Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng liên kết đến sự phân phối nội lực của khung phẳng liên hợp thép - bê tông

Lý do chọn đề tài Kết cấu khung thép liên hợp là loại kết cấu được cấu tạo từ thép kết cấu Structural steel kết hợp với bê tông concrete hoặc bê tông cốt thép reinforced concrete để chú

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO UBND THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG

NGUYỄN TRỌNG THÀNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CỨNG LIÊN KẾT ĐẾN SỰ PHÂN PHỐI NỘI LỰC CỦA KHUNG PHẲNG LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG

HẢI PHÒNG - 2023

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO UBND THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG

NGUYỄN TRỌNG THÀNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ CỨNG LIÊN KẾT ĐẾN SỰ PHÂN PHỐI NỘI LỰC CỦA KHUNG PHẲNG LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG

NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG

MÃ SỐ: 8580201

Người hướng dẫn khoa học: TS Hoàng Hiếu Nghĩa

HẢI PHÒNG - 2023

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 Trọng Thành

LỜI CẢM 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 TS Hoàng Hiếu Nghĩa

đã tận tình 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 Trọng Thành

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC KÍ HIỆU v

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG 5 VÀ LIÊN KẾT NỬA CỨNG 5

1.1 Tổng quan về kết cấu liên hợp thép – bê tông 5

1.1.1 Định nghĩa 5

1.1.2 Lịch sử phát triển 6

1.1.3 Đặc điểm cấu tạo của kết cấu liên hợp 7

1.4 Ưu – nhược điểm của kết cấu liên hợp 12

1.4.1 Ưu điểm 13

1.4.2 Nhược điểm 16

1.2 Tình hình sử dụng kết cấu liên hợp tại Việt Nam và trên thế giới 16

1.2.1 Trên thế giới hiện nay 16

1.2.2 Việc sử dụng kết cấu liên hợp tại Việt Nam hiện nay 21

1.3 Đại cương về nút liên kết (mối nối) trong kết cấu liên hợp 22

1.3.1 Phân loại mối nối 25

Tiểu kết chương 1 35

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘ CỨNG CỦA LIÊN KẾT LIÊN HỢP 37

2.1 Liên kết nửa cứng 37

2.1.1 Cấu tạo liên kết 37

2.1.2 Quan niệm cấu tạo và tính toán: 39

2.2 Phương pháp tính toán liên kết nửa cứng 39

2.2.1 Giả thiết áp dụng trong tính toán 39

2.2.2 Phương pháp mô hình hóa liên kết 40

2.2.3 Trình tự tính toán liên kết liên hợp 44

Tiểu kết chương 2 54

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH NỘI LỰC CỦA KẾT CẤU KHUNG PHẲNG LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG CÓ KỂ ĐẾN ĐỘ CỨNG CỦA LIÊN KẾT 55

