CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 2 1. GIỚI THIỆU : Khác với kết cấu bê tông cốt thép thông thường , có cốt thép chịu lực là các thanh thép tròn , kết cấu liên hợp thép – bê tông là kết cấu mà thép chịu lực có dạng thép tấm , thép hình hay thép ống. Thép có thể nằm ngoài bê tông (kết cấu thép nhồi bê tông), nằm bên trong bê tông (kết cấu thép bọc bê tông hay còn gọi là bê tông cốt cứng), hoặc được liên kết với nhau để cùng làm việc. Hình 1.1. Các dạng kết cấu liên hợp thép – bê tông a, b) Kết cấu thép nhồi bê tông; c, d, g) Kết cấu thép vừa bọc vừa nhồi bê tông; h, i, k) Kết cấu thép bọc bê tông; e, f, l, m) Thép bản và bê tông liên kết với nhau. Lịch sử phát triển của kết cấu liên hợp thép – bê tông gắn liền với lịch sử phát triển của kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép. Việc hình thành dạng kết cấu liên hợp này bắt nguồn từ hai nguyên nhân. Nguyên nhân thứ nhất bắt đầu từ ý định thay thế các cốt thép tròn bằng các dạng cốt thép khác gọi là cốt cứng , khi hàm lượng quá lớn hình thành nên kết cấu liên hợp . Nguyên nhân thứ hai bắt đầu từ ý tưởng muốn bao bọc kết cấu thép chịu lực bằng bê tông để chống xâm thực, chống cháy hoặc chịu lực, từ đó hình thành nên kết cấu liên hợp thép – bê tông. Tuy ra đời muộn hơn một số kết cấu truyền thống như kết cấu thép, kết cấu bê tông, kết cấu gỗ… nhưng dạng kết cấu này cũng đã được sử dụng tới hơn thế kỷ, và ngày càng có nhiều ưu việt cần phải khai thác. Trong kết cấu công trình xây dựng, sự kết hợp giữa các loại vật liệu khác nhau thường thấy nhất là giữa thép và bê tông, mặc dù tính chất có khác nhau nhưng hai loại vật liệu này lại bổ trợ cho nhau: - Bê tông chịu kéo kém nhưng chịu nén tốt - Thép chịu kéo và nén tốt - Cấu kiện thép thường tương đối mảnh và có xu hướng mất ổn định, nếu kết hợp với bê tông sẽ tăng cường độ ổn định - Bê tông có thể chống được sự ăn mòn và có thể chịu được nhiệt độ cao, trong khi thép rất dễ bị rỉ sét và dễ dàng biến dạng dưới tác động của nhiệt độ và dẫn đến mất khả năng chịu lực. - Thép mang đến sự dẻo dai cho kết cấu. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 3 Trong kết cấu dân dụng, sàn được làm từ bê tông kết hợp với cốt thép chịu kéo, khi muốn tăng nhịp sàn, người ta thường đưa vào hệ kết cấu dầm thay vì phải tăng bề dày cùa sàn và hệ dầm được đỡ bởi các cột chống, các hệ dầm cột đó có thể được tạo thành từ các loại thép hình cán nóng hoặc tổ hợp theo dạng tiết diện chữ I hoặc chữ H. Với loại kết cấu trên, nếu có sự trượt tự do giữa cánh dầm thép và bản sàn bê tông thì chúng sẽ làm việc độc lập, tiết diện dầm thép sẽ được thiết kế chịu toàn bộ tải trọng từ sàn truyền vào. Nếu sự trượt được hạn chế hoặc giảm thiểu thì tiết diện thép và bê tông sẽ làm việc cùng nhau. Kể từ năm 1950, người ta băt đầu tạo liên kết giữa sàn bê tông và dầm thép hình đỡ sàn bằng các liên kết cơ học. Những liên kết đó loại trừ hoặc là giảm sự trượt tại bề mặt tiếp xúc giữa bê tông và thép, vì thế sàn bê tông và dầm thép sẽ làm việc chung tạo thành một kết cấu liên hợp gọi làm “dầm liên hợp” Hình 1.2. Dầm thép thường và dầm liên hợp Khi làm việc liên hợp, dưới tác dụng của momen dương, khả năng chịu lực của dầm sẽ tăng lên do có thêm