Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Thiết kế tối ưu tiết diện kết cấu khung liên hợp thép - bê tông trong nhà nhiều tầng

Công trình vừa phải đạt yêu cầu hoạt động an toàn, ổn định, không bị phá hoại do tác động của các tải trọng, vừa hiện thực hóa được ý tưởng của phương án thiết kế kiến trúc lại phải đảm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO UBND THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO UBND THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan kết quả nghiên cứu của luận văn này là của riêng cá nhân em Các nội dung, thông tin và kết quả trong luận văn là trung thực

Hải Phòng, ngày 12 tháng 6 năm 2023

Tác giả luận văn

Nguyễn Thanh Tùng

LỜI CÁM ƠN

Em xin được bày tỏ lời cảm ơn tới toàn thể các thầy cô giáo khoa xây dựng, các thầy cô đã giảng dạy, giúp đỡ em trong hai năm học tập dưới mái trường Đại học Hải Phòng Các thầy cô chính là những người đã động viên, giảng dạy và hướng dẫn em để em có thể hoàn thành được luận văn cao học

Em cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn đối với thầy TS Hoàng Hiếu Nghĩa quan tâm sát sao, hướng dẫn để em có thể hoàn thành luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn!

Hải Phòng, ngày 12 tháng 6 năm 2023

Tác giả luận văn

Nguyễn Thanh Tùng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CÁM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH vii

DANH MỤC BIỂU ĐỒ ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG 6 1.1 Khái niệm và một số định nghĩa 6

1.1.1 Khái niệm 6

1.2 Một số định nghĩa 8

1.2.1 Cấu kiện liên hợp 8

1.2.2 Liên kết chịu cắt 8

1.2.3 Ứng xử liên hợp 8

1.2.4 Sàn liên hợp 8

1.2.5 Dầm liên hợp 8

1.2.6 Cột liên hợp 8

1.2.7 Khung liên hợp 8

1.2.8 Nút liên kết liên hợp 8

1.3 Đặc điểm cấu tạo của kết cấu liên hợp 8

1.3.1 Tiết diện dầm liên hợp 9

1.3.2 Tiết diện sàn liên hợp 10

1.3.3 Tiết diện cột liên hợp 15

1.4 Ưu nhược điểm của kết cấu liên hợp thép – bê tông 17

1.4.1 Ưu điểm 17

1.4.2 Nhược điểm 19

1.5 Tình hình sử dụng kết cấu liên hợp tại Việt Nam và trên thế giới 19

1.5.1 Lịch sử phát triển 19

1.5.2 Trên thế giới hiện nay 20

1.5.3 Việc sử dụng kết cấu liên hợp tại Việt Nam hiện nay 23

Tiểu kết chương1 27

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN KẾT CẤU LIÊN HỢP DÙNG TRONG NHÀ CAO TẦNG 28

2.1 Cơ sở thiết kế 28

2.1.1 Các yêu cầu 28

2.1.2 Các nguyên tắc thiết kế theo trạng thái giới hạn 28

2.2 Vật liệu sử dụng cho kết cấu liên hợp thép – bê tông 29

2.2.1 Vật liệu sử dụng cho kết cấu liên hợp 29

2.2.2 Bê tông đang sử dụng ở Việt Nam hiện nay theo TCVN 5574:2018 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép Tiêu chuẩn thiết kế 30

2.2.3 Thép thanh 36

2.2.4 Thép kết cấu (thép làm lõi chịu lực của kết cấu liên hợp) 37

2.2.5 Tôn định hình bằng thép của sàn liên hợp 38

2.2.6 Kiểm tra theo trạng thái phá hỏng (trạng thái giới hạn 1) 38

2.2.7 Độ bền của tiết diện khi chịu lực cắt tác dụng đồng thời với mômen: 46 2.2.8 Sức bền chống oằn (mất ổn định tổng thể) của dầm liên hợp 47

2.2.9 Tính toán theo trạng thái giới hạn khi sử dụng của dầm liên hợp 50

2.3 Cột liên hợp 52

2.3.1 Phương pháp tính toán 52

2.3.2 Điều kiện để đảm bảo ổn định cục bộ của lõi thép 53

2.3.3 Tính cột liên hợp chiu nén đúng tâm 54

2.3.4 Phương pháp chung đơn giản để tính cột liên hợp chịu nén lệch tâm, nén uốn 56

Tiểu kết chương 2 58

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ TỐI ƯU TIẾT DIỆN KẾT CẤU KHUNG LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG 59

