bộ hoặc một phần của kết cấu với rất nhiều ưu điểm:
- Ưu điểm về tiến độ: Ưu điểm lớn nhất của công nghệ lắp ghép tấm lớn là có thể công nghiệp hóa được ngành Xây dựng và giảm thiểu thời gian xây dựng Như chúng ta biết, công trình xây dựng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố trong suốt thời gian xây dựng mà yếu tố khí hậu trong điều kiện xây dựng ở Việt Nam có tác động không nhỏ ảnh hưởng đến tiến độ và chất lượng công trình Mặt khác, do phần lớn cấu kiện được sản xuất theo dây chuyền công nghiệp thông qua các công đoạn kiểm tra trong nhà xưởng nên chất lượng sản phẩm được đảm bảo ở mức tốt nhất Các công việc còn lại ở hiện trường giảm thiểu đáng kể thời gian, nhân lực và đặc biệt là giảm khối lượng vật liệu cho biện pháp thi công như đà giáo, cốp pha so với việc đổ bê tông tạichỗ.
- Ưu điểm về giá thành: Rõ ràng một công nghệ xây dựng mới phải mang lại sự ưu việt Nếu nói tới giảm giá thành phải tính lợi ích tổng thể mà phương pháp này mang lại Đầu tiên là hiệu quả do các cấu kiện được sản xuất từ các dây chuyền công nghiệp tạo được năng suất rất cao và các giá trị gia tăng cũng lớn theo; tiếp theo là các chip h í phát sinh trong quá trình sản xuất có thể giảm ở mức tối thiểu; các chi phí quản lý cũng được giảm thiểu do chuyên nghiệp hóa, chuyên môn hóa cao trong quá trình sản xuất; rủi ro về chất lượng được chủ động nhận dạng và khắc phục Do công nghiệp hóa quá trình xây dựng nhà ở, các cấu kiện được điển hình hóa nên chi phí thiết kế được giảm thiểu Nhưng giá thành xây dựng giảm đáng kể chính là tiến độ thi công nhanh và chất lượng được kiểm soát tốt và tuổi thọ công trình được đảmbảo.
Chủ trương của Chính phủ là phát triển nhà ở xã hội với giá thành rẻ và chất lượng cao để đáp ứng yêu cầu ngày càng lớn về nhu cầu nhà ở cho người lao động trên cả nước, vì thế công nghệ bê tông lắp ghép vô cùng phù hợp với các ưu điểm nêu trên Điển hình như tại một cuộc làm việc với Bộ Xây dựng mới đây, một lãnh đạo của UBND
TP Hà Nội nêu vấn đề ứng dụng công nghệ bê tông lắp ghép vào đảm bảo sự đa dạng trong kiến trúc, giảm giá thành xây dựng Vì thế việc“Nghiên cứu công nghệ lắp ghép và ứng dụng vào thiết kế khung bê tông lắp ghép theo tiêu chuẩn Eurocode 2”phù hợp với tình hình phát triển xã hội trong tương lại của đất nước ta nói chung và phát triển ngành xây dựng nóiriêng.
Mục đíchnghiêncứu
- Nghiên cứu công nghệ lắp ghép và ứng dụng vào thiết kế khung bê tông lắp ghép theo tiêu chuẩn Eurocode2.
Đối tượng và phạm vinghiêncứu
3.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu khung bê tông lắp ghép trong công trình xây dựng
Phạm vi nghiên cứu: Các giải pháp lắp ghép và hướng dẫn tính toán kết cấu theo tiêu châu Eurocode 2.
Cách tiếp cậnđềtài
Dùng các tài liệu của nước ngoài về kết cấu khung bê tông lắp ghép như tiêu chuẩnEurocode 2; sách Precast Concrete Structures của tác giả Kim S.Elliott; các tài liệu khác đã nêu ra ở mục tài liệu tham khảo, để nghiên cứu và đúc rút ra phương pháp bố trí và tính toán kết cấu khung bê tông lắp ghép.
Phương phápnghiên cứu
Nghiên cứu tài liệu của nước ngoài và các bài toán đưa ra, tính toán kiểm chứng và phát triển để tài để áp dụng cho các công trình trong nước Từ đó rút ra được phương pháp bố trí và tính toán kết cấu khung bê tông lắp ghép để áp dụng tính toán cho các công trình thực tế trong tương lai.
Dự kiến kết quảđạtđược
Hệ thống được các phương pháp bố trí kết cấu khung bê tông lắp ghép, cũng như các quy định thiết kế khung bê tông lắp ghép theo tiêu chuẩn Eurocode 2.
Kết cấu nội dungluận văn
Ngoài những nội dung quy định của một bản luận văn thạc sĩ như: Phần mở đầu, kết luận kiến nghị, danh mục tài liệu tham khảo, luận văn gồm có 3 chương nội dung chính:
Chương 1 : Tổng quan về kết cấu bê tông lắp ghép.
Chương 2 : Cơ sở khoa học, pháp lý về thiết kế khung bê tông lắp ghép theo tiêu chuẩn châu Âu.
Chương 3: Ứng dụng tính toán khung bê tông lắp ghép theo tiêu chuẩn châu Âu.
TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNGLẮPGHÉP
Sự khác biệt của hệ kết cấu bê tônglắpghép
Điều gì làm cho bê tông lắp ghép khác với các kết cấu bê tông khác? Bê tông lắp ghép có thể là bê tông cốt thép lắp ghép thông thường hoặc là bê tông được căng trước (ứng suất trước) Chỉ khi chúng ta xem xét vai trò của của bê tông trong sự phát triển các đặc trưng kết cấu thì bản chất lắp ghép của nó mới trở nên quan trọng Định nghĩa đơn giản nhất cho bê tông đúc sẵn là bê tông đã được đúc, bảo dưỡng tại một vị trí không phải là điểm đặt cuối cùng của kết cấu Khoảng cách từ vị trí sản xuất tới điểm lắp đặt vào hệ kết cấu có thể chỉ là vài mét để giảm chi phí vận chuyển, hoặc cũng có thể cách hàng nghìn km trong trường hợp sản phẩm có giá trị cao, chi phí vận chuyển chiếm không nhiều trong giá thành Ví dụ như khung bê tông lắp ghép được tạo dáng kiến trúc trong hình 1.1 được sản xuất cách địa điểm xây dựng là 600 km, trong khi đó các cột, dầm và tường bê tông lắp ghép trong hình 1.2a và b lại được sản xuất cách công trường60m. Điều thực sự phân biệt giữa bê tông lắp ghép với bê tông đổ tại chỗ là phản ứng ứng suất – biến dạng của nó đối với ngoại lực tác dụng và biến đổi bên trong như co ngót (thay đổi thể tích) Những điều này được gọi chung là ‘tác động’ trong tiêu chuẩn Eurocodes, và những ứng dụng chính của kết cấu bê tông lắp ghép được quy định trong tiêu chuẩn EC0 (BS EN 1990 2002), tải trọng hoặc ‘tác động’ trong tiêu chuẩn EC1 (BS EN 1991-1-1 2002) và tiêu chuẩn ‘thiết kế kết cấu bê tông’ EC2 (BS EN 1992-1-12004).
Theo định nghĩa, một phần tử bê tông lắp ghép có kích thước hữu hạn và phải được liên kết với các phần tử khác để tạo thành một kết cấu hoàn chỉnh Thông thường chỉ cần một gờ đỡ như trong Hình 1.3 là đủ Nhưng khi co ngót nhiệt hoặc biến dạng gây ra làm thay đổi thể tích (rút ngắn hoặc dài ra), hai phần tử lắp ghép sẽ dịch chuyển ra xa nhau (Hình 1.4a) Ma sát của bề mặt tại vị trí ghép nối sẽ ngăn cản chuyển động này, nhưng như vậy cũng tạo ra một lực F = μR có khả năng làm nứt cả hai cấu kiệnR có khả năng làm nứt cả hai cấu kiện được liên kết trừ khi các tiết diện cấu kiện này được gia cố thích hợp (Hình 1.4b).Hình1.5athểhiệnmộtvídụnơilựcmasátsinhradochuyểnđộnggiữacáctấmsàn và dầm lắp ghép làm cho dầm bị nứt vỡ Trong trường hợp khác, mô men sinh ra do sự hạn chế của chuyển động tại mối nối đã gây ra nứt ở mặt ngoài của tấm sàn tại vị trí liên kết giữa cột với dầm lắp ghép như trong Hình 1.5b.
Hình 1.1 Khung bê tông lắp ghép được tạo dáng kiến trúc tại văn phòng
Các góc xoay của cấu kiện dầm làm giảm chiều dài tiếp xúc lb, việc này gây ra ứng suất tập và làm nứt tại đỉnh cột, trừ khi có miếng đệm được sử dụng để ngăn ứng suất tập trung (Hình 1.4c) Nếu bề rộng dầm hẹp, sự phân tán ứng suất từ trong ra ngoài của cột sẽ gây ra biến dạng kéo bên, và dẫn đến vỡ bê tông bên dưới dầm trừ khi mặt cắt này được gia cường hợp lý (Hình 1.4d).
Hình 1.2: (a) Đúc tại chỗ sử dụng đúc chồng giữa các tấm Polythene
Hình 1.2: (b) Kết cấu hoàn thiện bởi các cột và dầm và tấm tường lắp ghép
Hình 1.3 Gối đỡ thông thường liên kết giữa cột và dầm
Hình 1.4 (a) Chuyển động không hạn chế giữa hai cấu kiến bê tông lắ ghép (b) Hạnchế chuyển động nhưng không ngăn ngừa nứt do kéo (c) Giảm chiều dài liên kết làm tăng ứng suất tập trung do góc quay do uốn (d) Nứt bên do diện truyền lực hẹp (trái)
(A) và cốt thép gia cường (phải)(B)
Hình 1.4 (tiếp) (e) Mất gối đỡ do tác động vô tình (trái) (A); thanh chốt ngăn ngừa(phải) (B); (f) Mất gối đỡ do lún cột (trái) (A); các vòng thép ngăn ngừa (phải) (B)
Hình 1.5 (a) Vỡ do chuyển dịch giữa các tấp sàn và dầm (b) Nứt do ngăn cản tại liênkết giữa dầm và cột lắp ghép.
Nếu cột bị tác động bởi một tai nạn hoặc một lực kết cấu H với H > H, thì chuyển vị u sẽ không phải là chuyển vị đàn hồi phục hồi và có thể dấn tới mất ổn định hoặc thậm chí mất cả gối đỡ trừ khi gối đỡ có khả năng kháng cắt (Hình 1.4e) Trường hợp móng của cột bị hỏng, mất gối đỡ cũng diễn ra trừ khi gối đỡ có khả năng chịu kéo (Hình 1.4).
Trên đây là một số yếu tố phân biệt kết cấu bê tông lắp ghép với các dạng kết cấu bê tông khác.
