Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích và tính toán độ cứng của liên kết nửa cứng trong kết cấu khung liên hợp thép - Bê tông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO UBND THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG NGUYỄN HẠ LONG PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN ĐỘ CỨNG CỦA LIÊN KẾT NỬA CỨNG TRONG KẾT CẤU KHUNG LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO UBND THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG

NGUYỄN HẠ LONG

PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN ĐỘ CỨNG CỦA LIÊN KẾT NỬA CỨNG TRONG KẾT CẤU

KHUNG 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 HẠ LONG

PHÂN TÍCH VÀ TÍNH TOÁN ĐỘ CỨNG CỦA LIÊN KẾT NỬA CỨNG TRONG KẾT CẤU KHUNG 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

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả nghiên cứu của luận văn “Phân tích và tính toán độ cứng của liên kết nửa cứng trong kết cấu khung liên hợp thép – bê tông” là của riêng cá nhân tôi Các nội dung, thông tin và kết quả trong luận văn là trung thực

Hải Phòng, ngày…….tháng ……năm 2023

Tác giả luận văn

Nguyễn Hạ Long

LỜI CẢM ƠN

Tôi 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 tôi 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 tối để có thể hoàn thành được luận văn cao học

Tôi cũng xin được bày tỏ lòng biết ơn đối với TS Hoàng Hiếu Nghĩa

quan tâm sát sao, hướng dẫn để em có thể hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hải Phòng, ngày…….tháng ……năm 2023

Tác giả luận văn

Nguyễn Hạ Long

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KẾT CẤU LIÊN HỢP 4

1.1 Tổng quan về kết cấu liên hợp thép – bê tông 4

1.1.1 Định nghĩa 4

1.1.2 Lịch sử phát triển 5

1.1.3 Đặc điểm cấu tạo của kết cấu liên hợp: 7

1.1.4 Ưu – nhược điểm của kết cấu liên hợp 13

1.2 Tình hình sử dụng kết cấu liên hợp tại Việt Nam và trên thế giới 17

1.2.1.Trên thế giới hiện nay 17

1.2.2 Việc sử dụng kết cấu liên hợp tại Việt Nam hiện nay: 24

1.3 Đại cương về nút liên kết (mối nối) trong kết cấu liên hợp 27

1.4 Tình hình nghiên cứu về vấn đề này ở trong và ngoài nước 31

Tiểu kết Chương 1 35

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN ĐỘ CỨNG CỦA 37

LIÊN KẾT NỬA CỨNG TRONG KẾT CẤU KHUNG 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 40

2.2.1 Giả thiết áp dụng trong tính toán 40

2.2.2 Phương pháp mô hình hóa liên kết 40

2.2.3 Trình tự tính toán liên kết liên hợp: 45

Tiểu kết Chương 2 56

CHƯƠNG 3: VÍ DỤ TÍNH TOÁN ĐỘ CỨNG CỦA LIÊN KẾT KHẢO SÁT MỘT

SỐ TRƯỜNG HỢP ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ CỨNG CỦA LIÊN KẾT NỬA

CỨNG 57

3.1 Ví dụ tính toán độ cứng của liên kết 57

3.1.1 Điều kiện – Số liệu 57

3.1.2 Xác định số liệu tính toán: 58

3.1.3 Tính toán về độ cứng: 60

3.1.4 Đánh giá đặc trưng cơ học của liên kết: 63

3.2 Khảo sát một số trường hợp ảnh hưởng đến độ cứng của liên kết nửa cứng 64

3.2.1 Cấu tạo chi tiết nút cần khảo sát 64

3.2.2 Độ cứng của liên kết 65

3.2.3 Khảo sát một số trường hợp 66

Tiểu kết Chương 3 71

KẾT LUẬN 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 74

E Mô đun đàn hồi

I Mô men quán tính uốn

M rd Giá trị tính toán mô men bền của tiết diện khi uốn

M sd Giá trị tính toán mô men ngoại lực

Z Là cánh tay đòn tính toán của lực F Rd

k j Độ cứng quy đổi của thành phần thứ i

A s Diện tích cốt thép tính toán trong liên kết liên hợp

Z eq

Cánh tay đòn tương đương với thép dọc trong bản sàn và các hàng bu lông đối với tâm quay

