Theo hệ kết cấu chịu lực Hệ kết cấu khung cứng chịu lực: Hệ này được tạo thành từ các thanh đứng cột và ngang dầm liên kết cứng với nhau tại các nút.. Trong hệ kết cấu này thường vách
Trang 1CHƯƠNG 1:
GIẢI PHÁP KẾT CẤU CHO CÔNG TRÌNH , GIỚI THIỆU KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP- BÊ TÔNG CỐT THÉP
I LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KẾT CẤU CHO CÔNG TRÌNH
1 PHÂN LOẠI NHÀ NHIỀU TẦNG
a Theo hệ kết cấu chịu lực
Hệ kết cấu khung cứng chịu lực:
Hệ này được tạo thành từ các thanh đứng (cột) và ngang (dầm) liên kết cứng với nhau tại các nút Hệ kết cấu khung tạo ra các không gian lớn, linh hoạt thích hợp với các công trình công cộng Hệ có sự làm việc rõ ràng nhưng khả năng chịu lực của công trình giảm đi nhiều khi chiều cao công trình lớn
Hệ kết cấu vách cứng và lõi cứng:
Hệ kết cấu vách cứng và lõi cứng có các cấu kiện thẳng đứng chịu tải trọng là các từng cứng được bố trí theo một hoặc hai phương, có hoặc không có các liên kết các vách cứng lại tạo thành các lõi cứng Hệ kết cấu này có đặc điểm là khả năng chịu tải trọng ngang tốt nên thường được sử dụng cho các công trình từ 20 đến 40 tầng Đối với những nhà có cao hơn thì vách cứng có kích thước lớn nên ngươiø ta ít dùng Hệ vách cứng – lõi cứng giảm không gian sử dụng của nhà, không linh hoạt trong bố trí như hệ kết cấu khung
Hệ kết cấu khung - giằng:
Sự kết hợp của hai hệ kết cấu trên là cần thiết để tạo ra được hệ kết cấu vững chắc cho nhà Hệ thống vách cứng được bố trí tại các vị trí cầu thang bộ, cầu thang máy, các tường biên … là những nơi có tường liên tục ở các tầng Trong hệ kết cấu này thường vách cứng đóng vai trò chịu lực ngang là chính còn hệ khung được thiết kế để chịu tải trọng đứng, nhờ vậy mà hệ kết cấu này có nhừng ưu việt hơn hai hệ kết trên là vẫn tạo ra được những không gian sử dụng lớn và khả năng chịu lực lớn hơn…
b Theo vật liệu sử dụng
Kết cấu bê tông truyền thống
Loại kết cấu này có các ưu điểm như: dễ dàng tạo hình, có thể sản xuất tại công trường, chịu nhiệt tốt, chống lại các phá hoại hoá học Nhưng bên cạnh đó nó có những nhược điểm như : tỉ số giữa khả năng chịu lực và trọng lượng bản thân
Trang 2những vậy, bê tông còn chịu kéo kém vì thế phải đặt thêm cốt thép vào và việc này cũng tiêu tốn khá nhiều thời gian
Kết cấu thép
Kết cấu thép có các ưu điểm tỉ số giữa khả năng chịu lực và trọng lượng bản thân cao Việc chế tạo cấu kiện có thể thực hiện không phụ thuộc vào thời tiết, sự lắp dựng đơn giản và nhanh chóng với sai lệch nhỏ Nhưng khả năng chịu nhiệt lại kém, việc tăng khả năng chống cháy cho công trình cũng như khả năng chịu nhiệt độ cao của cấu kiện gây ra nhiều chi phí tốn kém
Kết cấu liên hợp thép-bêtông cốt thép(Composite)
Sau khi so sánh hai giải phải kết cấu trên thì ta thấy sự kết hợp giữa hai dạng kết cấu là một giải pháp kinh tế nhất Các ưu điểm của hai loại kết cấu trên sẽ được kết hợp, các khuyết điểm được bổ khuyết cho nhau Ví dụ: thời gian thi công sẽ nhanh hơn kết cấu bê tông, chi phí sẽ tiết kiệm hơn khung hoàn toàn làm bằng thép, khả năng chịu lực sẽ tăng lên so với kết cấu bêtông và thép, kích thước cấu kiện sẽ giảm đi rất nhiều so với kết cấu bê tông Không những thế độ cứng và sự làm việc dẻo có thể đạt được bằng cách kết hợp thép vơi bêtông