3.1 Xây dựng mô hình tính toán 59

3.1.1 Lựa chọn vật liệu dùng trong tính toán: 59

3.1.2 Sơ bộ xác định tải trọng 59

3.1.3 Tính toán nội lực cho công trình 60

3.1.4 Sơ bộ lựa chọn tiết diện 61

3.2 Tính toán nội lực bằng phần mềm SAP2000 70

3.2.1 Giới thiệu về phần mềm sap 70

3.2.2 Nhập dữ liệu và chạy phần mềm 70

3.3 Xây dựng bài toán thiết kế tối ưu tiết diện 71

3.3.1 Các biến số 71

3.3.2 Hàm mục tiêu 71

3.3.3 Các ràng buộc tối ưu 71

3.3.4 Ràng buộc của biến 71

3.3.5 Ràng buộc của hàm mục tiêu 71

3.4 Tối ưu tiết diện cột khi phân tích kết cấu khung với các loại vật liệu khác nhau 72

3.4.1 So sánh và lựa chọn tối ưu tiết diện cột 72

3.4.2 So sánh chuyển vị cột 74

3.5 Tối ưu tiết diện dầm khi phân tích kết cấu khung với các loại vật liệu khác nhau 75

3.5.1 So sánh và lựa chọn tối ưu Tiết diện dầm 75

3.5.2 So sánh Chuyển vị dầm 76

Tiểu kết chương 3 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

2.3 Hệ số độ tin cậy của một số loại bê tôngkhi nén bc và khi kéo bt 31

2.4 Cường độ tiêu chuẩn, cường độ tính toán của bê tông tính theo các

2.5 Cường độ chịu kéo tính toán cuả bê tông ứng với cấp độ bền chịu

2.6 Tương quan giữa cấp độ bền chịu nén và mác bê tông theo cường độ

2.7 Giá trị cường độ chịu nén trung bình fcm của bê tông ở tuổi 28 ngày

2.9 TCVN 5709 -2009 Các chỉ tiêu cơ học của thép các bon cán nóng 37

2.11 Chiều cao lớn nhất của dầm thép để tránh bị oằn tại vùng mômen 49

DANH MỤC HÌNH

Số hiệu

1.1 Một số hình ảnh về kết cấu liên hợp thép - bê tông 7

1.9 Hình ảnh một số công trình sử dụng kết cấu liên hợp

1.10 Thi công lắp dựng sàn sàn bê tông- thép liên hợp 23

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

2.2 Nhịp tương đương để xác định chiều rộng tham gia

2.3 Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hoà đi qua tấm

2.4 Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hoà đi qua bản

2.5 Biểu đồ ứng suất khi trục trung hoà đi qua bản bụng

2.6 Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hoà đi qua cánh

2.7 Sự phân bố ứng suất dẻo khi trục trung hoà đi qua bản

2.8 Sử dụng một phần tiết diện hiệu quả của bản bụng loại

2.14 Biểu đồ tính toán cho cột chịu nén và chịu uốn theo 1

DANH MỤC BIỂU ĐỒ

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài nghiên cứu

Khi triển khai xây dựng dự án, công trình, đối với chủ đầu tư, các vấn đề đặt ra và phải giải quyết có rất nhiều Chủ đầu tư phải xem xét, nghiên cứu và đưa ra các quyết định, phương án xử lý về quy hoạch, mặt bằng, phương án kiến trúc, kết cấu, vật liệu, nguồn vốn…

Đối với cá nhân học viên – một kỹ sư xây dựng, việc đề xuất và lựa chọn phương án kết cấu phù hợp với công trình có ý nghĩa quan trọng, là nội dung phải quan tâm, tìm hiểu Công trình vừa phải đạt yêu cầu hoạt động an toàn, ổn định, không bị phá hoại do tác động của các tải trọng, vừa hiện thực hóa được ý tưởng của phương án thiết kế kiến trúc lại phải đảm bảo yếu tố tiết kiệm chi phí…

Kết cấu liên hợp thép – bê tông ra đời sau các kết cấu thép, kết cấu bê tông, kết cấu gỗ… nhưng cũng đã được sử dụng từ đầu thế kỷ 20 Dạng kết cấu này được nghiên cứu và ứng dụng thực tế rộng rãi ở các quốc gia phát triển như Mỹ, Nhật hay Châu Âu Vì kết cấu liên hợp thép – bê tông có thể giúp phương án thiết kế đạt được hiệu quả tối ưu, có nhiều ưu điểm vượt trội so với các dạng kết cấu truyền thống khác, cụ thể:

- Phát huy các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lý của hai loại vật liệu Thép

có cường độ chịu kéo cao, khả năng biến dạng dẻo lớn, nhưng khả năng chịu lửa kém, chi phí cao Bê tông tuy cường độ chịu nén không cao nhưng chịu lửa tốt, chi phí thấp, sử dụng rộng rãi

Kết cấu thép kết hợp bê tông tăng độ chịu lực, độ tin cậy của kết cấu và còn làm tăng độ cứng ngang, ổn định chịu lửa tốt hơn (đảm bảo hơn cho các công trình xây dựng trong vùng chịu động đất)

Với công nghệ luyện kim ngày càng hiện đại, khả năng chống ăn mòn của thép ngày càng tốt Các công trình phải chịu độ ẩm cao hay công trình ven biển vẫn có thể sử dụng giải pháp kết cấu thép hình kết hợp bê tông

- Các công trình nhà nhiều tầng, chiều cao và nhịp khung càng lớn đồng nghĩa, nội lực dọc trục trong cột và mô men trong dầm càng lớn

Nếu sử dụng giải pháp kết cấu bê tông cốt thép thông thường thì kích thước tiết diện thiết kế cột rất lớn, chiếm không gian sử dụng (cột tầng hầm, tầng 1 có tiết diện lớn) Nhưng khi sử dụng giải pháp kết cấu thép hình kết hợp bê tông thì tiết diện của cột giảm đi đáng kể, diện tích chiếm chỗ chỉ khoảng 25-30% so với cột kết cấu truyền thống, tăng diện tích sử dụng tức công năng công trình được cải thiện và hiệu quả hơn