3.1 Kết cấu khung phẳng 6 tầng – 2 nhịp 55

3.1.1 Sơ đồ kết cấu khung 56

3.1.2 Thông số tiết diện dầm, cột 58

3.1.3 Các số liệu khác 60

3.1.4 Tải trọng tác dụng 60

3.1.5 Sử dụng chương trình tính toán đặc trưng của liên kết liên hợp 61

3.2 Xác định độ cứng của liên kết liên hợp thép – bê tông 68

3.2.1 Đặc trưng liên kết nút biên (cột không bọc bê tông) 69

3.2.2 Đặc trưng liên kết nút biên (cột bọc bê tông) 69

3.2.3 Đặc trưng liên kết nút giữa (cột không bọc bê tông) 70

3.2.4 Đặc trưng liên kết nút giữa (cột bọc bê tông) 71

3.3 Khảo sát ảnh hưởng của độ cứng liên kết đến sự phân bố nội lực của khung 72

3.3.1 Mô hình kết cấu khung khi khai báo độ cứng liên kết 72

3.3.2 Dạng biểu đồ nội lực với kết cấu khung liên hợp 75

3.3.3 Dạng biểu đồ nội lực với kết cấu khung liên hợp 76

3.4 So sánh nội lực khung liên hợp khi có kể đến độ cứng của liên kết 90

Tiểu kết chương 3 93

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 94

TÀI LIỆU THAM KHẢO 96

DANH MỤC KÍ HIỆU

Npl,Rd Độ bền dẻo xung quanh cột

Sj,ini Độ cứng ban đầu

teff,c Chiều dày hiệu quả của bê tông

σcom,c,Ed Là ứng suất nén dọc trong phần bê tông ứng với lực dọc Ned

1.4 So sánh trọng lượng thép của dầm thép, dầm liên hợp thép - bê

1.5 So sánh kích thước dầm, cột liên hợp với dầm, cột bê tông cốt

2.4 Trình tự tính toán các đặc trưng liên kết liên hợp thép – bê

DANH MỤC HÌNH

2.4 Kích thước cột có bọc và không bọc bê tông 38

3.21 Dạng biểu bồ nội lực các trường hợp khảo sát 75

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Kết cấu khung thép liên hợp là loại kết cấu được cấu tạo từ thép kết cấu (Structural steel) kết hợp với bê tông (concrete) hoặc bê tông cốt thép (reinforced concrete) để chúng cùng làm việc chịu lực Loại kết cấu này đã tích hợp được những ưu điểm nổi bật của hai loại vật liệu khác nhau là thép

và bê tông để tạo thành một hệ kết cấu có khả năng chịu lực tốt hơn, tăng độ dai, độ ổn định cho kết cấu, tăng khả năng kháng chấn và khả năng chịu lửa

so với việc chỉ sử dụng kết cấu thép hoặc bê tông đơn thuần

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 Tuy nhiên ở giai đoạn này kết cấu liên hợp thép – bê tông vẫn chưa được nghiên cứu nhiều và các quy phạm thiết kế của các nước vẫn chưa có hoặc chưa rõ ràng

Gần đây Ủy ban cộng đồng Châu Âu CEC (The Commission of the European Communities) thấy cần thiết phải có một bộ tiêu chuẩn thống nhất chung cho các quốc gia Châu Âu về kết cấu hỗn hợp Eurocode 4 (EU4) Bộ tiêu chuẩn về kết cấu liên hợp thép – bê tông Eurocode 4 (EU4) đã được đưa vào sử dụng vào năm 1997 Trong đó EN 1994-4-1 là tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp thép - bê tông cho xây dựng dân dụng Toàn bộ 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 Nghiên cứu về độ cứng của liên kết, đã có nhiều tiêu chuẩn các nước đề cập đến vấn đề này trong kết cấu liên hợp thép –

bê tông như: tiêu chuẩn Châu Âu 4 – EUROCODE 4 [1], tiêu chuẩn của AISC của Mỹ [7] , tiêu chuẩn Trung Quốc GB 50017 [8]…cho phép xác định

độ cứng của liên kết, sức bền chịu uốn và khả năng xoay của liên kết Tại Việt

Nam, cho đến nay vẫn chưa có tiêu chuẩn và phương pháp phân tích, tính toán kết cấu khung liên hợp có kể đến độ cứng của liên kết

Trong kết cấu liên hợp thép - bê tông, liên kết giữa dầm và cột là liên kết cơ bản tạo nên kết cấu khung liên hợp, nó đóng vai trò hết sức quan trọng, đảm bảo sự làm việc bình thường của khung Hơn nữa, nó còn ảnh hưởng nhiều đến khả năng chịu lực, độ cứng, độ ổn định của toàn bộ kết cấu Do vậy trong phân tích và tính toán kết cấu khung liên hợp thép – bê tông không thể tách khỏi phân tích và tính toán liên kết giữa dầm và cột vì sự phân bố nội lực trong kết cấu phụ thuộc nhiều vào độ cứng của liên kết này

Theo truyền thống, khi phân tích và tính toán kết cấu thép cũng như kết cấu liên hợp thép – bê tông, liên kết dầm – cột liên hợp được quan niệm thiết

kế như là liên kết ngàm hoặc liên kết khớp Với quan niệm thiết kế đó sẽ dẫn đến lãng phí vật liệu và không sát thực với sự làm việc thực tế của kết cấu Thực tế ứng xử của nút liên hợp có khả năng xoay khi chịu lực, do vậy liên kết dầm – cột là liên kết nửa cứng (semi – rigid connection) Độ cứng của liên kết có tác dụng phân phối lại nội lực trong kết cấu làm cho nội lực trong kết cấu sẽ hợp lý hơn sẽ có hiệu quả kinh tế cao hơn Vì vậy tác giả đề xuất đề tài

luận văn nghiên cứu: "Nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng liên kết đến sự

phân phối nội lực của khung phẳng liên hợp thép – bê tông"