2 LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KẾT CẤU CHO CÔNG TRÌNH
a Hệ kết cấu chịu lực
Do chiều cao công trình lớn nên tải trọng gió tác dụng rất lớn vào công trình và với hệ kết cấu khung giằng là phù hợp nhất trong trong hợp này Theo mặt bằng kiến trúc ta sẽ bố trí các vách cứng xung quanh các cầu thang máy, lõi cứng cùng làm việc với hệ khung bao quanh
b Vật liệu
Trước hiện trạng đang khan hiếm các văn phòng, nhu cầu đáp ứng các văn phòng cho thuê trước thềm hội nhập WTO, việc thi công xây lắp và đưa công trình vào sử dụng một cách nhanh chóng là rất cần thiết Vì vậy sử dụng kết cấu Composite cho công trình là khá hợp lý
II GIỚI THIỆU KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP-BÊTÔNG CỐT THÉP
1 GIỚI THIỆU
Trong kết cấu của công trình xây dựng, sự kết hợp giữa các vật liệu khác nhau
thường thấy nhất đó là sự kết hợp giữa thép và bêtông Mặc dù tính chất có khác
nhau nhưng chúng lại bổ sung hổ trợ nhau:
- Bê tông chịu kéo kém nhưng chịu nén tốt
Trang 3- Thép đều chịu nén và kéo đều
- Cấu kiện thép thường tương đối mảnh và có xu hướng bị mất ổn định, nếu kết hợp với bêtông thì 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 dụng của nhiệt độ từ đó làm giảm khả năng chịu lực
Từ lâu rồi người ta đã sử dụng dạng kết cấu khung thép cho nhà cao tầng Khung thép được tạo từ các cột và dầm thép thường là thép hình cán nóng có tiết diện chữ I, H Các dầm thép tạo thành một hệ lưới để đỡ các sàn bêtông.Nếu sự trượt là tự do tại bề mặt tiếp xúc giữa cánh thép và sàn bê tông thì chúng sẽ là việc độc lập (Hình 1a) Tiết diện của dầm thép sẽ được thiết kế để chịu toàn bộ tải trọng từ sàn truyền vào Nếu sự trượt được hạn chế hoặc giảm thiểu thì tiết diện thép và dầm thép sẽ làm việc cùng nhau (Hình 1b)
Hình 1.1 Biến dạng, ứng suất pháp và tiếp do uốn a) Không liên kết b) liên kết hoàn toàn
Kể từ năm 1950 người ta bắt đầu tạo liên kết giữa sàn bêtông và dầm thép hình đỡ sàn bằng các liên kết cơ học Những liên kết đó loại trừ hoặc giảm thiểu sự trượt tại bề mặt tiếp xúc giữa bê tông và thép, vì thế sàn bêtông và dầm thép sẽ làm việc chung tạo thành một cấu kiện liên hợp, gọi là “dầm liên hợp” (Hình 1)
Trang 4Hình 1.2: Dầm thép bình thường và dầm liên hợp
Khi làm việc liên hợp dưới tác dụng của mô men dương, khả năng chịu lực của dầm sẽ tăng lên do có thêm phần bê tông của sàn chịu nén, còn dưới tác dụng của mômen âm, khả năng chịu lực cũng tăng lên do có cốt thép trong sàn tham gia chịu kéo Rõ ràng dầm làm việc liên hợp với bê tông có độ cứng cao hơn,chịu lực tốt hơn vì thế có thể chịu lực tốt hơn, sử dụng tiết diện nhỏ hơn, vượt nhịp xa hơn so với dầm thép không liên hợp