f ck Cường độ đặc trưng khi nén bê tông

f sk Giới hạn đàn hồi đặc trưng khi kéo của thép thanh

f u Giá trị cường độ kéo đứt của vật liệu chốt, bu lông, đinh tán

f y Giá trị tiêu chuẩn của giới hạn đàn hồi khi kéo của thép kết cấu

 Đô mảnh quy đổi

μ Tỉ số giữa các mô men

ν Hệ số Poisson

χ Hệ số uốn dọc

Hình 1.8a Cốt thép chờ thi công sàn liên hợp 11 Hình 1.8b Liên kết chống trượt giữa sàn và dầm 11 Hình 1.9 Mô hình thi công sàn - dầm liên hợp 12

Hình 1.11 Công nhân thi công chốt thép cho dầm – sàn liên hợp 13

Hình 1.14 Kết cấu liên hợp cho bước cột lớn nhưng tiết diện cột nhỏ 16 Hình 1.15 Tòa nhà “Trung tâm tài chính quốc tế” – Hong Kong 18 Hình 1.16 Tòa nhà “Công viên trung tâm” tại Perth – Úc 19 Hình 1.17 “Trung tâm tài chính Châu Á NEATT” tại Incheon Hàn Quốc 20

Hình 1.19 JP Morgan Chase Tower – Houston, Mỹ 21

Hình 1.21 Trung tâm Franklin – Tháp phía Bắc tại Chicago – Mỹ 22

Hình 1.23 Diamond Plaza tại thành phố Hồ Chí Minh 24 Hình 1.24 Tòa nhà văn phòng 169 Nguyễn Ngọc Vũ Hà Nội 25 Hình 1.25 Khách sạn Novotel – Số 36 Bạch Đằng, Đà Nẵng 26 Hình 1.26 Liên kết nửa cứng liên hợp dầm – cột 27

vii

Hình 2.1 Liên kết liên hợp dầm – cột nửa cứng 37 Hình 2.2 Cốt thép dọc của sàn cùng tham gia làm việc với liên kết 38

Hình 2.7 Mô hình hóa liên kết thành các hệ lò xo 41

Hình 2.10 Cấu tạo hình học liên kết dầm – cột 46 Hình 2.11 Cốt thép dọc của sàn cùng tham gia làm việc với liên kết 46

Hình 3.2 Mô hình liên kết thành hệ lò xo tính toán 62 Hình 3.3 Cấu tạo chi tiết liên kết cần khảo sát 64

Hình 3.8 Biểu đồ kết quả khảo sát ø bu lông 67 Hình 3.9 Biểu đồ kết quả khảo sát số lượng bu lông 67 Hình 3.10 Biểu đồ so sánh độ cứng cột bọc bê tông 68 Hình 3.11 Biểu đồ so sánh độ cứng cột bọc bê tông 69

Bảng 3.8 So sánh độ cứng cột không bọc bê tông 69

ra cho ngành thiết kế xây dựng Giải pháp sử dụng kết cấu bê tông cốt thép cổ điển không đáp ứng được yêu cầu do đòi hỏi kích thước các cấu kiện kết cấu

có thể rất lớn, nặng nề, tốn kém, giảm không gian sử dụng và giảm tính thẩm

mỹ của công trình

Do vậy giải pháp sử dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông đã được sử dụng để giải quyết các nhược điểm của loại kết cấu cũ Việc sử dụng kết cấu thép – bê tông liên hợp đã đáp ứng được các yêu cầu đặt ra trong xây dựng:

Có khả năng chịu lực và độ tin cậy cao, đồng thời tăng cường khả năng chống cháy, đáp ứng được công năng sử dụng cao, hiệu quả về kinh tế và đảm bảo tính thẩm mỹ cho công trình

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 cứng 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) Vì vậy học viên