Sự làm việc của kết cấu bê tônglắpghép
Kết cấu bê tông lắp ghép hoàn chỉnh là một tập hợp các cấu kiện lắp ghép được kết nối phù hợp với nhau, tạo thành một khung ba chiều có khả năng chống lại tải trọng đứng và tải trọng gió (hoặc thậm chí cả động đất) Kết cấu khung lắp ghép thường được sử dụng trong các tòa nhà như văn phòng, nhà đơn lẻ, bãi đỗ xe, trường học, sân vận động và các tòa nhà đòi hỏi không gian thông thoáng và không gian cho thuê đa chức năng. Lượng bê tông trong khung lắp ghép này ít hơn 4% tổng khối lượng của tòa nhà và 2/3 lượng bê tông này là các sàn lắp ghép Trong trường hợp công trình là trung tâm mua sắm và bãi đỗ xe được thể hiện trong Hình 1.6, các cấu kiện bê tông lắp ghép đỡ các tải trọng thẳng đứng (tức là tải trọng trọng lực) là cột, dầm, tấm sàn, cầu thang và lõi cầuthang.
Hệ khung này sẽ được ‘giằng’ để chống lại các tải trọng ngang (tức là tải trọng bên và áp lực gió) bằng cách sử dụng các ‘cột rất sâu’ (very deep columns) và các thanh giằng chéo Khung thể hiện trong Hình 1.7 được xây dựng bởi các cấu kiện tương tự, nhưng khả năng kháng tải trọng ngang được cung cấp bởi cùng các cột chịu tải trọng đứng, hệ khung và cột như vậy được phân là loại ‘không giằng’ Khung lắp ghép trong Hình 1.8 là tương tự một kết cấu cột, dầm và sàn, nhưng ở đây liên kết cột-dầm được thiết kế là liên kết cứng chịu mô men, và vì thế cường độ và độ cướng của các dầm và cột, khả năng chịu tải trọng ngang được cung cấp bởi sự làm việc của cả hệ khung, hiểu theo một cách đơn giản thì trong trường hợp này khung giống các khung bê tông đổ tại chỗ. Nét đặc trưng phân biệt khung lắp ghép là các liên kết giữa dầm-cột là liên kết cứng, hay nửa-cứng và vì vậy các cột sẽ chịu tác động của tải trọng ngang trong trường hợp khung không giằng như Hình 1.7 Các khung trong Hình 1.9 và 1.10 đượcx â y d ự n g xử dụng các cấu kiện tương tự, nhưng có sự sáng tạo ở mặt ngoài công trình và các khuôn lắp ghép đắt tiền, ngôi nhà này thể hiện một chức năng hoàn thiện cả về kiến trúc và kết cấu.
Hình 1.6 Hệ khung giằng ‘xương’ bê tông lắp ghép, Trung tâm bán lẻ và bãi đậu xe‘Green Apple’, Helsinki.
Các loại kết cấu khung lắp ghép này được gọi là kết cấu ‘xương’ (skeletal), đây sẽ là dạng kết cấu được thảo luận và thiết kế trong tài liệu này Mặc dù các cột, dầm và sàn được nhìn thấy rõ trong Hình 1.10, nhưng kết cấu này lại chủ yếu là kết cấu ‘khung- tường’, nó khác với dạng ‘xương’ vì sử dụng các tấm tường với ba chức năng là: (1) tạo dáng kiến trúc, và chịu tải trọng (2) đứng và (3) ngang Hệ kết cấu tường này không được thảo luận và thiết kế trong tài liệunày.
Hình 1.7 Khung lắc 'xương' bê tông lắp ghép, Europark, Rome
Hình 1.8 Khung ‘xương’ bê tông lắp ghép được biết tới là khung nửa cứng, Đại họcRecife, Brazil.
Hình 1.9 Kết cấu ‘ xương’ lắp ghép kết hợp với các cột kiến trúc và dầm sườn,Reading Business Park, Vương quốc Anh
Hình 1.10 Khung ‘xương’ lắp ghép và ‘khung-tường’, Barwa City, Qatar.
Hình 1.11 Sơ đồ truyền tải vào khung không giằng (lắc) do (a) trọng lưc (b) tải ngang
Trong Hình 1.11a, trọng lực gk(tĩnh tải [kN/m2]) và qk(hoạt tải hoặc tải đặt thêm[kN/ m 2 ]) truyền trực tiếp lên các tấm sàn gây ra uốn, cắt và một chút xoắn Các tải sàn này sau đó truyền lên các dầm (dạng cắt[kN/m2]); Tiếp theo truyền từ dầm xuống cột; và từ cột xuống móng (dạng lực nén N[kN]) Mô men uốn m [kNm] có thể xuất hiện trong cột do phản ứng dầm-cột, nhưng ở đây bỏ qua vì nó khá nhỏ so với mô menM do tải ngang Wkgây ra.
Trong Hình 1.11b, lực Wk(áp lực gió theo phương ngang [kN/m2]) tác động vào toànbộ mặt ngoài của tòa nhà Để kể đến sai số xây dựng lệch theo phương đứng, một lựcH i [kN] sai số ban đầu được cộng vào lực Wk[kN] tại mỗi mức sàn Hi được địnhnghĩa và sử dụng trong thiết kế ổn định ở phần 6.2.6 và Hình 6.23 trong [Kim, 2016].Tải trọng tuyết tính do sai số ban đầu h i = Hi/l [kN/m] Các tải này được đặt tại cácmức sàn Nếu như chiều cao tầng là h [m] và chiều dài của mặt đón gió là l [mư, thìtổng lực đặt tại mỗi mức sàn sẽ là W k +Hi=wkhl+hil [kN] (trừ tầng mái khi đó chiều cao tầng tính là h/2) Wk+Hiđược truyền thông qua các sàn tầng, tác động dạng tấm (dạnglực cắt ngang f [kN]) đối với các dầm; từ các dầm (dạng lực cắt ngang F [kN]) tác động vào các cột; và từ các cột (dạng mô men M [kNm] và lực cắt ∑f [kN]) truyềnxuống móng Biến dạng thứ cấp do chuyển vị e 2 [m hoặc mm] gia tăng, lúc đó mô men tại chân công trình sẽ = M + m + Ne2 Bởi vì e2tỷ lệ với h3, e2tăng rất nhanh với chiềucao và vì vậy nó sẽ là nguyên nhân chính gây ra mô men tại chân côngtrình.