Hình 1.1 Kết cấu khung liên hợp dùng trong nhà cao tầng

2 Mục tiêu, mục đích nghiên cứu

- Mục tiêu nghiên cứu: Nắm được sự làm việc thực tế của liên kết dầm cột liên hợp thép - bê tông, xác định được nội lực của khung phẳng liên hợp thép - bê tông có kể đến độ cứng của liên kết

- Mục đích nghiên cứu: Từng bước xây dựng quy trình phân tích nội lực, thiết kế cho việc áp dụng kết cấu khung phẳng liên hợp thép - bê tông có

kể đến độ cứng của liên kết

3 Đối tượng nghiên cứu

Kết cấu khung liên hợp thép - bê tông khi có kể và không kể đến độ cứng của liên kết khi chịu tải trọng tĩnh

4 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu nội lực, chuyển vị khung phẳng liên hợp thép - bê tông khi

có kể và không kể đến độ cứng của liên kết khi chịu tải trọng tĩnh

5 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện nội dung đề tài thì cần dùng những phương pháp nghiên cứu như:

- Phương pháp thu thập, tổng hợp và phân tích

- Sử dụng phần mềm tính toán độ cứng và độ bền của liên kết

- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp phương pháp PTHH trên máy tính (SAP2000)

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Nắm được sự làm việc thực tế của liên kết dầm cột liên hợp thép - bê tông, xác định được nội lực của khung phẳng liên hợp thép - bê tông có kể đến độ cứng của liên kết

- Từng bước xây dựng quy trình thiết kế, tiêu chuẩn cho việc áp dụng kết cấu khung phẳng liên hợp thép - bê tông có kể đến độ cứng của liên kết

- Từng bước hoàn thiện hệ thống tài liệu giảng dạy loại kết cấu hiện đại cho nhà cao tầng áp dụng trong các trường đại học chuyên ngành kỹ thuật xây dựng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG

và bê tông để tạo thành một hệ kết cấu có khả năng chịu lực tốt hơn, tăng độ dai, độ ổn định cho kết cấu, tăng khả năng kháng chấn và khả năng chịu lửa

so với việc chỉ sử dụng kết cấu thép hoặc bê tông đơn thuần

Hình 1.2 Kết cấu liên hợp thép - bê tông

1.1.2 Lịch sử phát triển

Kết cấu khung thép liên hợp thường được sử dụng cho các công trình cao tầng Trên thế giới loại kết cấu này được biết từ rất sớm Vào năm 1894, những công trình đầu tiên sử dụng loại kết cấu này là cầu Rock Rapids ở Bang Iowa và tòa nhà Methodist ở Pittsburgh đã đánh dấu một bước ngoặt mới về giải pháp kết cấu và công nghệ xây dựng Tuy nhiên ở giai đoạn này kết cấu liên hợp Thép – Bê tông vẫn chưa được nghiên cứu nhiều và các quy phạm thiết kế của các nước vẫn chưa có hoặc chưa rõ ràng

Ở Châu Âu việc dùng kết cấu khung thép liên hợp lúc đầu cũng xuất phát từ mục đích dùng bê tông bọc kết cấu thép để chống ăn mòn và chịu lửa Theo tổng kết của giáo sư P.R Knowles thì từ những năm 1900 ở Anh đã 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 Mãi đến năm 1922 thì cấu kiện dầm liên hợp đầu tiên được tiến hành kiểm tra ở Canada và tiêu chuẩn thiết kế liên quan ra đời vào năm 1956

Ở Nga các nghiên cứu về kết cấu khung thép liên hợp cũng được tiến hành từ lâu Năm 1936 dưới sự chỉ đạo của Viện sĩ G.P.Pêrêđêri người Nga

đã xây dựng xong chiếc cầu nhịp 110m qua sông Neeva ở Xanh Pêtecbua Lý thuyết tính toán bê tông cốt cứng cũng khá hoàn thiện và được đưa vào giáo trình của kết cấu bê tông cốt thép