- Khi sử dụng giải pháp kết cấu thép hình kết hợp bê tông sẽ giảm được trọng lượng công trình khoảng 20-30%, dẫn đến giảm chi phí (vật liệu kết cấu,

nhân công, biện pháp thi công…) Theo xu thế hiện nay, kết cấu liên hợp thép -

bê tông sẽ được sử dụng phổ biến trong tương lai gần do các ưu điểm của nó

Từ những lý do trên cần thiết phải nghiên cứu, phân tích và tính toán kết cấu khung liên hợp so với kết cấu truyền thống để thấy rõ được sự tối ưu hóa, lượng hóa khi dùng loại kết cấu này

Đồng thời cũng cần phân tích và tính toán tối ưu tiết diện của kết cấu khung liên hợp thép – bê tông trong nhà nhiều tầng khi chịu tải trọng tĩnh nhằm mục đích lựa chọn tiết diện hợp lý khi phân tích các loại kết cấu và các sơ đồ khung khác nhau

Vì vậy học viên đề xuất đề tài nghiên cứu: “Thiết kế tối ưu tiết diện kết cấu khung liên hợp thép – bê tông trong nhà nhiều tầng”

kế kết cấu và công nghệ xây dựng

Lý thuyết tính toán, thiết kế kết cấu liên hợp thép – bê tông vào thời điểm

đó chưa hoàn thiện

Năm 1995, Giáo trình “Kết cấu bê tông cốt thép- phần cấu kiện cơ bản” được xuất bản, lý thuyết tính toán kết cấu liên hợp bước đầu được hiện thực, dựa trên lý thuyết tính toán của người Nga nhưng rất đơn giản

Trên thực tế, kết cấu liên hợp chưa được sử dụng rộng rãi bởi nhiều lí do như đòi hỏi công nghệ chế tạo, trình độ thi công cao,… nhưng với nhu cầu về nhà cao tầng đang bùng nổ mạnh mẽ tại Việt Nam, nhất là các đô thị lớn như

Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Hải Phòng thì việc nghiên cứu xây dựng các công trình sử dụng kết cấu liên hợp đang được đẩy mạnh

Tòa nhà văn phòng 169 Nguyễn Ngọc Vũ

Hà Nội; Công trình cao 21 tầng, rộng 1050m2

sử dụng kết cấu thép hình kết hợp bê tông

Khách sạn Novotel – Số 36 Bạch Đằng,

Đà Nẵng Công trình cao 38 tầng, 155m, khởi công năm 2011 và hoàn thành vào năm 2013

Do tính chất cấu tạo của “cốt thép” khác (dạng tấm, hình, ống, khung, nằm ngoài (được nhồi bê tông vào trong) hoặc nằm trong (được bao bọc bởi bê tông) hay nằm ở 2 thớ khác nhau của tiết diện - Minh họa, hình dưới) so với kết cấu

bê tông cốt thép thông thường (bê tông bao bọc cốt thép tròn) Nên sự kết hợp làm việc giữa bê tông và thép không giống như bê tông cốt thép thông thường Tính toán thiết kế loại kết cấu này cũng hoàn toàn khác

Nói một phần tổng quan về kết cấu liên hợp, để người đọc có cái nhìn về lịch sử phát triển, các giải pháp cấu tạo, đặc điểm và các nguyên tắc cơ bản trong thiết kế các cấu kiện kết cấu liên hợp theo nhiều loại tiêu chuẩn, thực trạng sử dụng loại kết cấu này trên thế giới và tại Việt Nam

Từ đặc điểm cấu tạo, phân tích và tính toán kết cấu khung liên hợp thép –

bê tông, so sánh với kết cấu khung truyền thống: kết cấu khung thép, kết cấu khung bê tông cốt thép, từ đó rút ra các kết luận về việc ứng dụng kết cấu khung liên hợp sẽ có nhiều ưu điểm hơn, nhằm tăng hiệu quả về mặt kinh tế, cũng như đảm bảo về mặt an toàn chịu lực cho kết cấu Đồng thời phân tích và tính toán tối ưu tiết diện của kết cấu khung liên hợp thép – bê tông trong nhà nhiều tầng khi chịu tải trọng tĩnh nhằm mục đích lựa chọn tiết diện hợp lý khi phân tích với các sơ đồ khung khác nhau trong nhà nhiều tầng

3 Mục tiêu và mục đích nghiên cứu

- Mục tiêu nghiên cứu: Phân tích và đánh giá tổng quan về kết cấu liên hợp, nghiên cứu, phân tích nội lực, chuyển vị, tính toán kết cấu khung liên hợp thép – bê tông, tính toán kết cấu cột, dầm liên hợp theo tiêu chuẩn EuroCode 4

- Mục đích nghiên cứu: Phân tích chuyển vị kết cấu khung liên hợp so với kết cấu truyền thống nhằm mục đích thấy rõ được sự tối ưu hóa, lượng hóa, thể hiện rõ ưu điểm về mặt sử dụng, về lựa chọn tiết diện phù hợp khi dùng loại kết cấu này Đồng thời phân tích và tính toán tối ưu tiết diện của kết cấu khung liên hợp thép – bê tông trong nhà nhiều tầng khi chịu tải trọng tĩnh nhằm mục đích lựa chọn tiết diện hợp lý khi phân tích với các sơ đồ khung khác nhau trong nhà nhiều tầng

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu:

Khung liên hợp thép - bê tông và khung thép, khung bê tông cốt thép chịu tải trọng tĩnh

4.2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Phân tích chuyển vị đỉnh cột và dầm khung, đối với 03 dạng kết cấu khác nhau: khung liên hợp thép – bê tông, khung thép và khung bê tông cốt thép trong nhà cao tầng khi chịu tải trọng tĩnh Khảo sát các trường hợp khác nhau