Hình dạng biến dạng của cộ phụ thuộc vào bậc liên kết của cột với đài móng (các liên kết chống mô men uốn), và liên kết giữa dầm và cột Tốt nhất thì liên kết giữa cột với móng mà dầm là liên kết cứng, khi đó hình dạng biến dạng của cột được thể hiện như Hình 1.12a Xấu nhất thì liên kết giữa cột với móng và dầm là khớp, thì kết cấu thành hệ cơ cấu (biến hình) như Hình 1.12b Trong thực hành, hệ móng thường rất cứng (nhưng không vô cùng) và các dầm gần với khớp (nhưng vẫn có độ cứng) vì vậy hình dạng biến dạng của cột như Hình 1.12c Làm việc như một thanh công xôn tự do, khả năng làm việc của cột đạt tới giới hạn khi chịu tác động của tổng hợp các lực tác dụngN, M, m và Ne 2 là chiều cao của kết cấu (H) đạt tới hạn chiều cao tới hạ (Hcrit) H Hcrit Khi H < Hcrit, hệ khung xương được gọi là ‘khung lắc’ hoặc ‘khung khônggiằng’.
Hình 1.12 Hình dạng biến dạng của cột cho các điều kiện biên khác nhau.
(a) liên kết cứng-không giẳng, (b) liên kết khớp-không giằng, (c) liên kết cứng với móng và khớp-không giằng với dầm, (d) liên kết khớp-cógiằng.
Khi H > Hcrit, các hệ tường chịu lực được sử dụng cho hệ khung xương, khi đó hệkhung được gọi là hệ ‘khung không lắc’ hoặc ‘khung giằng’ (Hình 1.13) Hệ tường(hoặc các loại giằng) được xếp thẳng hàn theo chiều dọc cùng chiều với lực
Wk+Hisẽthay thế cho hệ cột trong việc kháng mô men lật Do có độ bền và độ cứng lớn, các tấm tường sẽ không cần phải thay thế tất cả các cột, thực tế chỉ cần thay thế 1 tấm tường trong 20 cột là có thể đủ, và các vị trí thay thế phải được tính toán lựa chọn hợp lý, thường là ở cuối nhà và xung quanh khu vực cầu thang hay thangmáy.
Hình 1.13 Sơ đồ truyền lực trong hệ khung giằng sử dụng các tấm tường chèn (a) cùngtấm sàn lắp ghép (b) Chú ý trong hình Wk và wk bao gồm lực FH và ứng suất fH do khuyết tật.
Do số lượng trong khung xương là khá ít, nên cáctấmtường ít ảnh hưởng tới việctruyền tải trọng đứng là gkvà qknhư trong Hình 1.11a Tuy nhiên ảnh hưởng của chúng tới chịu tải trọng ngang là rất đáng kể như trong hình 1.13 Wk+ Hiđược truyềnthông qua sàn, dạng các tấm tác động ngang (dưới lực cắt ngang f [kN] và mô menngang mb[kNm]) vào dầm tại vị trí của các tấm tường; từ các dầm (lực cắt F [kN])truyền vào dầm; thông qua các tấm tường (dưới dạng các lực chéo) truyền xuống nền (thành tổng lực cắt ∑F [kN] và phản lực dọc trục N[kN]).
Mặc dù có biến dạng cắt, các tấm tường vẫn đủ độ cứng để đảm bảo giới hạnchuyển là/h h3 Hình 3.26a thể hiện các mômen cuốic ù n g
Hình 2.10 Mômen uốn trong khung có mối nối khớp cho (a) các dầm phía trong,
(b)các cột sàn tầng trên, (c) cột sàn tầng trệt 2.2.3 Khungphụ cột sàn phíatrên
Hình 2.10b Khung phụ bao gồm các cột được thiết kế với chiều cao h2(khoảng cách giữa tâm của gối tựa dầm), và một nửa của các cột liền kề chó chiều cao h1và h3 Bởivì cột là liên tục, tiết diện ngang và độ cứng uốn EI của mỗi phần của cột được xem xét như trong hình vẽ Các dầm được chất tải theo mẫu như đã đề cập ở phần trước,của nhịp L4/2 và L5/2, và độ lệch tâm của mỗi gối tựa đầu dầm từ trục trọng tâm của cột lần lượt là e4và e5 Mômen ở đầu của cột được thiết kế sẽ được tính bởi côngthức
EI 2 h 2 (2.5) col,upper 44 55 EI 2 EI
Và tại chân cột là:
Hình 2.10b thể hiện các mô men cuối cùng Chú ý rằng đường chất tải tạo ra độ cong trong các cột.
Hình 3.19c khung phụ bao gồm có cột được thiết kế với chiều h1(là khoảng cách từtâm của gối đỡ dầm sàn tầng 1 tới 50 mm phía dưới đỉnh của móng (xem phần 9.4)),và một nửa chiều cao cột liền kề h2 Các chi tiết còn lài là như phần trước Nếu nềnmóng là cứng (kháng mômen), mô men ở đỉnh của cột đang thiết kế sẽ được tính theo công thức 3.5 với các ghi chú thích hợp Mômen truyền vào tại chân cột là bằng 50% tại đỉnh cột Nếu nền móng là khớp, mô men ở đỉnh cột được tínhbằng
0.75EI 1 EI 2 h 1 h 2 và mô men ở chân cột thì bằng không Hình 2.10c thể hiện các mô men cuối cùng Các đường chất tải tạo ra độ cong trong cột.
