Luận văn thạc sĩ xây dựng Dầm chuyển và ứng dụng dầm chuyển trong xây dựng

Các thuật ngữ Dầm chuyển Transfer beams hay Transfer girders: Dầm chuyển BTCT là một loại dầm thờng có độ cứng và tiết diện hình học tơng đối lớn, có tác dụng thay đổi trạng thái làm vi

lợi cho tác giả trong quá trình hoàn thành luận văn.

Xin chân thành cảm ơn tập thể và ban Giám đốc Công ty MADI, cũng nh gia đình và bạn bè đã động viên và giúp đỡ tác giả trong thời gian học cao học

và trong quá trình hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Với thời gian nghiên cứu cũng nh năng lực của bản thân còn nhiều hạn chế, luận văn chắc không tránh khỏi những thiếu sót, tồn tại Tác giả mong muốn nhận đợc nhiều ý kiến đóng góp quý báu từ phía các nhà khoa học, các thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp để luận văn đợc hoàn thiện hơn

Hà nội, tháng 02 năm 2011

Nguyễn Nhật Tâm

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan công trình khoa học này là của riêng tôi, do tôi trực tiếp làm dới sự hớng dẫn tận tình của TS Nguyễn Đại Minh.

Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực cha từng

đợc ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác

Học viên

Nguyễn Nhật Tâm

Mục lục

PHầN Mở đầu 1

NGHI£N CøU KH¶ N¡NG CHÞU LùC Vµ Sù øng xö cña dÇm chuyÓn (DÇM CAO) 22 Ch¬ng 3 45

VÝ Dô, KIÕN NGHÞ QUY TR×NH TÝNH TO¸N THIÕT KÕ DÇM CHUYÓN vµ C¸C VÊN §Ò THUéC VÒ CÊU T¹O Vµ THI C¤NG DÇM CHUYÓN TRONG §IÒU KIÖN VIÖT NAM 45 KÕT LUËN vµ kiÕn nghÞ 75 tµI liÖu tham kh¶o 77

danh mục các thuật ngữ, ký hiệu và chữ viết tắt

1 Các thuật ngữ

Dầm chuyển (Transfer beams hay Transfer girders): Dầm chuyển BTCT

là một loại dầm thờng có độ cứng và tiết diện hình học tơng đối lớn, có tác dụng thay đổi trạng thái làm việc của hệ kết cấu từ hệ dầm cột chịu lực sang

hệ dầm vách chịu lực hoặc hệ dầm cột nhng với số lợng cột phía trên dầm nhiều hơn số lợng cột phía dới dầm