phần bê tông của sàn chịu nén, còn đối với momen âm, khả năng chịu lực của dầm cũng sẽ tăng lên do có côt thép trong sàn chịu kéo. Rõ ràng dầm liên hợp có độ cứng cao hơn, chịu lực tốt hơn, dùng tiết diện nhỏ hơn, vượt nhịp lớn hơn so với dầm thép bình thường. Trong thực tế, các liên kết giữa thép và bê tông tạo ra từ chốt neo hoặc các liên kết cơ học khác hàn vào cấu kiện thép và nằm trọn trong sàn bê tông. Lúc đầu, khi tính toán, người thiết kế giả thiết liên kết là tuyệt đối cứng triệt tiêu hoàn toàn sự trượt giữa thép và bê tông. Trong thực tế, để đạt đến một liên kết lý tưởng như thế thì cần phải có một lượng lớn chốt neo hoặc các liên kết cơ học khác dẫn đến sự không kinh tế. Nhưng nếu xem khả năng chống trượt là không có hoặc chỉ có khả năng chống trượt không hoàn toàn hoặc khả năng chịu lực của tiết diện liên hợp sẽ không đạt hoặc đạt được không hoàn toàn, đòi hỏi phải tăng kích thước tiết diện cũng như cường độ vật liệu cũng dẫn đến sự không kinh tế. Ngày nay có rất nhiều nghiên cứu “Liên kết chống trượt không hoàn toàn” giữa bê tông và thép dựa trên các thí nghiệm, mô phỏng để tìm ra cách tính toán kinh tế nhất. Ở Việt Nam hiện nay, loại kết cấu liên hợp này vẫn chưa phổ biến, chỉ có một số công trình cao tầng đã được xây dựng theo loại kết cấu liên hợp thép – bê tông như Diamond Plaza ở TP HCM (21 tầng), sử dụng kết cấu khung thép bọc vật liệu chống cháy là sỉ lò cao, công trình của công ty xuất nhập khẩu Hồng Hà ở Hà Nội sử dụng kết cấu sàn liên hợp , hay gần đây nhất là 2 dự án của công ty cổ phần lắp máy điện nước và xây dựng COWAELMIC, với dây chuyền công nghệ được đầu tư toàn diện và kỹ thuật thi công hiện đại thì đây là lần đầu tiên , công trình với loại kết cấu này được thiết kế gia công và xây dựng bởi chính công ty Việt Nam. Dự án 1: Nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ, Hà Nội gồm 2 tầng hầm và 21 tầng chức năng (Đã hoàn thành và đi vào sử dụng ) Dự án 2: Dự án đầu tư xây dựng Khu tái định cư phường 11 - quận 6 - TP.Hồ Chí Minh gồm hai toà nhà H-098 và T-106, mỗi toà cao 15 tầng và 1 tầng hầm (Hiện đang được thi công sắp sửa đi vào giai đoạn hoàn thiện) , TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 4 Dự án 2 mà cụ thể là toà nhà T-106 cũng chính là công trình được chọn để thực hiện tính toán trong luận văn này, dựa trên cơ sở thiết kế sử dụng tiêu chuẩn “Eurocode 4 – Design of composite steel and concrete structure” do hệ thống tiêu chuẩn xây dựng của Việt Nam hiện hành chưa có tiêu chuẩn riêng cho loại kết cấu này. Hình 1.3. Tòa nhà Diamond Plaza, TP HCM. Hình 1.4. Tòa nhà H-098 Dự án khu chung cư tái định cư quận 6 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 5 Hình 1.5. Tòa nhà T-106 Dự án khu chung cư tái định cư quận 6 Hình 1.6. Dự án toà nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ 2. ĐẶC TÍNH CỦA KẾT CẤU LIÊN HỢP TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 6 Khi thiết kế một công trình, ngoài việc đảm bảo khả năng chịu lực, độ cứng dẻo của kết cấu mà còn phải đảm bảo các yêu cầu về kiên trúc, kinh tế, thi công, chịu nhiệt 2.1. Kiến trúc : Kết cấu liên hợp có phép sự đa dạng trong kiến trúc bằng cách kết hợp các cấu kiện liên hợp theo nhiều kiểu