để tối ưu hóa tiết diện dầm của kết cấu khung liên hợp thép – bê tông trong nhà nhiều tầng khi chịu tải trọng tĩnh

5 Phương pháp nghiên cứu:

- Nghiên cứu lý thuyết dựa theo tiêu chuẩn EuroCode 4

- Sử dụng phương pháp Phần tử hữu hạn trên máy tính

- Khảo sát, phân tích các trường hợp nghiên cứu khác nhau để tối ưu hóa tiết diện dầm của kết cấu khung liên hợp thép – bê tông

6 Kết cấu của luận văn

- Kết cấu của bản luận văn, gồm:

+ 03 chương chính:

Chương 1: Tổng quan về kết cấu liên hợp thép – bê tông

Chương 2: Nguyên lý tính toán kết cấu liên hợp theo tiêu chuẩn EuroCode

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG 1.1 Khái niệm và một số định nghĩa

1.1.1 Khái niệm

Kết cấu liên hợp được cấu tạo từ thép kết cấu (Structural steel) kết hợp với

bê tông (concrete) hoặc bê tông cốt thép (reinforced concrete)

Sự kết hợp này nhằm mục tạo ra một hệ kết cấu có khả năng chịu lực, độ

ổn định, khả năng kháng chấn và chịu lửa tốt hơn so với các loại kết cấu truyền thống khác

Kết cấu liên hợp thép - bê tông là loại kết cấu mới và được sử dụng cho các công trình là các tòa nhà cao tầng và siêu cao tầng Trên thế giới loại kết cấu này được biết từ rất sớm, nó đã đánh dấu một bước ngoặt mới về giải pháp kết cấu và công nghệ xây dựng

Các tiền đề đặt ra cho việc hình thành các dạng kết cấu liên hợp:

- Một là: Khi hàm lượng thép quá lớn, cần tìm phương án thay thế các cốt thép tròn thành các dạng cốt thép khác gọi là cốt cứng và hình thành nên kết cấu liên hợp

- Hai là: Muốn bảo vệ kết cấu thép chịu lực bằng vật liệu bê tông để tăng khả năng chịu lực, khả năng chống xâm thực và chống cháy

Hình 1.1 Một số hình ảnh về kết cấu liên hợp thép - bê tông

Hình 1.2 Cấu kiện liên hợp

1.2 Một số định nghĩa

1.2.1 Cấu kiện liên hợp

Là cấu kiện kết cấu có các phần bê tông và thép kết cấu (thép hình) hoặc thép tạo hình nguội được liên kết với nhau bởi các liên kết chịu cắt nhằm hạn chế trượt dọc giữa bê tông và thép và hạn chế tách rời giữa các phần với nhau

1.2.2 Liên kết chịu cắt

Là liên kết giữa hai phần bê tông và thép của một cấu kiện liên hợp nhằm đảm bảo cấu kiện có đủ cường độ và độ cứng để trong thiết kế coi cấu kiện liên hợp như một cấu kiện kết cấu đơn

1.3 Đặc điểm cấu tạo của kết cấu liên hợp

Như đã phân tích ở phần trước, do tính chất cấu tạo của “cốt thép” khác (dạng tấm, hình, ống, khung, nằm ngoài (được nhồi bê tông vào trong) hoặc nằm trong (được bao bọc bởi bê tông) hay nằm ở 2 thớ khác nhau của tiết diện

so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường (bê tông bao bọc cốt thép tròn) Nên sự kết hợp làm việc giữa bê tông và thép không giống như bê tông cốt thép thông thường Tính toán thiết kế loại kết cấu này cũng hoàn toàn khác 1.3.1 Tiết diện dầm liên hợp

Hình 1.3 Các dạng tiết diện dầm liên hợp

1.3.2 Tiết diện sàn liên hợp

Hình 1.4 Các dạng tiết diện sàn liên hợp

Sàn liên hợp thép - bê tông cốt thép là một dạng kết cấu giữa bê tông và sàn thép, cấu tạo dạng tấm, gấp nếp để giảm chiều dày và trọng lượng sàn Đặc điểm của loại sàn này là không cần sử dụng ván khuôn do tấm thép bên dưới đóng vai trò ván khuôn khi thi công, đồng thời đóng vai trò thép ở nhịp khi tham gia chịu lực

Kết cấu sàn như vậy làm giảm trọng lượng công trình, giảm tĩnh tải, có ảnh hưởng tích cực đến toàn bộ kết cấu công trình

Mặt khác, sàn liên hợp dễ gia công, vận chuyển, lắp ráp đơn giản, tốc độ thi công nhanh (tấm thép bên dưới được sản xuất hàng loạt còn phần bê tông bên trên vẫn thi công đỗ tại chỗ tại công trường nhưng không phải tốn công lắp dựng cốp pha sàn để đổ bê tông); khả năng chịu lửa tốt không cần lớp bảo vệ đặc biệt và có thể bọc thêm lớp phòng cháy (Hình 1.5)

Hình 1.5 Kết cấu sàn liên hợp sử dụng tôn lượn sóng

Chiều dày của sàn liên hợp từ 10cm  20cm, nhịp từ 2,0m 4,0 m khi không có các thanh chống tạm khi đổ bê tông, và đạt đến 7,0m khi có thanh chống tạm Chiều dày của tấm tôn từ 0,75mm-1,5mm, trong thực tế thường dùng từ 0,75mm-1,0mm Chiều cao của mặt cắt tấm tôn từ 40-80mm.Để chống