đề xuất vấn đề: “Phân tích và tính toán độ cứng của liên kết nửa cứng

trong kết cấu khung liên hợp thép – bê tông“

2 Lịch sử nghiên cứu

Tính đến thời điểm hiện tại, đã có rất nhiều nghiên cứu sinh, học giả trên khắp thế giới đã đưa ra vấn đề tính toán, ưu điểm của liên kết nửa cứng trong nhiều tài liệu khác nhau:

- Optimal Design of Semi - Rigid Braced Frames Via Based Approach (Tối ưu thiết kế nút khung nửa cứng thông qua kiến thức cơ sở) M Brognoli; P Gelf; R Zandonini; M Zanella , Đại học Brescia – Ý;

Knowledge Effects of SemiKnowledge Rigid Connection on Structural Responses (Ảnh hưởng của nút khung nửa cứng trong sự phản ứng của kết cấu) M.E Kartal, H.B Başağa & A Bayraktar, M Muvafık , Đại học kĩ thuật Karadeniz – Thổ Nhĩ Kì;

- Minimum cost steel beam using semi-rigid joints (Giải pháp tiết kiệm

học kĩ thuật Tampere – Phần Lan và nhiều nghiên cứu khác…

Kết quả nghiên cứu của họ là rất tích cực nhưng những nghiên cứu đó được đề cập ở phạm vi rộng và mang tính bao quát, cần có những nghiên cứu trong phạm vi nhỏ hơn và chuyên sâu vào một vấn đề chính

3 Mục tiêu, mục đích nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu: Nắm vững tổng quan về kết cấu liên hợp và liên kết nửa cứng, các giải pháp cấu tạo, đặc điểm và các nguyên tắc cơ bản, trình

tự và phương pháp tính toán độ cứng của liên kết nửa cứng trong kết cấu liên hợp theo tiêu chuẩn Châu Âu

Mục đích nghiên cứu: tính toán độ cứng của nút khung liên hợp thép –

bê tông

4 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: nút khung liên hợp thép – bê tông

- Phạm vi nghiên cứu: tính toán độ cứng của nút liên kết nửa cứng giữa dầm – cột trong kết cấu khung

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết dựa theo tiêu chuẩn EuroCode 4

- Sử dụng phần mềm Excel để lập bảng tính toán độ cứng của liên kết

6 Ý nghĩa khoa học của đề tài

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KẾT CẤU LIÊN HỢP

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

1.1.1 Định nghĩa

Kết cấu liên hợp thép bê tông là loại kết cấu sử dụng thép kết cấu (structural steel) kết hợp với bê tông hoặc bê tông cốt thép để chúng cùng tham gia chịu lực

Hình 1.1 Kết cấu liên hợp

5

1.1.2 Lịch sử phát triển

Theo tổng kết của tiến sĩ P Moore tại hội nghị quốc tế về kết cấu hỗn hợp tại Mỹ năm 1987 thì năm 1894, lần đầu tiên kết cấu liên hợp đã được sử dụng làm cầu Rock Rapids do một kĩ sư người Viên tên Joset Melan thiết kế Cây cầu này dùng thép chữ I làm khung và đổ bê tông bọc ngoài tạo thành kết cấu dạng vòm Bốn năm sau đó, kĩ sư F.W Pattenson đã thiết kế một cây cầu gần Pitts Burgh, Pennsylvania, cầu này dùng hệ dầm thép bọc bê tông để đỡ bản mặt cầu bằng bê tông, tạo nên kết cấu liên hợp thép - bê tông Cũng khoảng thời gian đó, năm 1984 ở Pitts Burgh người ta đã xây dựng một ngôi nhà mà các dầm sàn bằng thép bọc bê tông, sau đó năm 1897, hỏa hoạn xảy

ra, người ta phát hiện ra rằng các dầm thép bọc bê tông không bị ảnh hưởng của lửa cháy, từ đó ý tưởng về kết cấu chịu lửa được đặt ra cho việc ứng dụng của loại kết cấu liên hợp