Ngoài ra, với tiết diện nhỏ của dầm cho phép tạo ra: - Nhịp lớn hơn - Sàn mỏng hơn - Cột mảnh hơn Những yếu tố trên tạo điều kiện thuận lợi cho thiết kế không gian kiến trúc. 2.2. Kinh tế : Tiết kiệm được nhiều chi phí do sử dụng cấu kiện có tiết diện nhỏ hơn (độ cứng lớn có khả năng vượt nhịp lớn, giảm độ võng, giảm chiều cao tiết diện) và lắp đặt nhanh trong thi công Lợi ích tỷ số nhịp và chiều cao (l/h=35) thể hiện: - Giảm chiều cao tiết diện dẫn đến giảm chiều cao toàn bộ công trình và tiết kiệm được diện tích bao che - Nhịp lớn hơn so với các kết cấu khác có cùng chiều cao dẫn đến tạo ra những không gian rộng lớn, giảm số lượng cột trong mặt bằng - Nhiều tầng hơn so với các kết cấu khác có cùng chiều cao Kết cấu liên hợp được lắp đặt dễ dàng và nhanh hơn nên: - Tiết kiệm chi phí thi công, thời gian hoàn thành công trình sớm - Đưa công tình vào sử dụng dần đến thu hồi vốn nhanh hơn 2.3. Chịu nhiệt : Các công trình kết cấu thép cổ điển tốn rất nhiều chi phí để bảo vệ thép kết cấu dưới tác dụng nhiệt của lửa. Các kết cấu hiện đại và kết cấu liên hợp có thể chịu lửa bằng cách kết hợp với bê tông cốt thép, bê tông sẽ bảo vệ thép do bê tông có khối lượng lớn và dẫn nhiệt kém Các dầm và cột thép sẽ được bao bọc hoàn toàn hoặc một phần. Điều này không chỉ giúp duy trì nhiệt độ thấp trong thép mà còn tăng khả năng chịu lực, tăng độ ổn định của cấu kiện. 2.4. Thi công : Ngày nay sàn composite được sử dụng rộng rãi trong các công trình do các tiện lợi đem đến cho chủ đầu tư và đơn vị thầu : - Sàn công tác: Trước khi đổ bê tông, các tấm tôn sóng phục vụ như một sàn công tác rất an toàn - Coppha cố định: Các tấm tôn sóng được phủ lên các dầm theo một phương, các tấm tôn đóng vai trò coppha trong quá trình đổ bê tông, có thể không cần các cây chống phụ trong khi thi công, ngoài ra tấm tôn còn giữ nước rất tốt trong quá trình đổ bê tông TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 7 - Mặt dưới tấm thép vẫn giữ được sạch sẽ sau khi đổ bê tông và nếu sử dụng các tấm thép màu sẽ tăng tính thảm mỹ. - Cốt thép trong sàn: Cốt thép được đặt trong sàn sẽ tăng khả năng chịu momen dương, chống co ngót, nút do nhiệt độ, chịu momen âm là bản liên tục.Sự làm việc liên hợp đạt được khi sử dụng tấm thép sóng. - Tốc độ thi công nhanh, đơn giản: Thép tấm có trọng lượng nhẹ thuận lợi vận chuyển và cât giữ ở công trường. Một xe có thể vận chuyển 1500m 2 thép tấm làm sàn, một đội có thể lắp đặt 400m 2 thép tấm trong ngày - Chất lượng cấu kiện: các cấu kiện bằng thép được chế tạo tại nhà máy dưởi sự quản lí nghiêm ngặt, giảm thiểu được các yếu tố phát sinh, tăng độ chính xác cao Thi công, xây lắp một công trình kết cấu liên hợp thép – bê tông rất nhanh và kinh tế chia ra thành các quá trình sau: - Đầu kiên khung thép có giằng hoặc không giằng sẽ được lắp dựng, nếu các ống thép được lắp vào trong kết cấu thì các lồng cốt thép đã được lắp đặt cố định ở xường sản xuất - Các chi tiết truyền lực giữa bê tông và cốt thép như bracket, tấm thép đệm, neo chống trượt đã được chuẩn bị tại công xưởng để tăng tốc độ xây lắp và phải được lên kế hoạch chi tiết.Sau khi lắp đặt các cột xong, các dầm thép sẽ được lắp vào giữa các cột (có thể chỉ gác lên các cột) - Sàn bê