ăn mòn, các tấm tôn được mạ kẽm trên hai mặt Giới hạn đàn hồi của tấm tôn

là 300N/mm2 Chiều dày của toàn bộ sàn liên hợp (h), không được nhỏ hơn 80mm, chiều dày của riêng phần bê tông (hc) trên các sườn của tấm tôn không được nhỏ hơn 40mm để tránh sự phá hoại dòn và đảm bảo lớp bảo vệ cho cốt thép

Nếu sàn làm việc liên hợp với dầm hoặc được sử dụng như vách cứng thì chiều cao tổng thể không được nhỏ hơn 90mm và chiều cao bê tông hc không được nhỏ hơn 50mm Gối tựa của sàn liên hợp phải có bề rộng nhỏ nhất là 75mm Tấm sàn bị biến dạng uốn và sinh ra ứng suất trượt tại bề mặt giữa thép

và bê tông khi có tải trọng tác động:

* Liên kết hoàn toàn giữa bê tông và tấm tôn (liên kết giữa bê tông và tấm tôn thép chống lại được biến dạng dọc)

* Liên kết không hoàn toàn (khi xuất hiện sự trượt giữa tấm tôn và bê tông dọc theo bề mặt tiếp xúc)

Phân biệt 3 dạng làm việc của sàn liên hợp (xem Hình 1.6):

- Bê tông và thép có sự tương tác: trượt tổng thể giữa bề mặt thép và bê tông bằng 0, sự truyền lực cắt dọc là hoàn toàn và tải trọng cực hạn Pu là lớn nhất Hiệu ứng liên hợp là hoàn toàn

Xuất hiện phá hoại giòn nếu xảy ra đột ngột; dẻo nếu xảy ra từ từ

- Bê tông và thép không tương tác: Không có sự trượt, không có sự truyền lực cắt dọc

Tải trọng cực hạn là nhỏ nhất, hiệu ứng liên hợp là rất yếu, sự phá hoại diễn ra từ từ

Hình 1.6 Sự làm việc của sàn liên hợp

Tương tác giữa bê tông và thép không hoàn toàn: trượt tổng thể giữa thép

và bê tông khác không nhưng có giới hạn Lực cắt dọc không được truyền hoàn toàn, tải trọng cực hạn có giới hạn trung gian, sự phá hoại có thể là dòn hoặc dẻo Trong ba dạng làm việc, độ cứng của cấu kiện, chính là độ dốc của đường cong tải trọng – độ võng ở phần đầu của đường cong, là không giống nhau Độ cứng lớn nhất của sàn ứng với tương tác hoàn toàn và nhỏ nhất ứng với sàn tương tác bằng không

Có ba dạng liên kết giữa thép và bê tông:

- Liên kết lý – hóa: nhỏ, luôn tồn tại với bất kỳ loại tôn nào

- Liên kết bằng ma sát: xuất hiện khi lực trượt cục bộ xảy ra

- Liên kết bằng neo: khi có lực trượt dọc cục bộ và hình dạng bề mặt liên kết

Sự phá hoại sàn liên hợp có sử dụng tấm tôn sóng có thể xảy ra theo một trong các dạng phá hoại sau (Hình 1.7):

- Dạng phá hoại I Phá hoại do mô men ở giữa nhịp: xảy ra với sàn nhịp lớn và có bậc liên kết cao giữa bê tông và cốt thép

- Dạng phá hoại II: Phá hoại do lực trượt dọc: xảy ra khi đạt tới khả năng chịu lực tới hạn giữa bê tông và cốt thép

- Dạng phá hoại III: Phá hoại do trượt ngang (xảy ra khi sàn có nhịp bé, dày và bị tác động lớn bởi tải trọng)

Hình 1.7 Các dạng phá hoại sàn liên hợp

Sự phá hoại sàn liên hợp có thể xảy ra theo 02 dạng làm việc:

- Dạng phá hoại làm việc dòn: sự phá hoại xảy ra đột ngột, không có biến dạng lớn xảy ra

- Phá hoại dẻo: xảy ra từ từ và biến dạng lớn, phát hiện được

Dạng phá hoại dòn hoặc dẻo phụ thuộc vào dạng liên kết giữa thép và bê tông Sàn với tấm tôn có sườn đóng nói chung làm việc dẻo, sàn với tấm tôn có sườn mở nói chung làm việc giòn Tác động cơ học lên tấm tôn như tạo gờ và

tạo lỗ Các chi tiết liên kết neo như chốt, thép góc cũng là tác nhân đến dạng phá hoại Đối với sàn liên hợp làm việc dòn, ta có thể tính toán với hệ số an toàn cao hơn

1.3.3 Tiết diện cột liên hợp

Hình 1.8 Các dạng tiết diện cột liên hợp

1.4 Ưu nhược điểm của kết cấu liên hợp thép – bê tông

1.4.1 Ưu điểm

- Khả năng chống ăn mòn của thép được tăng cường do trình độ luyện kim phát triển vượt bậc Các công trình sử dụng kết cấu liên hợp không quá bị ảnh hưởng bởi yêu tố tại các vùng có độ ẩm cao, ven biển

- Khả năng chịu lửa tốt Các cấu kiện được bao bọc bởi bê tông nên khả năng chịu lửa của thép được tăng cường

