CHƯƠNG 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BTCT

- Kiểm tra với tải trọng tính toán - Đối với dầm, có thể phân tích theo đàn hồi, dẻo, phi tuyến - Thường cánh trên của dầm thép trong kết cấu liên hợp được ngăn cản mất ổn định nhờ bản b

ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU LIÊN

HỢP THÉP - BTCT

CHƯƠNG 1

- Thép và bê tông là hai vật liệu bổ sung lẫn nhau

- Bê tông hiệu quả khi nén, thép chịu kéo tốt

- Vỏ bê tông có thể ngăn cản mất ổn định của thép

- Bê tông chống ăn mòn, cách nhiệt, chống cháy

- Thép làm cho kết cấu dẻo dai

- Ưu điểm của dầm liên hợp là có độ cứng và khả năng chịu lực cao hơn so với kết cấu thường

- Nhờ có liên kết cơ học giữa bản bê tông và dầm thép nên kết cấu liên hợp

có sự trượt giữa sàn bê tông và dầm thép bé hơn so với kết cấu bê tông – thép thông thường

1.1 Đại cương

a Kiến trúc:

- Thiết kế kết cấu liên hợp mang lại nhiều dạng kiến trúc

- Giảm kích thước dầm có dịp lớn, bản mỏng, cột có độ mảnh bé hơn

- Linh hoạt và nhiều lựa chọn thiết kế

b Kinh tế:

- Chiều cao tầng và chiều cao công trình giảm → giảm diện tích tường bao che, có thể tăng số tầng với cùng tổng chiều cao nhà

- Chi phí giảm do kích thước bé (độ cứng lớn nên chuyển vị nhỏ, nhịp lớn và tổng chiều cao bé)

- Thời gian xây dựng nhanh:

Tiết kiệm chi phí, sớm hoàn thành công trình, sớm đưa công trình vào sử dụng

c Công năng:

- Chống cháy

1.2 Các phương diện sử dụng kết cấu composite

4

d Bảo dưỡng và tính linh hoạt:

- Có thể cải tạo trong thời gian sử dụng

- Có thể bảo dưỡng mà không xâm phạm đến người sử dụng

- Cải tạo các phương tiện dịch vụ: trần nhà, bên trong sàn giả, các hộp chìm trong tường

e Lắp đặt:

- Sàn thi công là sàn thép

- Thanh chống tạm thời

- Cốt thép của thép tấm định hình

- Thi công nhanh và đơn giản

- Chất lượng và chính xác

1.2 Các phương diện sử dụng kết cấu composite

f So sánh

1.2 Các khía cạnh sử dụng kết cấu liên hợp

1.2 Các khía cạnh sử dụng kết cấu liên hợp

1.3 Các bộ phận kết cấu

8

1.3 Các bộ phận kết cấu

a Bản

1.3 Các bộ phận kết cấu

Thép tấm định hình

1.3 Các bộ phận kết cấu

b Dầm

1.3 Các bộ phận kết cấu

c Cột

12

1.3 Các bộ phận kết cấu

d Mối nối

a Trạng thái giới hạn tới hạn (Ultimate Limit State)

- Thường kiểm tra khả năng chịu lực của từng cấu kiện chịu lực tác dụng, mỗi cấu kiện được xem như một thành phần độc lập thiết kế

- Kiểm tra với tải trọng tính toán

- Đối với dầm, có thể phân tích theo đàn hồi, dẻo, phi tuyến

- Thường cánh trên của dầm thép trong kết cấu liên hợp được ngăn cản mất

ổn định nhờ bản bê tông Tuy nhiên khi chịu moment âm cánh chịu nén

không thể ngăn cản mất ổn định nên phải kiểm tra mất ổn định do xoắn

ngang

b Trạng thái giới hạn sử dụng (Serviceability Limit State)

- Kiểm tra độ võng và nứt của bê tông

- Phân tích đàn hồi đối với tính toán theo trạng thái giới hạn sử dụng

1.4 Phân tích kết cấu

a Millennium Tower (Vienna – Autria)

- Chiều cao: > 202m (kể cả antenna)

- Diện tích mặt bằng: 1000 m2

- Thời gian xây dựng: 8 tháng (từ tháng 5 đến tháng 12, 1998), 2 ~ 2.5 tầng một tuần

- Chiều dày bản: 19 cm

- Ổn định theo phương ngang: lõi thang máy và thang bộ BTCT

- Cột ống composite

- Kinh phí: 145,000,000 Euro

1.5 Các công trình tiêu biểu

1.5 Các công trình tiêu biểu

16

b Ngân hàng thành phố Duisburg (Germany)