tông đúc sẵn hoặc tấm thép tôn để làm sàn được gác lên phục vụ như sàn công tác, tấm coppha - Cuối cùng đúc bê tông sàn và cột cùng một lúc. Sau khi bê tông đông cứng, độ cứng và khả năng chịu lực của cột và dầm sẽ tăng lên, liên kết sẽ tự động chuyển sang liên kết nửa cứng. 3. SO SÁNH VỚI CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC : Kích thước của cấu kiện khi sử dụng kết cấu liên hợp nhỏ hơn nhiều so với kết cấu không liên hợp. Điều này thể hiện rõ qua kết quả so sánh thể hiện ở bảng 1.1 và bảng 1.2. Bảng tổng hợp này là tham khảo từ giáo trình thuộc chương trình châu Âu về chuyển giao kỹ thuật ở Việt Nam Kết cấu liên hợp thép – bê tông 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 liên 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, tác giả P. R. Knowles đã lập bảng so sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà 5 tầng một nhịp thiết kế ở hai giai đoạn đàn hồi và dẻo cho hai loại khung : Loại khung thép hoàn toàn và Khung thép liên hợp thép – bê tông (bảng 1.3) Bảng 1.4 là bảng so sánh trọng lượng thép và giá thành toàn bộ cho khung sáu tầng ba nhịp được thiết kế ở hai giai đoạn đàn hồi và đàn dẻo cho hai loại khung : Loại khung thép hoàn toàn và Khung thép liên hợp thép – bê tông . Bảng 1.5 là bảng so sánh chi phí thép cho dầm khung của nhà khi 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. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 8 Bảng 1.1. So sánh kích thước của dầm liên hợp với dầm không liên hợp khi khả năng chịu lực như nhau (EUROCODE) Dầm liên hợp Dầm thép không có liên kết cắt Tiết diện thép IPE400 IPE500 IPE360B Chiều cao (mm) 560 710 520 Tải trọng 100% 100% 100% Trọng lượng thép 100% 159% 214% Tổng chiều cao 100% 127% 93% Độ cứng 100% 72% 46% Bảng 1.2. So sánh kích thước của dầm và cột liên hợp với dầm và cột bê tông cốt thép thường khi khả năng chịu lực như nhau (EUROCODE) Liên hợp Bê tông cốt thép Cột Kích thước (cm) 70/70 80/120 Dầm Kích thước 160/40 160/10 Bảng 1.3. So sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 9 cho khung nhà năm tầng một nhịp Loại khung Trọng lượng thép (%) Tổng giá thành (%) Khung thép (Đàn hồi) 100 100 Khung liên hợp (Đàn hồi) 84.5 92.5 Khung thép (Đàn dẻo) 89 95.5 Khung liên hợp (Đàn dẻo) 70 87 Bảng 1.4. So sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà sáu tầng ba nhịp Loại khung Trọng lượng thép (%) Tổng giá thành (%) Khung thép (Đàn hồi) 100 100 Khung liên hợp (Đàn hồi) 86 91 Khung thép (Đàn dẻo) 95 102 Khung liên hợp (Đàn dẻo) 66 90 Bảng 1.5. So sánh trọng lượng thép dầm sàn Loại dầm Trọng lượng thép % Dầm thép 100 Dầm liên hợp, có chống tạm khi thi công 73 Dầm liên hợp tạo ứng lực trước trong thép 55 . CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 2 1. GIỚI THIỆU : Khác với kết cấu bê tông cốt thép thông thường , có cốt thép. thép tròn , kết cấu liên hợp thép – bê tông là kết cấu mà thép chịu lực có dạng thép tấm , thép hình hay thép ống. Thép có thể nằm ngoài bê tông (kết cấu thép nhồi bê tông) , nằm bên trong bê. trong bê tông (kết cấu thép bọc bê tông hay còn gọi là bê tông cốt cứng), hoặc được liên kết với nhau để cùng làm việc. Hình 1. 1. Các dạng kết cấu liên hợp thép – bê tông a, b) Kết cấu thép