- Tăng độ cứng của kết cấu Điều này thấy rõ đối với các cột liên hợp thép

- bê tông (giảm độ mảnh của cột và tăng ổn định cục bộ)

- Khả năng biến dạng lớn hơn là ưu điểm lớn trong việc tăng khả năng chịu tải trọng động đất cho công trình

- Tăng hiệu quả sử dụng vật liệu

- Thi công kết cấu liên hợp có thể tiết kiệm thời gian xây dựng khi áp dụng các biện pháp thi công hiện đại như ván khuôn trượt, công nghệ lắp ghép

- Có thể đạt hiệu quả kinh tế cao

Công trình sử dụng kết cấu liên hợp, lượng cốt thép sử dụng có thể lớn hơn so với công trình sử dụng kết cấu bê tông cốt thép thông thường, tức chi phí về mặt này tương ứng sẽ lớn hơn

Tuy nhiên, khi đánh giá hiệu quả kinh tế một cách tổng quan, chi phí vật liệu cao nhưng tốc độ thi công nhanh hơn, công trình đưa vào khai thác sớm hơn, thời gian thu hồi vốn giảm thì có thể chi phí đầu tư sẽ ít hơn

Để có thể so sánh định lượng, các nhà khoa học đã tập hợp một số bảng

so sánh như sau:

- Bảng 1.1: Là bảng so sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà 5 tầng 1 nhịp thiết kế ở 2 giai đoạn đàn hồi và dẻo cho 2 loại khung: Loại khung thép hoàn toàn và khung liên hợp thép - bê tông

- Bảng 1.2: Là bảng so sánh trọng lượng thép và giá thành toàn bộ cho khung nhà 6 tầng 3 nhịp được thiết kế ở 2 giai đoạn đàn hồi và đàn dẻo cho 2 loại khung: thép và hỗn hợp thép – bê tông

Bảng 1.2 Thép thanh dùng cho bê tông cốt thép theo TCVN 5574: 2018

- Bảng 1.3: Là bảng so sánh đối với dầm liên tục ba nhịp, mỗi nhịp 32m, tổng chiều dài 96 m (dầm cầu xây dựng)

Bảng 1.3 Giới hạn chảy của thép kết cấu

có dùng biện pháp thi công tạo ứng lực trước trong dầm thép

Bảng 1.4 Giới hạn bền của chốt chịu cắt

1 Dầm thép

2 Dầm liên hợp thép - bê tông, có chống tạm khi thi công

3 Dầm liên hợp thép - bê tông tạo ứng lực trước trong thép

100

73

55 + So với kết cấu bê tông thông thường, tiết diện của kết cấu liên hợp nhỏ hơn, tăng không gian sử dụng, ví dụ như cột các tầng dưới của nhà cao tầng + So với kết cấu thép thông thường, khả năng chịu lực của kết cấu liên hợp lớn hơn (do đã tính đến sự làm việc chịu kéo của bản sàn và khi các bộ phận kết cấu thép có bê tông bọc ngoài)

Để thấy rõ các ưu điểm về tiết kiệm vật liệu, tăng độ cứng và giảm kích thước cấu kiện có thể tham khảo một số số liệu cho trong Bảng 1.5

Trong các bảng này so sánh kích thước của dầm và cột giữa cấu kiện liên hợp và cấu kiện không liên hợp khi khả năng chịu lực như nhau

Bảng 1.5 Trọng lượng và đường kính chốt chịu cắt

- Việc tính toán thiết kế kết cấu liên hợp phức tạp hơn so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường

- Quan niệm cấu tạo và tính toán liên kết giữa các bộ phận của khung cũng

có nhiều vấn đề cần lưu ý, bị phụ thuộc vào nhiều loại và dạng liên kết

1.5 Tình hình sử dụng kết cấu liên hợp tại Việt Nam và trên thế giới 1.5.1 Lịch sử phát triển

Kết cấu khung thép liên hợp thường được sử dụng cho các công trình cao tầng, siêu cao tầng (trên 40 tầng)

Trên thế giới loại kết cấu này được biết từ rất sớm Cuối thế kỷ 19, kết cấu liên hợp Thép – Bê tông vẫn chưa được nghiên cứu nhiều và các quy phạm thiết

kế của các nước chưa xuất hiện hoặc chưa rõ ràng

Ở Anh: Năm 1900, xuất hiện kết cấu liên hợp Thép – Bê tông, tuy nhiên lúc đầu người ta chưa biết tính toán, họ chỉ xem như phần thép chịu tải trọng,

phần bê tông chỉ mang tính chất bảo vệ cho thép Ý tưởng xuất phát từ quan điểm dùng bê tông bọc kết cấu thép để chống ăn mòn và chịu lửa

Ở Canada: Năm 1922, cấu kiện dầm liên hợp đầu tiên được tiến hành kiểm tra thực nghiệm Năm 1956, tiêu chuẩn thiết kế liên quan ra đời

Ở Nga:Các nghiên cứu về kết cấu khung thép liên hợp cũng được tiến hành

từ lâu Năm 1936, cầu nhịp 110m qua sông Neeva ở Xanh Pêtecbua sử dụng kết cấu liên hợp Lý thuyết tính toán bê tông cốt cứng được đưa vào giáo trình của kết cấu bê tông cốt thép