- Diện tích mặt bằng: 14500 m2

- Ổn định theo phương ngang: lõi bê tông (thi công 3m/ ngày)

1.5 Các công trình tiêu biểu

c Bãi đậu xe DEZ (Austria)

- Chiều dày bản: 26 cm

- Cột ống composite: đường kính 35.5cm

- Bãi đậu xe tầng 4 với diện tích 60x30m

- Nhịp lớn nhất: 10.58m

- Dầm công sôn: 4.80

1.5 Các công trình tiêu biểu

a Tính toán theo trạng thái giới hạn tới hạn

- Phân tích đàn hồi hoặc phân tích dẻo

- Liên quan đến khả năng chịu lực của kết cấu

- Dựa vào sức kháng của từng cấu kiện riêng lẻ

- Phải kiểm tra ổn định tổng thể của kết cấu

- Tính với tải trọng tính toán

b Tính theo trạng thái giới hạn sử dụng

- Phân tích đàn hồi

- Liên quan đến độ võng giới hạn và nứt của bê tông

- Khống chế dao động

1.6 Phân tích kết cấu

1.7 Mô hình kết cấu

a Sự làm việc không gian

Đơn giản hóa việc tính khung không gian bằng cách tính các khung phẳng

b Khung và liên kết

- Khung liên tục: bỏ qua sự không liên tục của liên kết và xem liên kết là cứng

- Khung đơn giản: xét đến tính không liên tục của liên kết, xem liên kết là

khớp, không có khả năng chịu moment

- Khung bán liên tục: xem liên kết là nửa cứng

20

c Tương tác giữa kết cấu và móng

- Trước tiên, kết cấu được mô hình với nền được xem là cứng, xác định tải tác tác dụng lên nền và độ lún

- Độ lún được tính vào kết cấu dưới dạng biến dạng tác dụng, từ đó đánh giá ảnh hưởng của độ lún lên nội lực và moment

- Khi độ lún ảnh hưởng đáng kể đến nội lực, tương tác giữa kết cấu và móng phải được xét đến bằng cách sử dụng các liên kết lò xo tương đương để mô hình sự làm việc của đất nền

d Mô hình khung

- Mô hình khung phù hợp với sự làm việc thực tế của khung

- Hình dáng cơ bản của khung được thể hiện bằng các đường thẳng qua tâm cấu kiện

- Bỏ qua sự chồng nhau của bề rộng thực tế của các cấu kiện

- Có thể xét đến bề rộng thực tế của các cấu kiện tại các mối nối các cấu kiện

1.7 Mô hình kết cấu

Ảnh hưởng của “Shear lag” tạo ra sự phân bố ứng suất không đều trong bản, dẫn đến khái niệm bề rộng tính toán

1.8 Bề rộng tính toán

b e1 = min(L o /8; b i),

L o bằng khoảng cách giữa các điểm uốn ngược trong biểu đồ moment

Đối với dầm đặt trên hai gối: L o là nhịp dầm

Đối với nhịp giữa và gối giữa:

b eff = b e1 + b e2

1.8 Bề rộng tính toán

Đối với dầm liên tục: L o là chiều dài của dầm chịu moment dương (đối với nhịp)

1.8 Bề rộng tính toán

b eff = b 0 + ∑β i b ei

Với β i = 0.55 + 0.025L e /b ei ≤ 1.0

L e là chiều dài nhịp tương đương của nhịp biên

Đối với gối biên:

24

1.9 Hệ số tính đổi tương đương

a Modun đàn hồi của thép

Modun đàn hồi của thép (theo EC4) lấy bằng 210x103 N/mm2

b Modun đàn hồi ngắn hạn của bê tông

Bê tông là vật liệu không tuyến tính, không đàn hồi nên modun đàn hồi không

là hằng số (hình 7), và duy trì biến dạng

thường xuyên khi giảm tải

1.9 Hệ số tính đổi tương đương

Khi chịu ứng suất không đổi, biến dạng của bê tông tăng dần theo thời gian, gọi là từ biến (hình 8) Bê tông cũng chịu sự thay đổi của thể tích gây bởi co ngót (hoặc phình ra) và

do nhiệt độ thay đổi

1.9 Hệ số tính đổi tương đương

Modun đàn hồi thay đổi như hình 7

- Modun tuyến tính ban đầu

- Modun tiếp tuyến tương ứng với ứng suất cho trước

- Modun cát tuyến

- Modun dây cung

Modun phụ thuộc vào ứng suất phụ thuộc vào tốc độ gia tải Giá trị được sử dụng cho thiết kế là modun đàn hồi cát tuyến tương ứng với tốc độ gia tải cụ thể