Hình 1.2 Joset Melan và 1 chiếc cầu tại Mỹ có cấu tạo theo thiết kế của ông

Năm 1908, một số thí nghiệm về cột liên hợp thép - bê tông đã được thực hiện tại phòng thí nghiệm trường Đại học xây dựng Columbia, Mỹ Đến năm 1922-1924, các thí nghiệm tương tự được giáo sư H.M Mc Kay tiếp tục tiến hành tại trường đại học tổng hợp Mc.Gill Canada Đến năm 1944, lần đầu tiên việc thiết kế tính toán loại cấu kiện này được đưa vào tiêu chuẩn quốc gia

Mỹ AASHTO (The American Association of Highway and Transportation)

Ở Châu Âu việc dùng kết cấu liên hợp thép - bê tông 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, giảng viên trường Đại học Xây Dựng Serry, trong quyển Composite Steel and Concrete Construction xuất bản năm 1973 tại Luân Đôn cho biết: Từ những năm 1900 ở Anh đã xuất hiện kết cấu liên hợp thép - bê tông, tuy nhiên lúc đầu người ta chưa hề biết tính toán, họ chỉ xem như phần thép chịu tải trọng, phần bê tông chỉ mang tính chất bảo vệ cho thép Thời kì đầu ứng dụng chủ yếu làm cầu hay sàn nhà theo kiểu bản bê tông dầm thép trong đó Đức là quốc gia rất quan tâm đến loại kết cấu này và đã ban hành tiêu chuẩn quốc gia DIN 1078 về kết cấu liên hợp từ rất sớm

Tại Nga, các nghiên cứu về kết cấu liên hợp cũng đã được tiến hành từ rất lâu Năm 1936 dưới sự lãnh đạo của viện sĩ G.P Perederi, người Nga đã xây dựng xong chiếc cầu Volodarsky bằng kết cấu liên hợp với nhịp 332m qua sông Neva tại Saint Peterburg

Nhật Bản cũng đã quan tâm đến việc nghiên cứu loại kết cấu này từ rất sớm Ngay từ năm 1910, kết cấu liên hợp đã được ứng dụng rộng rãi làm nhà cao tầng (từ 6 tầng trở lên)

Hình 1.3 Cầu Volodarsky sau lần cải tạo năm 1993

7

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 1.4: 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

a) Cột liên hợp

Các giải pháp cấu tạo thường được sử dụng đối với loại cấu kiện kết cấu cột liên hợp là thép định hình, thép tổ hợp hàn dạng chữ H được bọc bê tông một phần hoặc toàn bộ, hoặc thép ống được nhồi đầy bê tông hoặc bê tông cốt thép

Hình 1.5a Cột tiết diện thép hở, bê tông bọc một phần hoặc hoàn toàn

Hình 1.5b Cột tiết diện thép kín, bê tông nhồi trong tiết diện

9

Hình 1.6 Mô hình tiết diện cột liên hợp với thép chữ I chịu lực chính

Hình 1.7 Ảnh thực tế thi công tại công trường

b) Sàn liên hợp

Đối với cấu kiện kết cấu sàn liên hợp thì giải pháp sử dụng thường là bản sàn bê tông cốt thép được đặt lên trên dầm thép hình chữ I Ngoài ra các tấm tôn thép sóng còn được đặt ở mặt dưới của bản sàn bê tông, nằm giữa bản sàn bê tông

và dầm thép hình để đóng vai trò vừa là cốt thép chịu kéo trong quá trình sử dụng đồng thời là ván khuôn đỡ bê tông tươi trong quá trình thi công

Hình 1.8 Sàn liên hợp

11

Hình 1.8a Cốt thép chờ thi công sàn liên hợp

Hình 1.8b Liên kết chống trượt giữa sàn và dầm

c) 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

Hình 1.9 Mô hình thi công sàn-dầm liên hợp

an toàn chịu lực cao nhưng khả năng chịu lửa kém và giá thành lại cao Trong khi đó vật liệu bê tông mặc dù chỉ có cường độ chịu nén tương đối nhưng lại