Tại Nhật Bản việc nghiên cứu kết cấu khung thép liên hợp cũng được quan tâm rất sớm Theo báo cáo của giáo sư Minoru Wakabayashi Trường đại học tổng hợp Kyoto, tại hội nghị quốc tế về kết cấu liên hợp thép – bê tông tháng 6 năm 1987 tại Anh cho biết: Kết cấu liên hợp thép – bê tông xuất hiện

ở Nhật Bản từ năm 1910, được ứng dụng rộng rãi làm nhà cao tầng (từ 6 tầng trở lên) Sau trận động đất lớn năm 1923 ở Can to người Nhật Bản phát hiện

ra rằng kết cấu liên hợp thép – bêtông dùng rất hiệu quả trong việc chống động đất Sau chiến tranh thế giới lần thứ 2 hàng loạt nhà cao tầng đã được

xây dựng bằng kết cấu loại này Năm 1958, ở Nhật Bản tiêu chuẩn thiết kế kết cấu hỗn hợp lần đầu tiên ra đời gọi là SRC standard (Steel Reinfoced Concrete)

Tại Mỹ việc nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông từ thế

kỷ 20 và đến năm 1944 kết cấu này đã được đưa vào tiêu chuẩn quốc gia AASHTO (the American Association of State Highway and Transportation)

Tại Anh trên cơ sở tổng hợp các nghiên cứu trước đó, vào 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)

Gần đây Ủy ban cộng đồng Châu Âu CEC (The Commission of the European Communities) thấy cần thiết phải có một bộ tiêu chuẩn thống nhất chung cho các quốc gia Châu Âu về kết cấu hỗn hợp Eurocode 4 (EU4) [16]

Bộ tiêu chuẩn về kết cấu liên hợp thép – bê tông (Eurocode 4 (EU4) đã được đưa vào sử dụng vào năm 1997 Trong đó ENV 1994-4-1 là tiêu chuẩn thiết

kế kết cấu liên hợp cho xây dựng dân dụng Toàn bộ 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

1.1.3 Đặc điểm cấu tạo của kết cấu liên hợp

Do tính chất cấu tạo của “cốt thép” khác so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường, nó có thể ở dạng thép tấm, thép hình, thép ống, thép ở dạng khung, nó có thể nằm ngoài (ta hay gọi là kết cấu thép nhồi bê tông : Concrete filled Steel Structures) hay có thể nằm bên trong bê tông (kết cấu thép bọc bê tông : Concrete Encased Steel Structures) hay nằm ở 2 thớ khác nhau của tiết diện (Hình dưới) nên tính chất làm việc, sự tương tác giữa bê tông và thép không giống như bê tông cốt thép thông thường (dùng cốt thép tròn) và do đó việc thiết kế loại kết cấu này cũng hoàn toàn khác

ThÐp b¶n

Hình 1.3: Các tiết diện kết cấu hỗn hợp thép – bê tông

- Kết cấu thép nhồi bê tông : a,b

- Kết cấu thép bọc bê tông : h, i, k, l

- Kết cấu thép vừa bọc bê tông vừa nhồi bê tông : c, d

Hình 1.4 : Cột tiết diện thép hở, bêtông bọc một phần hoặc hoàn toàn

Hình 1.5 : Cột tiết diện thép kín, bêtông nhồi trong tiết diện

sử dụng đồng thời là ván khuôn đỡ bê tông tươi trong quá trình thi công

Hình 1.7 Kết cấu sàn liên hợp

1.1.3.3 Dầm liên hợp

Dầm liên hợp có cấu tạo gồm dầm thép chữ I tổ hợp hàn hoặc cán nóng

và một tấm đan BTCT (thường hoặc ứng suất trước) Tấm đan được liên kết với dầm thép bằng các liên kết để đảm bảo sự làm việc đồng thời giữa chúng

Mô hình thi công sàn-dầm liên hợp

Một kiểu dầm liên hợp

Hình 1.8 Kết cấu dầm liên hợp 1.1.4 Ưu – nhược điểm của kết cấu liên hợp

1.1.4.1 Ưu điểm

+ Khả năng chống ăn mòn của thép được tăng cường Điều này càng

có ý nghĩa đối với công trình xây dựng ở vùng khí hậu có độ ẩm cao, công trình ven biển, các cấu kiện bị tiếp xúc với môi trường ăn mòn