Tải trọng thiết kế tác động lên khunglắpghép
2.3.1 Tảitrọng thiết kế tác động lên dầm vàkhung
Các tiêu chuẩn Châu Âu được sử dụng trong thiết kế kết cấu bê tông lắp ghép là:
Eurocode 0 ‘Cơ sở thiết kế kết cấu’ (BS EN 19902002)
Eurocode 1 ‘Các tác động lên kết cấu công trình’ – Phần 1-1: Các tác động chung –
Tỷ trọng (trọng lượng riêng của vật liệu), trọng lượng riêng của kết cấu, các hoạt tải trêncôngtr ìn h ( B S EN1991-1-12002)
( tả it rọ ng đ ặ t thêm)cộ n g t hê mcác t ả i khá c như lửa, tuyết, gió, nhiệt, thi công (trong giai đoạn thi công) và tác động do tai nạn (nổ, va đập…).
Eurocode 2 ‘Thiết kế kết cấu bê tông – Quy tắc chung và quy tắc cho nhà’ (BS EN 1992-1-1 2004) bao gồm các hệ số cho tải dao động gây ra bởi sự không hoàn chỉnh (không thẳng đứng, cong vênh trong quá trình xây dựng…)
Eurocode 3 ‘Thiết kế kết cấu thép, Quy tắc chung và quy tắc cho nhà’ (BS EN 1992- 1-1 2005) trong đó cấu trúc thép, đệm thép, hàn … được yêu cầu trong các phần thêm của EN1993.
Mỗi tài liệu toàn Châu Âu được kèm theo các phụ lục quốc gia (NAs) phù hợp với thực tiễn làm việc của mỗi quốc gia, điều kiện khu vực và mức độ ưu tiên đã được quy định, ví dụ trong tài liệu này giằng ổn định cho công trình là giống như trong tiêu chuẩn BS 8110: 1997 của Vương quốc Anh Tài liệu này sẽ sử dụng phụ lục quốc gia (NA) của Anh liên quan tới tiêu chuẩn EC0 (NA liên quan tới BS EN 1990 2002), EC1 (NA liên quan tới BS EN 1991-1-1 2002), EC2 (NA liên quan tới BS EN 1992-1-1
2004) và tóm tắt phụ lục liên quan tới EC3 trong đó kết cấu thép, đệm, hàn … được quy định Phụ lục 3A (tại cuối mỗi chương) tổng kết nội dung của tiêu chuẩn EC2 phần 1-1 và 1-2, cùng với các mục cụ thể liên quan tới các cấu kiện bê tông lắp ghép và ứng suất trước trong NA liên quan tới BS EN 1992-1-1 Tài liệu tham khảo cũng sẽ được thực hiện theo quy định về tài liệu đã công bố của Anh (UK’s Published Document-PD) là PD 6687-1 (PD 6687-1 2010) trong đó có hướng dẫn cụ thể các mục cụ thể không được công bố trong các tiêu chuẩn Châu Âu hoặc là phải cho thêm các thông tin không mẫu thuẫn Các mục chính trong PD liên quan tới thiết kế kết cấu bê tông lắp ghép được liệt kê trong Phụ lục3B.
Các tài liệu này sẽ đưa ra độ lớn tải trọng và tổ hợp tải trong, các trường hợp tải trongvà hệ số an toàn từng phần PSFs (Partial Safety Factors)f(trong BS EN 1990) chocác tải trọng phương ngang và trọng lực (phương đứng) trong khung và dầm Có bốn điều kiện được xem xét, mỗi điều kiện sẽ ứng với các giá trị riêng của chúng nhưsau: a Trạng thái giới hạn khả năng sử dụng (ứng suất, nứt, biến dạng, động lực,mỏi) b Trạng thái giới hạn cuối cùng (ULS) (sức mạnh, độvênh-oằn) c Trạng thái giới hạn mất ổn định (đối với việclật-đổ) d Trạng thái giới hạn tai nạn (cháy, độ vững-chắc, sụp đổ lũytiến)
Tuy nhiên, mỗi điều kiện sẽ thay đổi tùy thuộc vào bản chất của các tải trọng Việc này được gọi là ‘tác động’ trong Tiêu chuẩn Châu Âu, và áp dụng vào kết cấu phía trên (phần thân) sẽ tuân theo các yêu cầu sau: i.Tác động cố định: trọng lượng bản thân, tĩnh tải của lớp phủ, hoàn thiện, dịch vụ,tường cố định G k ; các lực ứng suất trước P; độ lún của gối tựa, tải trọng dao động dosự không hoànchỉnh. ii Tác động thay đổi: Các hoạt tải áp đặt lên sàn, các tường ngăn có thể tháo lắp được,tải trọng do tuyết Q k ; tải trọng gió Wk; các hiệu ứng nhiệtđộ. iii Tác động tai nạn: lửa, va đập, mất gối đỡ, sụp đổ, nổ, A d ,…
Tĩnh tải, hoạt tải và tải trọng gió dựa trên giá trị đặc trưng 95% cho tải trọng phân bốđều (UDL) được gọi là g k , qkvà wk[kN/m2] và tải trọng tập trung là Gk, Qkvà
Trọng lượng bản thân của bê tông không cốt thép làm bằng cốt liệu có trọng lượng bình thường (khoảng 2600 kg/m 3 ) được lấy là 24 kN/m 3 , theo BS EN 1991-1-1, Bảng A.1, trừ khi nó được chỉ ra bởi nhà sản xuất rằng trọng lượng bản thân đặc trưng của các cấu kiện là khác nhau Tính thêm 1 kN/m 3 cho các thanh cốt thép và cáp ứng suất trước, mặc dù trọng lượng của cáp ứng suất trước không lớn bằng như vậy, ví dụ các tao cáp số 10 9.3 mm trong bản sàn đặc 1200x150 là chỉ 0.22 kN/m 3 Trọng lượng riêng của bê tông ướt được lấy là 25 kN/m 3 Mật độ hoặc trọng lượng bản thân của các vật liệu xây dựng khác và vật liệu lưu trữ trong kho, v.v được nêu trong BS EN 1991- 1-1, Bảng A.2 đến A.12 Lưu ý rằng trọng lượng bản thân của các khối xây được nêu trong BS EN 771 (BS EN 771 2011) chứ không phải trong tiêu chuẩn khối xây (BS
Các giá trị thiết kế của các tác động cho mỗi trạng thái giới hạn phụ thuộc vào bản chất của tải trọng (i) đến (iii), việc sử dụng các tấm sàn (ví dụ: khu dân cư, bãi đậu xe, kho chứa) và số lượng, vị trí của các tải trọng thay đổi Về mặt thống kê, không thể chắcchắn rằng tất cả các tải được đặt sẽ tác động ở giá trị đặc trưng của chúng Q k1 ,
Qk2… Qkivà tác động đồng thời một lúc, toàn bộ hoạt tải sẽ không tác động ở tất cả các tầngtrong một tòa nhà nhiều tầng, hoặc gió và tải tuyết sẽ không tác động cùng một lúc Các ngoại lệ đối với điều này rõ ràng sẽ được áp dụng và nhà kỹ sư thiết kế phải nhận thức được sự kết hợp đồng thời nhất định, chẳng hạn như tải trọng trực tiếp tác động lên cầu thang và chiếu nghỉ cùng một lúc, trong trường hợp đó tải trọng đặc trưng sẽ được lấy cho cả hai cấukiện.