Ở Nhật Bản: Kết cấu khung thép liên hợp thép - bê tông cũng được quan tâm nghiên cứu từ rất sớm, năm 1910 và được ứng dụng rộng rãi làm nhà cao tầng (từ 6 tầng trở lên) Qua các vụ động đất, người Nhật Bản phát hiện ra rằng kết cấu liên hợp thép – bêtông dùng rất hiệu quả để kháng chấn Năm 1958, tiêu chuẩn thiết kế kết cấu hỗn hợp lần đầu tiên ra đời gọi là SRC standard (Steel Reinfoced Concrete) tại Nhật Bản

Ở Mỹ: Năm 1944, kết cấu liên hợp được đưa vào trong Tiêu chuẩn quốc gia AASHTO (the American Association of State Highway and Transportation) Năm 1967, các nhà khoa học người Anh đã xuất bản tiêu chuẩn thiết kế kết cấu “ Composite CP117”

Tiêu chuẩn này là cơ sở nền tảng ban đầu cho việc xuất bản các tiêu chuẩn

về kết cấu liên hợp sau này như BS5950, Eurocode (EU4) Hiện nay, tiêu chuẩn được sử dụng phổ biến là Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures (Tạm dịch: Thiết kế kết cấu liên hợp)

Tiêu chuẩn Eurocode 4 được hoàn thiện tất cả các phần và chính thức ban hành vào năm 2005 bởi Ủy ban tiêu chuẩn hóa châu Âu - European Commitee for Standardization, áp dụng thiết kế cho một loại cấu kiện kết hợp giữa kết cấu thép và kết cấu bê tông Trong đó ENV 1994-4-1 là tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp cho xây dựng dân dụng, gồm 268 trang, trong đó đầy đủ các phần từ vật liệu đến thiết kế sàn, khung, liên kết… bằng kết cấu liên hợp thép – bê tông 1.5.2 Trên thế giới hiện nay

Trải qua hơn hơn 100 năm, kết cấu liên hợp thép - bê tông đã được nghiên cứu, ứng dụng và phát triển Dạng kết cấu này đã thể hiện những ưu điểm của

nó về khả năng chịu lực, thời gian thi công, hiệu quả kinh tế Vì vậy, nó được

áp dụng tại rất nhiều quốc gia trên thế giới như: Anh , Pháp, Mỹ, Nhật Bản, Đức, Úc, Trung Quốc, Hong Kong, Hàn Quốc, …

Hiện nay, theo thống kê của Hiệp hội kết cấu thép nước Mỹ (AISC), các loại nhà kết cấu liên hợp khung thép – bê tông chiếm 44% thị trường nhà cao tầng tại nước này Đứng thứ 2 là Nhật Bản với 31,4% , sau đó lần lượt: Anh , Nga và Trung Quốc ,…

Dưới đây là một số công trình sử dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông trên thế giới, tất cả thể hiện rất rõ những ưu điểm của loại kết cấu này:

Tòa nhà “Trung tâm tài chính quốc tế” –

Hong Kong 118 tầng, cao 484m, tổng diện

tích sàn 274,064m2 Khởi công xây dựng vào

năm 2002, hoàn thành năm 2010

Tòa nhà “ Công viên trung tâm “ tại Perth – Úc

Công trình cao 249m, 51 tầng Hệ khung liên hợp thép–bê tông có hệ thanh chống bên ngoài giúp tăng độ cứng của lõi chống lại tải trọng gió

“Trung tâm tài chính Châu Á NEATT” tại Incheon Hàn Quốc Công trình cao 305m, 68 tầng, tổng diện tích sàn 140000m2 Khởi công xây dựng năm 2006 và hoàn thành năm 2001

JP Morgan Chase Tower – Houston,

Mỹ Công trình cao 305,4m; 75 tầng , tổng diện tích sàn 184000m2 Xây dựng năm 1978, hoàn thành năm

1982

The Shard – tại London, Anh

Công trình cao 309m, 87 tầng, tổng diện tích sàn 110000m2 Khởi công xây dựng năm 2009, hoàn thành năm

2012

Hình 1.9 Một số công trình sử dụng kết cấu liên hợp trên thế giới

1.5.3 Việc sử dụng kết cấu liên hợp tại Việt Nam hiện nay

Người Pháp đã xây dựng các công trình có dạng kết cấu liên hợp tại Việt Nam từ sớm (các ngôi nhà dạng khối, xây lõi thép) Tại Việt Nam, các thiết kế nhà cao tầng dùng kết cấu liên hợp thép – bê tông cũng bước đầu phát triển và

sẽ làm tiền đề cho sự phát triển mạnh mẽ của kết cấu liên hợp thép – bê tông tại Việt Nam

Hình 1.10 Thi công lắp dựng sàn bê tông- thép liên hợp

Hình 1.11 Tấm tôn gấp nếp đã được liên kết vào dầm

Hình 1.12 Thi công sàn liên hợp

- Các công trình cầu vượt các ngã tư ở Hà Nội hiện nay sử dụng khá phổ biến kết cấu sàn bê tông- thép liên hợp

Hình 1.13 Nhà ga T1- Sân bay quốc tế Nội Bài

Hình 1.14 Cầu vượt ngã tư Nguyễn Chí Thanh - Láng Hạ

Diamond Plaza tại thành phố Hồ Chí

Minh Công trình cao 22 tầng, xây xong

vào năm 1999 tại thành phố Hồ Chí Minh

sử dụng khung thép và sàn liên hợp bê tông

cốt thép

Tòa nhà văn phòng 169 Nguyễn Ngọc Vũ Hà Nội

Công trình cao 21 tầng, rộng 1050m2 sử dụng kết cấu thép hình kết hợp bê tông

Hình 1 15 Hình ảnh JW Marriott Hotel Hanoi – Việt Nam

Hình 1.16 Hình ảnh Vietin Bank Tower – Việt Nam

Tiểu kết chương 1 Giải pháp sử dụng kết cấu liên hợp thép-bê tông để giải quyết các nhược điểm của loại kết cấu truyền thống Việc sử dụng kết cấu liên hợp thép-bê tông