+ Khả năng chịu lửa tốt Đối với các cấu kiện được bọc bê tông, khả

năng chịu lửa của thép được đảm bảo tốt hơn là thép bọc ngoài

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

thép - bê tông kể cả bọc ngoài hay nhồi trong đều làm giảm độ mảnh của cột thép làm tăng khả năng ổn định cục bộ cũng như tổng thể của thép

+ Khả năng biến dạng lớn hơn kết cấu bê tông cốt thép, đó là ưu điểm

lớn trong việc chịu tải trọng động đất Nhận định này đã được khảo sát kỹ ở Nhật Bản

+ Có thể tạo kết cấu ứng lực trước trong khi thi công, tăng hiệu quả sử

dụng vật liệu, nhất là vật liệu cường độ cao

+ Có thể dễ dàng dùng phương pháp thi công hiện đại (phương pháp

thi công ván khuôn trượt, thi công lắp ghép) làm tăng tốc độ thi công, sớm đưa công trình vào sử dụng

+ Có thể đạt hiệu quả kinh tế cao So với kết cấu bê tông cốt thép

thông thường thì lượng thép dùng trong kết cấu hỗn hợp lớn hơn, nhưng đôi khi chưa hẳn là đắt hơn Nếu đánh giá hiệu quả kinh tế một cách toàn diện, có thể chi phí vật liệu cao nhưng bù lại bởi tốc độ thi công nhanh, sớm quay vòng vốn thì rất có thể công trình sẽ rẻ hơn Để có thể so sánh định lượng, các nhà khoa học đã tập hợp một số bảng so sánh như sau:

- Bảng 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 1.1 So sánh khung thép và khung liên hợp thép - bê tông 5

tầng 1 nhịp Loại khung

Trọng lượng thép

%

Tổng giá thành

%

- Bảng 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 So sánh khung thép và khung liên hợp thép - bê tông 6

tầng 3 nhịp Loại khung

Trọng lượng thép

%

Giá thành chung %

- Bảng 3 là bảng so sánh đối với dầm liên tục ba nhịp, mỗi nhịp 32m, tổng chiều dài 96m, làm dầm cầu xây dựng ở Nhật Bản

Bảng 1.3 So sánh dầm thép với dầm liên hợp thép - bê tông

- Bảng 4 là bảng so sánh chi phí thép cho dầm của khung nhà khi được thiết kế bằng thép, bằng liên hợp thép - bê tông và bằng liên hợp thép - bê tông có dùng biện pháp thi công tạo ứng lực trước trong dầm thép

Bảng 1.4 So sánh trọng lượng thép của dầm thép, dầm liên hợp thép - bê

tông và dầm liên hợp - thép bê tông dự ứng lực

thép %

- Dầm thép

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

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

100

73

55

+ So với kết cấu bê tông thông thường, kích thước của kết cấu liên hợp

bé hơn, do đó tăng được không gian sử dụng, nhất là đối với cột các tầng dưới của nhà cao tầng

+ So với kết cấu thép thông thường, khả năng chịu lực của liên kết liên

hợp được tăng cường do có kể đến sự làm việc chịu kéo của bản sàn và sự tăng cường khả năng chịu lực của các bộ phận kết cấu thép khi có thêm sự có mặt của bê tông bọc

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 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 So sánh kích thước dầm, cột liên hợp với dầm,

cột bê tông cốt thép

Cột

- Việc tính toán kết cấu liên hợp là phức tạp hơn so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường do sự có mặt của cốt cứng trong các cấu kiện dầm - cột; sự có mặt của tấm tôn định hình trong bản sàn và cơ bản là do sự phân chia các giai đoạn tính toán theo quá trình thi công kết cấu

- Trong việc nghiên cứu về kết cấu liên hợp, quan niệm cấu tạo và tính toán liên kết giữa các bộ phận của khung cũng đặt ra khá nhiều vấn đề cần lưu

ý với sự đa dạng khác nhau phụ thuộc vào loại liên kết Trong khuôn khổ của

đề tài này, tác giả chủ yếu đề cập đến việc nghiên cứu về vấn đề liên kết giữa các bộ phận chịu lực chính (dầm – cột) trong kết cấu liên hợp thép - bê tông

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

1.2.1 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 và 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,… và nhất là các nước đang phát triển như 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 ,…