1.9 Hệ số tính đổi tương đương

- Khi phân tích đàn hồi, bê tông chịu nén và thép được xem làm việc đàn hồi

tuyến tính Cho phép sử dụng độ cứng chống uốn không xét đến nứt (EI) 1, bê tông chịu kéo được xem không nứt Nơi sử dụng độ cứng chống uốn của tiết

diện nứt (EI) 2, thì bỏ qua khả năng chịu kéo của bê tông

- Trong tính toán đặc trưng tiết diện composite trong miền đàn hồi, tiết diện composite thép – bê tông được thay thế bằng tiết diện thép tương đương Đối

với tiết diện chịu moment dương, diện tích cánh bê tông A c được thay thế bằng

diện tích cánh thép A c /n, với n là hệ số tính đổi

- Khi tính đặc trưng hình học, ứng suất: n = E a /E c

- Khi tính các tác động dài hạn, để chính xác, sử dụng modun hữu hiệu

E c’ : n = E a /E c’

Modun hữu hiệu là modun ngắn hạn đối với bê tông được hiệu chỉnh đối với tác động của từ biến

28

1.9 Hệ số tính đổi tương đương

1.9 Hệ số tính đổi tương đương

1.9 Hệ số tính đổi tương đương

1.10 Phân loại khung

a Khung giằng và khung không giằng

Khung giằng: - có hệ giằng (dàn, vách)

- có thể phân tích khung và giằng riêng rẽ:

(khung chịu tải đứng và hệ giằng chịu tải trọng ngang, tải đứng tác dụng lên giằng, tác động của độ nghiêng ban đầu và tải trọng bản thân hệ giằng)

32

1.10 Phân loại khung

Khung không giằng: là những khung không có hệ giằng hoặc những khung có hệ

giằng nhưng không đủ độ cứng Với khung không giằng chịu tải đứng và tải ngang cũng như những ảnh hưởng của sự không hoàn chỉnh khác (ứng suất thừa, hình dáng cấu kiện không chính xác, không phẳng, không thẳng, lệch tâm…)

b Tiêu chuẩn phân loại khung giằng và khung không giằng

Sự tồn tại hệ giằng trong kết cấu không đảm bảo cho kết cấu khung được xem

là khung giằng Chỉ khi hệ giằng làm giảm ít nhất 80% chuyển vị ngang thì

khung được xem là khung giằng

- Nếu khung không bố trí hệ giằng: khung không giằng

- Khi khung có bố trí hệ giằng:

Nếu ψ br > 0.2ψ unbr: khung không giằng

Nếu ψ br ≤ 0.2ψ unbr : khung giằng

Với ψ br là độ mềm theo phương ngang của kết cấu có hệ giằng

ψ unbr là độ mềm theo phương ngang của kết cấu không có hệ giằng

1.10 Phân loại khung

c Khung không chuyển vị ngang – khung chuyển vị ngang

Khung không chuyển vị ngang:

- Khung chịu tải trọng ngang có đủ độ cứng để có thể bỏ qua sự gia tăng lực do chuyển vị ngang của nút gây ra

- Tác động (ảnh hưởng) bậc 2 (thứ cấp) có thể bỏ qua (bỏ qua ảnh hưởng của

P – Δ)

- Sử dụng phân tích bậc nhất đối với kết cấu khung

Khung có chuyển vị ngang:

- Khi ảnh hưởng bậc hai không thể bỏ qua, khung được xem là khung có

chuyển vị ngang

1.10 Phân loại khung

d Tiêu chuẩn phân loại khung không chuyển vị ngang – khung chuyển vị ngang

Phân loại khung (hay hệ giằng) là có chuyển vị ngang hay không chuyển vị ngang dựa vào tỉ số tổng tải trọng đứng tác dụng lên kết cấu và tải tới hạn đàn hồi do mất ổn định gây ra (phá hoại theo dạng có chuyển vị)

V Sd / V cr ≤ 0.1 : khung không chuyển vị ngang

V Sd / V cr > 0.1 : khung có chuyển vị ngang

Hay

λ cr = V cr / V Sd ≥ 10 : khung không chuyển vị ngang

λ cr = V cr / V Sd < 10 : khung có chuyển vị ngang