có tính chịu lửa tốt, giá thành rẻ và được sử dụng phổ biến

Như vậy, so với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu bê tông cốt thép thuần tuý thì việc sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép - bê tông sẽ đảm bảo tăng khả năng chịu lực và nâng cao độ tin cậy của kết cấu, do bao gồm khả năng chịu lực của cả 2 thành phần kết cấu thép hình và bê tông cùng kết hợp tham gia chịu lực Hơn nữa, nếu so sánh với trường hợp chỉ sử dụng giải pháp kết cấu thép thuần tuý thì việc sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông ngoài việc làm tăng khả năng chịu lực còn tăng độ cứng ngang, tăng khả năng ổn định và nâng cao tính chịu lửa và chống ăn mòn Điều này có ý nghĩa rất quan trọng đối với công trình xây dựng ở vùng khí hậu có độ ẩm cao, công trình ven biển

Giải pháp kết cấu liên hợp thép bê tông cũng đã được ứng dụng khá hiệu quả trong trường hợp kết cấu công trình nằm trong vùng có động đất, do chúng

có mức độ ổn định và độ tin cậy cao khi chịu tải trọng động Điều này đã được kiểm nghiệm qua thực tế tại nhiều trận động đất lớn, như trận động đất Kobe ở Nhật Bản năm 1995 hay trận động đất Northridge ở Mỹ năm 1994

Hình 1.12 Ảnh chụp sau động đất tại Kobe

15

Hình 1.13 Sau động đất tại Northridge

Đối với các công trình nhà nhiều tầng, khi chiều cao nhà càng cao và nhịp khung càng lớn thì nội lực dọc trục trong cột và mômen trong dầm càng lớn; lực dọc trong cột có thể lên đến 3000 tấn đối với công trình nhà cao hơn

30 tầng Như vậy, nếu chỉ sử dụng giải pháp kết cấu bê tông cốt thép thông thường thì kích thước tiết diện yêu cầu của cột là rất lớn, vì thực tế cấp độ bền của bê tông sử dụng phổ biến cho xây dựng nhà nhiều tầng ở Việt Nam hiện nay vào khoảng B25 đến B40, tương ứng với cường độ chịu nén tính toán

tông cốt thép (không liên hợp) thì kích thước tiết diện cột yêu cầu cho nhà cao

40 tầng xây dựng ở Hà Nội là khoảng 1,5m x 1,5m; tuy nhiên kích thước này

thép bê tông do thép chịu lực là chính làm giảm kích thước của các cấu kiện, kết cấu thanh mảnh hơn so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường, làm tăng không gian sử dụng và hiệu quả kiến trúc tăng Mặc dù ở một số nước trên thế giới như Nhật Bản, Úc… đã sản xuất được bê tông mác siêu cao với

tông đạt được cường độ cao như vậy và đảm bảo được mức độ tin cậy thì quy

trình sản xuất và kiểm tra chất lượng yêu cầu phải được thực hiện rất nghiêm ngặt về thời gian và công nghệ kỹ thuật

Hình 1.14 Kết cấu liên hợp cho bước cột lớn nhưng tiết diện cột nhỏ

So với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu thép thuần tuý thì việc sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép - bê tông sẽ có hiệu quả kinh tế cao, giảm được trọng lượng thép khoảng 10-15% Nếu so với trường hợp sử dụng giải pháp kết cấu bê tông cốt thép thì giải pháp sử dụng kết cấu liên hợp giảm được trọng lượng của công trình khoảng 10- 20%, dẫn đến giảm nhẹ được kết cấu móng Do vậy mặc dù lượng thép sử dụng trong kết cấu liên hợp là nhiều hơn một chút nhưng tổng chi phí xây dựng công trình có thể vẫn giảm, đồng thời tăng nhanh được thời gian thi công để sớm đưa công trình vào sử dụng và quay vòng vốn

1.1.4.2 Nhược điểm

Kết cấu liên hợp đòi hỏi chất lượng vật liệu cao, các loại vật liệu sử dụng đòi hỏi có khả năng chịu lực lớn Bên cạnh đó, việc tính toán áp dụng kết cấu liên hợp yêu cầu công nghệ thi công hiện đại, độ gia công chính xác cao, trình độ sản xuất thép của các nhà máy tại Việt Nam chưa cao Hơn nữa,