2.3.1.1 Trạng thái giới hạn khả năng sửdụng
Về mặt thời gian, đặc tính đặt thêm của hoạt tải Qkđã được sử dụng trong tất cả cáctính toán khả năng sử dụng của ứng suất giai đoạn làm việc trong bê tông ứng suất trước, trong tính nứt và các biến dạng ngắn hạn cũng như dài hạn khi kể đến các biến dạng đàn nhớt sinh ra do từ biến và các ảnh hưởng khác như co ngót giữa các bê tông được đổ ở các lần khác nhau Các tiêu chuẩn Châu Âu cũng xem xét hết sức khắt khe về các ảnh hưởng dài hạn của nứt và biến dạng, ngoại trừ việc tính toán ứng suất trong giai đoạn làm việc trong bê tông ứng suất trước để tránh sự gãy đổ đột ngột sau khinứt, các giá trị giảm yếu của Qkđược phép thực hiện như trong Hình 2.11 Đây là minhhọavềcácgiátrịđạidiệnchocácgiátrịđặctrưngQk,giátrịtảitrọngtổhợp
0Qk, giá trị tải thường xuyên1Qk, giá trị tải giả tĩnh2Qktrong một khoảng thờigian, hoặc có thể được tính cho toàn bộ tuổi thọ của công trình Thực tế, mục A1.4.2 của EN
1990 cho phép các tiêu chí về khả năng phục vụ được xác định cụ thể cho từng dự án và được khách hàng đồng ý, nhưng các định nghĩa hoàn cảnh thực tế được khuyến nghị sử dụng với các yêu cầu về khả năng sử dụng cụ thể trong điều khoản A1.4.2 của
NA đến BS EN 1990 là: a Cho chức năng và thiệt hại đối với các phần tử kết cấu và phi kết cấu (ví dụ: tường ngăn, v.v.), tổ hợp đặc tính, ví dụ ứng suất, cườngđộ b Để tạo sự thoải mái cho người dùng, sử dụng máy móc, tránh đọng nước, v.v tổ hợp thườngxuyên c Đối với diện mạo của công trình, tổ hợp giả tĩnh, ví dụ như biến dạng, độlệch
Hình 2.11 Diễn tả các tác động thay đổi Bảng 2.1 Các hệ số tải trọng từng phần cho các hoạt tải
Sàn trung tâm thương mại, phòng họp 0.7 0.7 0.6
Khu vực có xe tải trọng < 3 tấn 0.7 0.7 0.6
Khu vực có xe tải trọng > 3 tấn 0.7 0.5 0.3
Khu vực có tuyết ở vị trí cao >1000m 0.7 0.5 0.2
Khu vực có tuyết ở vị trí cao 0 i.Ví dụ tính toán trạng thái giới hạn khi chịu tác động thường xuyên, tác động thayđổi vàgió
Tính mô men uốn cực hạn lớn nhất MEdtại chân cột có chiều cao h=4.0m như Hình 3.22 Mối nối dầm-cột là khớp, và với móng là ngàm cứng Khoảng cách từ mép biêncủa cột tới tâm của phản lực dầm là 100 mm Tải trọng dầm đặc trưng là G k @ kN/m và Qk0 kN/m, và áp lực gió bằng tải trọng ngang Wk kN Mô men truyền ở chân cột bằng 50% mô men ở đầu cột gây ra bởi dầm đặt lệch tâm Lấy0(tải trọnglực)=0.7
Lý thuyết áp dụng phần 2.3.2.1 của Luận văn:
Tải trọng dài hạn Tải trọng hoạt tải Bất lợi Thuận lợi Bất lợi Thuận lợi Gió
Tải dài hạn + hoạt tải 1.35 1.0 Ψ 0 1.5 0 N/A
Tải dài hạn + hoạt tải 1.25 1.0 1.5 0 N/A
Tất cả các nhịp được chất tải trọng cực hạn lớn nhất wEd,max= GGk+ QQk(theo BSEN
1990, biểu thức 2.10a hoặc 2.11a (6.10a hoặc 6.10b trong BS EN1990).