đã đáp ứng các yêu cầu đặt ra trong thiết kế kết cấu công trình nhằm đạt hiệu quả về công năng sử dụng, về khả năng chịu lực và tính kinh tế

Chương 1 đã trình bày các khái niệm và một số định nghĩa về kết cấu liên hợp thép – bê tông; Ưu nhược điểm của kết cấu liên hợp thép – bê tông và tình hình nghiên cứu, ứng dụng kết cấu liên hợp thép- bê tông trên thế giới và tại Việt Nam

Đồng thời cho chúng ta một cái nhìn tổng quan về loại kết cấu này, nắm vững được các khái niệm mới, phân tích được ưu, nhược điểm của loại kết cấu này và từ đó để ứng dụng và sử dụng loại kết cấu này trong thực tế được hiệu quả hơn Cần thiết phải nghiên cứu, phân tích và tính toán kết cấu khung liên hợp so với kết cấu truyền thống để thấy rõ được sự tối ưu hóa, lượng hóa khi dùng loại kết cấu này Đồng thời cũng cần phân tích và tính toán tối ưu tiết diện của kết cấu khung liên hợp thép-bê tông trong nhà nhiều tầng khi chịu tải trọng tĩnh nhằm mục đích lựa chọn tiết diện hợp lý khi phân tích các loại kết cấu và các sơ đồ khung khác nhau

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN KẾT CẤU LIÊN HỢP DÙNG

TRONG NHÀ NHIỀU TẦNG

2.1 Cơ sở thiết kế

2.1.1 Các yêu cầu

Kết cấu liên hợp được thiết kế phải tuân theo các quy định chung trong tiêu

chuẩn EN1990:2002 “Cơ sở thiết kế kết cấu “ và đảm bảo các điều kiện sau:

- Đảm bảo trạng thái giới hạn về độ bền;

- Đảm bảo trạng thái giới hạn sử dụng;

- Đảm bảo độ bền vững lâu dài;

- Việc thiết kế theo trạng thái giới hạn với các hệ số an toàn được lấy theo

tiêu chuẩn EN 1990;

- Các tác động theo EN 1991-1-1 : 2002;

- Tổ hợp các tác động theo EN 1990 : 2002

2.1.2 Các nguyên tắc thiết kế theo trạng thái giới hạn

(1) Đối với kết cấu liên hợp, cần được thiết kế theo hai trạng thái giới hạn

cơ bản là trạng thái giới hạn về cường độ, hay còn gọi là trạng thái giới hạn thứ

nhất (TTGH1) và trạng thái giới hạn về sử dụng, hay còn gọi là trạng thái giới

hạn thứ hai (TTGH2)

(2) Tính toán theo trạng thái giới hạn về cường độ đảm bảo cho kết cấu

dầm, sàn liên hợp không bị đổ vỡ dưới tác dụng của tải trọng và tác động với

một mức độ an toàn quy định trước

Có thể biểu diễn qua công thức:

(3) Trạng thái giới hạn về sử dụng được xem xét ở những mặt sau: biến

dạng (chuyển vị); khe nứt, độ bền lâu Điều kiện an toàn khi tính toán theo trạng

thái giới hạn sử dụng:

d d

Trong đó:

Ed là giá trị tính toán (có kể đến các yếu tố như độ võng, bề rộng khe nứt…)

Cd là giá trị giới hạn về tiêu chí sử dụng

(4) Cần phân biệt rõ trạng thái giới hạn sử dụng có phục hồi và không phục hồi

Đối với trạng thái giới hạn có phục hồi: sau khi tác động gây nguy hiểm

đã chấm dứt, không còn gây ra hậu quả ảnh hưởng đến yêu cầu sử dụng

Đối với trạng thái giới hạn không phục hồi: sau khi các tác động nguy hiểm đã chấm dứt vẫn để lại hậu quả vượt quá yêu cầu sử dụng quy định

2.2 Vật liệu sử dụng cho kết cấu liên hợp thép – bê tông

2.2.1 Vật liệu sử dụng cho kết cấu liên hợp

2.2.1.1 Bê tông theo Tiêu chuẩn Châu Âu sử dụng cho kết cấu liên hợp Theo quy định của Eurocode 2 và Eurocode 4, trong kết cấu liên hợp dùng

bê tông thông thường như trong kết cấu bê tông cốt thép

Có thể dùng bê tông nặng (bê tông thông thường) với khối lượng riêng

1800 <   2500 kg/ m3, hoặc bê tông nhẹ 1600 <   1800 kg/ m3

fck - cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông mẫu hình trụ ở tuổi 28 ngày;

fctm - cường độ chịu kéo trung bình ở tuổi 28 ngày;

Ecm - môđun đàn hồi cát tuyến (tác động ngắn hạn)

Các con số đầu sau chữ C là cường độ đối với mẫu hình trụ (thí dụ C20)

và con số sau là đối với mẫu hình lập phương (thí dụ 25 N/mm2 cho C20)