Việc áp dụng giải pháp kết cấu liên hợp để thi công nhà cao tầng trong nước chưa có hệ thống định mức đơn giá xây dựng Việt Nam nên trong quá trình triển khai thực tế gặp nhiều khó khăn, hạn chế về thủ tục pháp lý đặc biệt là các dự án, chương trình nhà ở sử dụng vốn ngân sách

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:

Hình 1.15 Tòa nhà “Trung tâm tài chính quốc tế” – Hong Kong

Khởi công xây dựng vào năm 2002 hoàn thành năm 2010

19

Hình 1.16 Tòa nhà “Công viên trung tâm” tại Perth – Úc

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

Hình 1.17 “Trung tâm tài chính Châu Á NEATT” tại Incheon Hàn Quốc

khởi công xây dựng năm 2006 và hoàn thành năm 2011

Hình 1.18 Tòa tháp Aspire tại Doha, Qatar

khởi công xây dựng năm 2005 và hoàn thành năm 2007

21

Hình 1.19 JP Morgan Chase Tower – Houston, Mỹ

Xây dựng năm 1978, hoàn thành năm 1982

Hình 1.20 Bưu điện Nhật Bản – Tokyo , Nhật

Xây dựng năm 2009, hoàn thành vào năm 2012

Hình 1.21 Trung tâm Franklin – Tháp phía Bắc

(Trụ sở tập đoàn AT&T) tại Chicago – Mỹ

Khởi công xây dựng năm 1981, hoàn thành năm 1985

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:

Hình 1.23 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

25

Hình 1.24 Tòa nhà văn phòng 169 Nguyễn Ngọc Vũ Hà Nội

Hình 1.25 Khách sạn Novotel – Số 36 Bạch Đằng, Đà Nẵng

Cao 38 tầng, 155m, khởi công năm 2011 và hoàn thành vào năm 2013

27

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

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) Liên kết nửa cứng 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

Hình 1.26 Liên kết nửa cứng liên hợp dầm – cột

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

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

Eurocode đã giới thiệu một số mô hình hoá hệ lò xo dùng cho việc áp dụng tính toán liên kết liên hợp theo hình vẽ dưới đây:

1 k 2

Hình 1.29 Mô hình hoá liên kết cột - dầm

8,9,10 8,9,10

8,9,10 8,9,10

5 5

STEEL e.g splice

COMPOSITE e.g beam-to-beam

joint

Special joints

Component model Real joint

Component model Real joint

Component model Real joint

Component model Real joint

STEEL

COMPOSITE

8,9,10 8,9,10 8,9,10 8,9,10

5 5

Beam-to-column joints

Hình 1.30 Mô hình hoá liên kết dầm - dầm

8,9,10 8,9,10

8,9,10 8,9,10

STEEL e.g splice

COMPOSITE e.g beam-to-beam

joint

Special joints

Component model Real joint

Component model Real joint

Component model Real joint

Component model Real joint

STEEL

COMPOSITE

8,9,10 8,9,10

8,9,10 8,9,10

Beam-to-column joints

Hình 1.31 Mô hình hoá liên kết cột - dầm

Trên cơ sở các mô hình tính toán Eurocode phân tích sự làm việc của nút theo độ cứng, độ bền và khả năng chống xoay của liên kết từ đó xác định khả năng chịu lực của liên kết trên cơ sở của bài toán xác định khả năng chịu lực thường gặp Đặc điểm của việc tính toán các liên kết liên hợp là mỗi loại liên kết sẽ có các thông số tính toán riêng và khá đặc trưng, khác nhau trong từng trường hợp

Beam-to-column joint

beam-to-beam joint

Hình 1.31a Mô hình hoá liên kết

Nút liên hợp có thể được phân theo 2 cách:

- Phân loại theo phần tử liên kết:

Cốt thép liên tục Momen truyền qua cốt thép và lực ép các bản sườn đầu dầm Lực cắt truyền qua bu lông liên kết bụng dầm

Hình 1.32 Liên kết dầm – dầm