Lý thuyết áp dụng phần 2.3.1.2 của Luận văn:
- Mômen cực hạn thiết kế M Ed , lực cắt VEdvà phản lực FEdlà dựa trên tải trọng cực hạn thiết kế Ed= tải trọng đặc trưng x tập hợp các hệ số tải trọng từng phần.
Lời giải: Độ lệch tâm của phản lực gối tựa dầm R tính từ tâm cột là e = 300/2 + 100 %0 mm.
Hình 3.1 Chi tiết của ví dụ 3.3
Mô men tại chân cột do tải trọng gió gây ra là MEd= WEdh/2 (vì có 2 cột)
Các tổ hợp tải trọng cực hạn và mô men được tổng hợp trong bảng sau:
Tải trọng tác dụng vào dầm Tải trọng gió
P-thường xuyên (tĩnh tải), I-áp thêm (hoạt tải), W-tải trọng gió
Sau đó MEd,max= 65.5 kNm sử dụng biểu thức 6.10b cho tất cả các tải (Chú ý rằng theo
BS 8110 giá trị cho tất cả trường hợp tải, wult=1.2x70 = 84kN/m, Mu(trọng lực_ = 42 kNm, Wu= 1.2x12 = 14.4 kN, Mu(gió) = 28.8 kNm Tổng Mu= 70.8 kNm).
3.1.2.2 Ví dụ tính toán trạng thái giới hạn khi chịu các lực ngang do sự không hoànchỉnh
Tính các lực ngang tại các mức sàn và mômen lật tại móng do sự không hoàn chỉnh trong kết cấu khung xương có giằng như Hình 3.25 Số lượng cột tại mỗi nhịp là 6, và có 5 hàng cột Có hai bộ tường chịu cắt tại mỗi hàng cột ngoài cùng Tải trọng lực cực hạn mỗi sàn = 15,000 kN và tại mái là 7,000 kN.
Hình 3.2 Chi tiết cho ví dụ 3.4 (giằng) và Ví dụ 3.5 (không giằng)Lý thuyết áp dụng:
Lý thuyết áp dụng phần 2.3.2.2 của Luận văn:
- Đối với kết cấu, lực ngang H i được đặt vào hệ kết cấu giằng tại các mức sàn như làcác lực nằm ngang của tổng tải trọng trọng lực cực hạn của mức sàn dó, ví dụ hệ kết cấu giằng là hệ lõi hoặc hệ tường chịu cắt Xem trong Hình 3.24a (đã được tra từ BS EN 1992-1-1, Hình5.1b).
Hi=i(Nb– Na) =iVEdtại các liên kết ở caođộsàn (2.19)
L = tổng chiều cao của kết cấu giằng (m)
m (2.22) m = số lượng các cấu kiện đứng đóng góp vào lực ngang tác động lên hệ giằng
Lời giải l = 10.5 m, tiếp theo αh = 2/√10.5 = 0.617 sử dụng 2/3
Tại cao độ mái, Hi,roof=IN/2 đặt vào tường chịu cắt = 0.002396x7000/2=8.38kN chomỗi tường
Tại mức sàn, Hi,floor= 0.002396x15,000/2 = 17.97 kN cho mỗi tường
Mômen lật Mido Hi= 8.38x10.50 + 17.97x(7.25 + 4.00) = 290.1 kNm cho mỗi tường
Tính các lực ngang tại mức sàn và mô men lật tại móng do sự không hoàn chỉnh trong một cột phía trong, kết cấu giống như trong ví dụ 3.25 nhưng không được giằng Hệ số chiều dài tính toán cho cột có thể (trong ví dụ này) được lấy bằng 2.2 Tổng tải trọng trọng lực cực hạn cho mỗi cột ở cao độ sàn = 900 kN và tại mái P0kN.
Lý thuyết áp dụng phần 2.3.2.2 của Luận văn:
- Đối với các cột được cách ly, Hiđược áp cho các cột không giằng như là độ lệch tâm eiđược thể hiện trong Hình 3.24b (được tra từ BS EN 1992-1-1, Hình 5.1a và biểuthức 5.2) Điều này được sử dụng vì các cột trong kết cấu lắp ghép là được xác định tĩnh và không có mô men liên tục (continuity) giữa các hàngcột. ei=il0/2 (2.23)
Trong đó l0là chiều dài tính toán của cột tại các mức sàn trong đó eiđược xét tới, tạimức sàn tầng 2 l0 được xác định dựa trên chiều cao đối với sàn tầng 2, … αh=2/3≤(2/√l) ≤ 1, trong đó l = chiều dài thực của cột tại độ cao mà e i tác động (m) và m=αm=1
Tại cao độ mái, l.50m; khi đó b 2 / 0.617 dùng 2/3xl0=2.2x10.5#.1m ei=(1/200)x(2/3)x23.1/2=0.039
Sau đó Mido ei= 500x0.039 = 19.5 kNm và bằng với Hi= 19.5/10.5 = 1.85k N
Tại cao độ sàn tầng 2, l=7.25m, khi đó b 2/ 7.25 0.742
Khi Micó ei0x0.030'.0 kNm nó tương đương với Hi'.0/7.25=3.72 kN
Tại cao độ sàn tầng 1, l=4.00 m, khi đó b 2/ 1 l0=2.2x4.00=8.80 m ei=(1/200)x1x8.80/2=0.022 m
Khi Micó ei0x0.022.8 kNm nó tương đương với Hi.8/4.00=4.95 kN
Tổng cộng Mi.5+27.0+19.8 = 66.3 kNm mỗi cột
(Chú ý rằng Micho cột được cách ly là lớn hơn mỗi cột nếu tổng Micho các tườngđược chia cho tổng số lượng cột)
Ví dụ tính toán theo phương phápkhung phụ