Sau đây là 1 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 274,064 m 2 Khởi công xây dựng vào

năm 2002 hoàn thành năm 2010

Tòa nhà “Công viên trung tâm” tại Perth – Úc: Cao 249m, 51 tầng, tổng diện tích sàn 66500 m 2 khởi công xây dựng năm 1988 và hoàn thành năm 1992 Làm từ hệ khung liên hợp thép –bê tông với các thanh 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 Cao 305m,

68 tầng, tổng diện tích sàn 140.000m 2 khởi công xây dựng

năm 2006 và hoàn thành năm 2001

Tòa tháp Aspire tại Doha, Qatar Cao 300m, 36 tầng, tổng diện tích sàn 35.000m 2 , khởi công xây dựng năm 2005 và hoàn thành năm 2007

JP Morgan Chase Tower – Houston,

Mỹ Cao 305,4m; 75 tầng , tổng diện

tích sàn 184.000 m 2 Xây dựng

năm 1978, hoàn thành năm 1982

Bưu điện Nhật Bản – Tokyo , NhậtCao 200,1m; 40 tầng , tổng diện tích sàn 220.000m 2 Xây dựng năm 2009 , hoàn thành vào

năm 2012

Trung tâm Franklin – Tháp phía Bắc (

Trụ sở tập đoàn AT&T)tại Chicago – Mỹ

Cao 307m, 60 tầng, tổng diện tích sàn

rộng 157,934m 2 Khởi công xây dựng

năm 1987 , hoàn thành năm 1989

The Shard – tại London, Anh Cao 309m, 87 tầng, tổng diện tích sàn 110.000m 2 Khởi công xây dựng năm 2009, hoàn thành năm 2012

Hình 1.9 Các hình ảnh công trình sử dụng kết cấu liên hợp

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

Lý thuyết tính toán kết cấu liên hợp được đưa vào giáo trình “Kết cấu

bê tông cốt thép- phần cấu kiện cơ bản” sản xuất năm 1995, dựa theo lý thuyết tính toán của người Nga và còn khá đơn giản Trên thực tế, kết cấu liên hợp chưa được sử dụng rộng rãi bởi nhiều lí do: 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,… thì việc nghiên cứu xây dựng các công trình sử dụng kết cấu liên hợp đang được đẩy mạnh Dưới đây là một số hình ảnh về các công trình đang sử dụng kết cấu liên hợp tại nước ta :

Diamond Plaza tại thành phố Hồ Chí Minh, 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 Cao 21 tầng, rộng 1050 m 2

sử dụng kết cấu thép hình

kết hợp bê tông

Khách sạn Novotel – Số 36 Bạch Đằng, Đà Nẵng Cao 38 tầng, 155m ,

Khởi công năm 2011 và hoàn thành vào năm 2013

Hình 1.10 Các hình ảnh công trình sử dụng kết cấu liên hợp

tại Việt Nam 1.3 Đại cương về nút liên kết (mối nối) trong kết cấu liên hợp

Liên kết liên hợp (mối nối liên hợp) giữa các cấu kiện dầm cột trong hệ khung kết cấu liên hợp là mối nối giữa một cấu kiện liên hợp với các cấu kiện khác mà trong đó cốt thép trong bê tông tham gia vào khả năng chịu lực của mối nối Với sự tham gia làm việc của cốt thép trong bê tông nên việc cấu tạo cũng như quan niệm làm việc của các liên kết liên hợp cũng sẽ khác nhiều so với liên kết thông thường của kết cấu thép

Trong thực tế, Eurocode có đưa ra một số dạng liên kết liên hợp cơ bản thường gặp như hình vẽ dưới đây

Hình 1.11: Liên kết liên hợp dầm - dầm

Hình 1.12: Liên kết liên hợp dầm - cột

Quan niệm liên kết liên hợp theo Eurocode, nút liên kết của khung liên hợp là nút liên kết giữa các cấu kiện kết cấu dầm và cột của khung liên hợp