Trong thực tế, các liên kết giữa thép và bê tông tạo từ đinh tán hoặc một số liên kết cơ học khác hàn vào cấu kiện thép và nằm trọn trong bê tông Lúc đầu, để tính toán cho đơn giản người ta xem liên kết là tuyệt đối cứng ngăn cản mọi sự trượt tại bề mặt tiếp xúc Trong thực tế để đạt tới đó thì phải cần một lượng chốt chống trượt rất lớn dẫn đến sự không kinh tế Nhưng nếu bỏ qua khả năng chống trượt, hoặc chỉ liên kết chống trượt một phần trong tính toán thì khả năng làm việc liên hợp sẽ không đạt hoặc chỉ đạt được một phần, đòi hỏi phải tăng kích thước cấu kiện hoặc tăng cường độ của vật liệu cũng dẫn đến sự không kinh tế Ngày nay có rất nhiều nghiên cứu “sự liên kết chống trượt không hòan tòan” giữa bêtông và thép dựa trên các thí nghiệm, mô phỏng để tìm ra cách tính toán để đạt tới sự kinh tế nhất
2 ĐẶC TÍNH CỦA KẾT CẤU LIÊN HỢP
Khi thiết kế một công trình, ngoài việc đảm bảo, khả năng chịu lực, độ cứng, độ dẻo của kết cấu mà còn phải đảm bảo các yêu cầu về mặt kiến trúc, kinh tế, thi công, chịu nhiệt
2.1 KIẾN TRÚC
Kết cấu liên hợp cho phép tạo sự đa dạng trong thiết kế kiến trúc bằng
cách kết hợp các cấu kiện liên hợp theo nhiều kiểu
Ngoài ra với kích thước nhỏ của dầm cho phép tạo ra:
- Sàn mỏng hơn
Từ đó tạo ra nhiều thuận lợi cho thiết kế
2.2 KINH TẾ
Tiết kiệm được nhiều chi phí do từ việc sử dụng cấu kiện có kích thước nhỏ hơn (độ cứng lớn tạo ra bước nhịp lớn, giảm độ võng, giảm chiều cao của toàn bộ công trình) và thi công lắp đặt rất nhanh so với các loại kết cấu khác
Sự tiện lợi của tỉ số giữa nhịp và chiều cao tiết diện (l/h=35) thể hiện qua:
Trang 5- Giảm chiều cao tiết diện dẫn đến giảm chiều cao của công trình,tiết kiệm được diện tích bao che
- Nhịp lớn hơn so với các kết cấu khác vì thế sẽ có ít cột hơn tạo ra không gian sử dụng rộng rãi và tiện lợi hơn
- Nhiều tầng hơn so với các kết cấu khác có cùng chiều cao
Kết cấu liên hợp thi công lắp đặt dễ dàng và nhanh chóng hơn, vì thế:
- Tiết kiệm chí phí thi công, thời gian hoàn thành công trình sớm hơn
- Được đưa vào sử dụng sớm hơn vì thế thu hồi vốn nhanh hơn
2.4 CHỊU NHIỆT
Các kết cấu thép cổ điển thường sử dụng rất nhiều biện pháp tốn kém để bảo vệ thép dưới tác dụng dưới nhiệt độ 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 tính dẫn nhiệt kém
Các dầm và cột thép sẽ được bao bọc hoàn toàn hoặc một phần (nhồi đầy bê tông và cốt thép giữa hai cánh thép hình) Điều này không chỉ giúp duy trì nhiệt độ thấp trong bản bụng và bản cánh dưới ảnh hưởng của nhiệt độ mà còn tăng khả năng chịu lực của cấu kiện, tăng độ ổn định cuả của các bản cánh (giảm độ oằn của bản cánh dưới của dầm composite đỡ sàn dưới tác dụng của nhiệt độ)
2.5 THI CÔNG
Ngày nay sàn composite được sử dụng rộng rãi trong các công trình do các tiện lợi cho cả đơn vị thầu và chủ đầu tư:
- Sàn công tác:
Trước khi đổ bê tông, các tấm tôn sóng phục vụ như một sàn công tác rất an toàn
- Cốp pha cố định:
Các tấm tôn sóng được phủ lên các dầm theo một phương,các tấm thép sóng
đóng vai trò cốp pha sàn để đúc bê tông, có thể không cần các cây chống phụ trong quá trình đúc bêtông Ngoài ra tấm thép sóng còn giữ nước rất tốt trong quá trình đổ bêtông