Đề bài: Sử dụng các kỹ thuật khung phụ, hay đi tìm mô men uốn trong dầm X và cột Y và Z được xác định trong Hình 3.27 Các mối nôi dầm-cột là khớp, và liên kết với móng là ngàm cứng Khoảng cách từ biên của cột tới tâm của phản lực dầm là 100mm. Tải trọng dầm đặc trưng là Gk= 40 kN/m và Qk= 30k N / m
Lý thuyết áp dụng phần 2.1 của Luận văn:
Mô men lớn nhất trong dầm là:Mw (L2e)2/8 (2.1)
Phản lực đầu dầmlà R 1 w Ed,max L 2 /2 (2.2)
(Chú ý lực cắt trong dầmlà V E d
Phản lực trong dầm liên kềlà R 1 w Ed,min L 1 /2và R 3 w Ed,min L 3 /2(2.3)
Mô men uốn lớn nhất sinh ra trong cột được tính bởi
Khung phụ cột sàn phía trên: Mômen ở đầu của cột được thiết kế sẽ được tính bởi côngthức
EI 2 h 2 (2.5) col,upper 44 55 EI 2 EI
Và tại chân cột là
Khung phụ cột sàn tầng trệt: Nếu nền móng là cứng (kháng mômen), mô men ở đỉnh của cột đang thiết kế sẽ được tính theo công thức 3.5 với các ghi chú thích hợp. Mômen truyền vào tại chân cột là bằng 50% tại đỉnh cột Nếu nền móng là khớp, mô men ở đỉnh cột được tínhbằng
0.75EI 1 EI 2 h 1 h 2 và mô men ở chân cột thì bằng không
= max {85.5; 95.0} 0 kN/m; wEd,min= 40kN/m
Các phản lực ở đầu dầm
Hình 3.3 Chi tiết của ví dụ 3.6. nhưng EI1/h1= EI2/h2
Công thức 2.7 Tại đỉnh và chân, Mcol= (380.0 – 24.0)x0.250x0.5 = 17.5 kNm
Phản lực đầu dầm như phần trước e1= e2= 450/2 + 100 = 325 mmĐưa đến rằng E là hằng số
Công thức 3.5 Tại đỉnh cột Mcol,upper= (380 – 240)x0.325x451/(451 + 211) 31.0kNm
Tại chân cột, Mcol,lower= 50%x31.0 = 15.5 kNm.
- Từ lý thuyết của chương 2, sử dụng các công thức để giải các bài toán cụ thể trong thực tế, từ đó rút ra được cách tính cho từng loại bài toán cũng như từng loại cấukiện.
- Sử dụng các ví dụ tường minh để đúc kết được ra các phương pháp tính toán cụ thể cho cấu kiện Bê tông lắpghép.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Với hàng loạt các ưu điểm đã nêu ra phía trên, kết cấu bê tông lắp ghép đã và đang được ứng dụng cho rất nhiều công trình dân dụng và công nghiệp hiện nay Và với tiêu chuẩn Eurocode 2, ta hoàn toàn có thể tính toán thiết kế khung bê tông lắp ghép để ứng dụng vào thựctế.
- Về phương pháp tính: Kết cấu khung bê tông lắp ghép có nhiều phương pháp tính toán với từng loại cấu kiện dầm, cột, sàn, chi tiết liên kết, Luận văn đã nêu ra được một số phương pháp phân tích tính toán kết cấu khung bê tông lắp ghép theo tiêu chuẩn Eurocode2 đủ để ứng dụng vào tính toán cấu kiện bê tông lắp ghép thực tế Các phương pháp tính như phương pháp phân tích khung theo phương pháp đơn giản, các phương pháp kết cấu phụ để tính toán cột,dầm,
- Về tải trọng: Tiêu chuẩn về tải trọng Eurocode 1 khi tính toán kết cấu khung lắp ghép có nhiều chỗ khác biệt so với tiêu chuẩn Việt Nam Theo tiêu chuẩn Eurocode 1 thì tải trọng được gọi là ”Tác động” và thay đổi tùy thuộc vào bản chất của ”tác động”. Ngoài ra sự khác biệt nằm ở phần tổ hợp tải trọng để tính toán từng trạng thái giới hạn khácnhau.
Dựavàokếtquảnghiêncứutínhtoáncủaluậnvăn,cácbàitoántínhtoánkhungbêtông lắp ghép cơ bản đã được giải quyết và hoàn toàn có thể áp dụng vào tính toán thực tếcôngtrình.Đãcóđủcơsởtừ”tácđộng”đếntổhợptảitrọng,cáctrạngtháigiớihạncủa cấu kiện và lý thuyết tínhtoánkhung bê tông lắp ghép Từ đó, Luận văn đã hệthốngđược quy định thiết kế khung lắp ghép theo tiêu chuẩn Eurocode2 cũng như tính toán khung lắp ghép, làm tài liệu để sử dụng cho tính toán thực tế sau này của các kỹ sư xâydựng.
Mặc dù đã được sử dụng tại Việt Nam từ khá lâu và hiện nay đang phát triển mạnh với sự tham gia của nhiều công ty lớn, các tiêu chuẩn thiết kế cũng như chỉ dẫn kỹ thuật về dạng kết cấu lắp ghép đã có như TCVN 9115-2019 nhưng còn nhiều điều chưa hoàn thiện Vì vậy trên cơ sở hội nhập và chuẩn bị cho sự thay đổi của hệ thống TCVN trongthờigiantới,tácgiảđãnghiêncứutínhtoánkhungbêtônglắpghéptheotiêu chuẩn Châu Âu Mong rằng đây sẽ là tài liệu hữu ích cho các kỹ sư trong thực hành thiết kế công trình bê tông lắp ghép phù hợp với hệ thống tiêu chuẩn hiện đại, tiên tiến.