Về quan niệm cấu tạo tính toán theo Eurocode, một liên kết liên hợp được tạo bởi nhiều thành phần làm việc theo các trạng thái khác nhau như: Cốt thép sàn chịu kéo, bu lông chịu kéo, bản bụng cột chịu kéo hoặc nén bản cánh cột chịu uốn, bản cánh dầm chịu nén…Các thành phần riêng biệt này sẽ được quan niệm như những lò xo đàn hồi có độ cứng tương ứng Khi phân tích sự làm việc của nút, các thành phần riêng biệt hay các lò xo tương ứng sẽ được mô hình hóa thành hệ làm việc theo cấu tạo của liên kết để từ đó có thể xác định được trạng thái làm việc của liên kết và xác định được khả năng chịu lực

tương ứng Tùy theo giải pháp cấu tạo, nút khung liên hợp phân loại theo độ cứng có các loại nút liên kết cứng, nửa cứng hoặc khớp và theo cường độ có các loại nút chịu toàn bộ mô men, chịu một phần mô men hoặc không chịu

mô men (liên kết khớp) Như vậy, trong trường hợp nút liên kết cứng và chịu toàn bộ mô men, thì tại đầu các cấu kiện dầm cột liên kết vào nút đều có góc xoay bằng nhau

Nút khung liên hợp thực tế làm việc khá phức tạp và ngay cả khi cấu tạo nút khung là cứng và chịu toàn bộ mô men thì đều bị biến dạng Việc nút khung bị biến dạng sẽ ảnh hưởng đáng kể đến phân bố nội lực và biến dạng của toàn bộ kết cấu Để đơn giản trong thực hành tính toán kết cấu, biến dạng của nút khung thường được bỏ qua Do vậy nút khung cần được thiết kế để đảm bảo yêu cầu về độ cứng, khả năng chịu lực và góc xoay cho phép (biến dạng xoay đàn hồi và biến dạng dẻo cho phép) Khả năng chịu lực của nút khung thường được thiết kế lớn hơn (ít nhất khoảng 50%) khả năng chịu lực của những cấu kiện kết cấu dầm và cột được liên kết vào nút

Mối nối liên hợp trong công trình nhà chủ yếu là mối nối giữa dầm chính –dầm phụ, dầm chính – dầm chính và dầm - cột

Nghiên cứu mối nối nhằm đưa ra lời khuyên, ứng dụng chủ yếu chống lại mô men các liên kết giữa dầm và cột Nó liên quan đến chống lại mô men,

độ cứng góc xoay và khả năng xoay Sự phụ thuộc liên quan đến phép phân tích và thiết kế liên kết là mô tả, nhưng sự ảnh hưởng ứng xử, phân bố của nút các lực dọc và mô men bên trong là nhỏ, chúng có thể được bỏ qua Lời khuyên là đưa ra cách phân loại cũng như độ cứng, chặt chẽ về phương diện

lý thuyết, tính chất nửa cứng, cũng như giới hạn về ứng suất, chặt chẽ lý thuyết hoặc ứng suất từng phần trong các mối quan hệ để chống lại mô men Hướng dẫn đưa ra các mối liên hệ để thiết kế và chi tiết cho nút bao gồm cả gia cường cho sàn

Mối nối có thể được xem là khớp, là nửa cứng hoặc mối nối cứng, với khả năng chịu lực không hoàn toàn hoặc khả năng chịu lực hoàn toàn Sơ đồ kết cấu và tính toán kết cấu liên quan chặt chẽ đến loại mối nối

Cơ cấu của liên kết liên hợp:

Liên kết liên hợp chống lại mô men tạo ra lực kéo và lực nén của các cấu kiện Về cơ bản, cơ cấu này giống như các thanh thép mô men của các liên kết Với các thanh sàn tăng cường giống như thêm một hàng bu lông vào

mở rộng ở hàng cuối Để đạt được yêu cầu, các thanh tăng cường phải đủ khả năng neo và có thể giúp đỡ quan trọng căng ra trước khi bị phá hoại

Nó có thể đảm bảo rằng, mép dầm có thể hạ xuống giữ vững được một ứng suất 1,4py khi đó nó đảm bảo làm việc độc lập Một phần mép dầm cũng giả thiết rằng nó chịu nén Giới hạn ứng suất nén giảm còn 1,2 py Lực nén thường mở rộng vào bên trong của mép dầm của liên kết liên hợp Kết quả là tạo ra lực chịu kéo cao trong thanh tăng cường Hơn nữa tầm quan trọng của lực cao đó là cột chịu nén cũng có các yêu cầu đặt ra