Mặt dưới tấm thép vẫn được giữ sạch sẽ sau khi đổ bêtông, và nếu sử dụng các tấm thép màu sẽ tạo ra trần nhà thẩm mỹ
- Cốt thép trong sàn:
Cốt thép được đặt trong sàn sẽ tăng khả năng chịu momen dương Nó còn giúp chống lại sự co ngót của bêtông, nứt do nhiệt độ, chịu momen âm khi là bản liên tục Sự làm việc liên hợp đạt được khi sử dụng tấm thép sóng
- Cốt thép trong sàn:
Trang 6Thép tấm có trọng lượng nhẹ nên vận chuyển và cất giữ rất thuận lợi tại công trường Một xe tải có thể mang được 1500 m2 thép tấm làm sàn Một đội 4 người có thể lắp đặt 400 m2 thép tấm trong một ngày
- Chất lượng cấu kiện:
Do các cấu kiện bằng thép được sản xuất tại nhà máy dưới sự kiểm định nghiêm ngặt Vì thế giảm thiểu được các yếu tố ngẫu nhiên phát sinh, tăng độ chính xác của tính toán
Thi công và xây lắp một công trình kết cấu liên hợp thép bêtông cốt thép là rất nhanh và kinh tế Có thể chia ra thành các quá trình sau:
- Đầu tiên khung thép có giằng hoặc không giằng sẽ được lắp dựng Nếu sử dụng loại thép có tiết diện rỗng để làm cột, thì các lồng cốt thép đã được đặt vào đúng vị trí tại công xưởng
- Các chi tiết để truyền lực giữa thép và bê tông như bracket, tấm thép đệm, chốt chống trượt đã được chuẩn bị tại công xưởng để tăng tốc độ xây lắp và phải được lên kế hoạch một cách 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 sóng để làm sàn được gác lên các dầm, phục vụ như tấm cốp pha và sàn công tác
- Cuối cùng đúc bêtông 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 khớp sang liên kết nữa cứng
3 SO SÁNH VỚI CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC
Composite beam Steel cross section IPE 400 IPE 550 HE 360 B Construction height [mm] 560 710 520 Load capacity 100% 100% 100%
Steel weight 100% 159% 214%
Construction height 100% 127% 93%
Stiffness 100% 72% 46%
Steel beam without any shear connection
Dầm liên hợp Dầm không liên hợp
Tiết diện thép IPE 400 IPE 550 HE 360 B
Chiều cao tiết diện(mm) 560 710 520
Khả năng chịu lực 100% 100% 100%
Trọng lượng 100% 159% 214%
Chiều cao tiết diện(m 100% 127% 93%
Độ cứng 100% 72% 46%
Trang 7Composite Reinforced concrete
Dimensions [cm] 70 / 70 80 / 120
Dimensions [cm] 160 / 40 160 / 120 Beam
Column
4 CÁC CẤU KIỆN CƠ BẢN CỦA KHUNG LIÊN HỢP THÉP – BÊTÔNG CỐT THÉP
composite beam composite slab
Hình 1.3: Các cấu kiện của khung liên hợp
Trang 8Hình 1.4 Cột và sàn (Citibank Duisburg, Germany)
4.1 SÀN
4.1.1 Sàn bê tông cốt thép
Sàn bê tông sử dụng cốp pha Sàn đúc sẵn một phần Sàn đúc sẵn hoàn toàn
Hình 1.5 Các kiểu sàn 4.1.2 Sàn bê tông ứng suất trước
Hình 1.6 Sàn bê tông ứng suất trước 4.1.3 Tấm thép có sóng
Trang 9Hình 1.7 Liên kết bằng ma sát trong sàn composite
Hình 1.8 Liên kết bằng cơ học trong sàn composite
Hình 1.9 Liên kết bằng neo trong sàn composite
4.2 DẦM
Trang 10Hình 1.10 Dầm composite
Hình 1.11 Các kiểu liên kết chống trượt
Hình 1.12 Thử nghiệm khả năng chống trượt giữa thép kết cấu và bêtông
Trang 11Hình 1.13 Chống trượt giữa dầm thép và bê tông (Headed studs)
4.3 CỘT
Hình 1.14 Cột composite
Trang 124.4 LIÊN KẾT (JOINTS)
Hình 1.15 Liên kết dầm vào cột