Các đặc trưng cần xem xét trong sự làm việc của mối nối là :

* Độ cứng

* Khả năng chịu lực

* Khả năng xoay

1.3.1 Phân loại mối nối

Mối nối phân làm 2 loại: theo độ cứng của nút và theo phần tử liên kết

1.3.1.1 Theo độ cứng của nút

Mối nối liên hợp cứng là mối nối mà biến dạng của nó không ảnh hưởng đáng kể đến sự phân bố nội lực trong kết cấu và đến biến dạng tổng thể của hệ kết cấu

Tính toán mối nối nửa cứng không thể tách khỏi tính toán kết cấu vì sự phân bố nội lực trong kết cấu phụ thuộc vào độ cứng của mối nối

Để đơn giản vấn đề, trong Eurocode 3 cho phép phân loại mối nối là cứng hay nửa cứng cơ sở so sánh giữa các mối quan hệ mô men – góc xoay

của mối nối và mối quan hệ mô men – góc xoay của dầm có mối nối đó Hình 1.12 thể hiện các giới hạn phân loại của kết cấu có giằng và chú ý rằng Eurocode 4 không đưa ra nguyên tắc áp dụng cho kết cấu mềm và kết cấu không giằng Các giới hạn này được đưa ra dưới dạng không đơn vị đo:



(2.1)Trong đó:

MR : Mô men giới hạn của mối nối;

Mpl.Rd : Mô men giới hạn của dầm;

tỷ số :

.

E : Mô đun đàn hồi;

Ib : Mô men quán tính uốn của dầm;

Lb : Chiều dài nhịp dầm

Là khả năng xoay của mối nối so với một góc xoay đối chiếu bằng góc xoay giới hạn đàn hồi giữa hai tiết diện ở hai đầu của nhịp dầm có nhịp Lb, chịu mô men phân bố đều có giá trị là Mpl.Rd Để có thể vận dụng tốt các lý thuyết trên, trong thực tế, đối với mối nối liên hợp, khác với mối nối kết cấu thép, do sự nứt của bê tông, độ cứng của mối nối thay đổi tùy theo mô men tác động là mô men dương hay mô men âm Đặc biệt, mối nối có thể là cứng với mô men âm vì khi đó độ cứng của dầm nhỏ hơn và nửa cứng đối với mô men dương Trong trường hợp mô men đổi dấu, ở trạng thái giới hạn của kết cấu, để an toàn cần lấy mô men quán tính của tiết diện không nứt của dầm Tuy nhiên, mô men giới hạn Mpl.Rd của dầm phải lấy là mô men âm

Bảng 1.6 Loại liên kết và giả thiết phân tích tổng thể

a)Nút cứng (f =0) b) Nút khớp(Mj =0) c) Nút nửa cứng(Mj≠0, f≠0)

Hình 1.14: Mô hình phân loại các nút liên kết

Mối nối cũng được phân loại bằng cách so sánh mô men giới hạn của mối nối với mô men dẻo giới hạn Mpl.Rd của dầm có mối nối tại tiết diện gần mối nối Mối nối có khả năng chịu lực hoàn toàn nếu mô men giới hạn của mối nối lớn hơn Mpl.Rd; mối nối có khả năng chịu lực không hoàn toàn trong trường hợp ngược lại, với điều kiện mô men giới hạn của mối nối phải lớn hơn 0,25Mpl.Rd ( nếu không mối nối được xem là dạng khớp)

Khái niệm liên kết hoàn toàn và mối nối có khả năng chịu lực hoàn toàn hoặc không hoàn toàn; là hai khái niệm hoàn toàn khác nhau

Trong kết cấu dạng khớp, cần kiểm tra điều kiện mối nối không chịu

mô men và thật sự là liên kết khớp Ngược lại, đối với kết cấu dạng liên tục, cần đảm bảo mối nối là cứng nếu phân tích đàn hồi hoặc có khả năng chịu lực hoàn toàn nếu phân tích dẻo cứng Trường hợp thứ hai được thỏa mãn nếu mối nối đảm bảo:

- Khả năng xoay đủ và chứng minh được rõ ràng

- Hoặc mô men giới hạn tính toán ít nhất bằng 1,2 lần mô men giới hạn dẻo tính toán của dầm có mối nối