Dầm cao (Deep beam): Dầm cao BTCT là dầm có tỉ số giữa nhịp và chiều

cao bé hơn hoặc bằng 2,5

2 Các ký hiệu

A Diện tích của riêng cốt thép sờn dầm

AS Diện tích của các thanh cốt thép chính chịu kéo

av Nhịp chịu cắt (khoảng cách từ mép tải đến mặt trong của

ft Độ bền kéo cắt của khối trụ bê tông

fy Độ bền chảy dẻo đặc trng của cốt thép không ứng suất

trớc

y Chiều cao tại đó thanh cốt thép sờn dầm điển hình giao

với vết nứt chéo, đợc thể hiện bằng nét chấm trên hình

α Là góc hợp bởi thanh cốt thép đang đợc xem xét với vết

Danh môc c¸c b¶ng B¶ng 3.1: øng suÊt ph¸p t¹i nót

B¶ng 3.2: B¶ng tÝnh chi tiÕt c¸c gi¸ trÞ

B¶ng 3.3: Lùc c¾t t¹i c¸c nót

B¶ng 3.4: ChuyÓn vÞ th¼ng t¶i c¸c nót

B¶ng 3.5: So s¸nh kÕt qu¶ gi÷a ph¬ng ph¸p gi¶i tÝch vµ m« h×nh PTHH

B¶ng 3.6: Mèi liªn hÖ gi÷a fcu vµ fy

Hình 1.2: Dầm chuyển của tòa nhà The Legacy at Millennium Park -

Chicago - Mỹ

Hình 1.3: Dầm chuyển của tòa nhà The Legacy at Millennium Park -

Chicago - Mỹ

Hình 1.4: Dầm chuyển kết nối với chu vi tờng bê tông - Tòa nhà Trump

International Hotel and Tower - Chicago - Mỹ

Hình 1.5: Vị trí giao nhau của các dầm chuyển - Tòa nhà Trump

International Hotel and Tower - Chicago - Mỹ

Hình 1.6: Dầm chuyển của tòa nhà Grand Street Hotel New York - Mỹ Hình 1.7: Dầm chuyển của tòa nhà Grand Street Hotel New York - Mỹ Hình 1.8: Dầm chuyển của tòa nhà Grand Street Hotel New York - Mỹ Hình 1.9: Dầm chuyển của tòa nhà ideo MORPH 38 - Bangkok - Thái Lan Hình 1.10: Công nhân đang thi công dầm chuyển - Tòa nhà Grand Hyatt

Kuala Lumpur - Kuala Lumpur - Malaysia

Hình 1.11: Lắp dựng hệ thống dàn đỡ dầm chuyển - Tòa nhà The Issara

Ladprao - Bangkok - Thái Lan

Hình 1.12: Công nhân đang lắp đặt cốt thép dầm chuyển - Tòa nhà The

Issara Ladprao - Bangkok - Thái Lan

Hình 1.13: Dầm chuyển tòa nhà Bộ Công An

Hình 1.14: Dầm chuyển tòa nhà Bộ Công An

Hình 1.15: Thi công dầm chuyển tòa nhà Donphin Plaza

Hình 1.16: Thi công dầm chuyển tòa nhà Donphin Plaza

Hình 1.17: Thi công dầm chuyển tòa nhà Donphin Plaza

Hình 1.18: Thi công dầm chuyển tòa nhà Donphin Plaza

Hình 2.1: Sự phá hoại do uốn

Hình 2.2: Biểu đồ phân bố ứng suất

Hình 2.3: Biểu đồ phân bố ứng suất tại tiết diện giữa và 1/4 nhịp

Hình 2.4: Quỹ đạo ứng suất

Hình 2.5: Sơ đồ tính toán khả năng chịu uốn cho dầm

Hình 2.6: Chế độ phá hoại A

Hình 2.7: Chế độ phá hoại B

Hình 2.8: Chế độ phá hoại C

Hình 2.9: Sơ đồ tính toán khả năng chịu cắt của dầm chuyển

Hình 2.10: ứng suất gối tựa ở phía trên gối tựa dài

Hình 2.11: Biểu đồ phân bố ứng suất ngang trong một mặt phẳng ở dới tải

trọng tập trung Q

Hình 2.12: Sự kết hợp của tải trọng tập trung và ứng suất uốn do tải trọng tập

trung

träng tËp trung t¹i 2 ®iÓm ë 1/4 nhÞp

H×nh 2.15: DÇm mét nhÞp H/L = 1.0 C/L = 1/20 ChÞu t¸c dông cña t¶i

träng tËp trung ë gi÷a nhÞp

H×nh 2.16: DÇm mét nhÞp H/L = 1.0 C/L = 1/20 ChÞu t¸c dông cña t¶i

träng tËp trung t¹i 2 ®iÓm ë 1/4 nhÞp

H×nh 2.17: DÇm mét nhÞp H/L = 4/3 C/L = 1/20 ChÞu t¸c dông cña t¶i

träng tËp trung ë gi÷a nhÞp

H×nh 2.18: DÇm mét nhÞp H/L = 4/3 C/L = 1/20 ChÞu t¸c dông cña t¶i

träng tËp trung t¹i 2 ®iÓm ë 1/4 nhÞp

H×nh 3.1: M« h×nh chèng - gi»ng trong dÇm cao

H×nh 3.8: Ph©n bè øng suÊt ph¸p t¹i tiÕt diÖn ngµm theo PP PTHH

H×nh 3.9: T¸c dông cña ngÉu lùc

PHầN Mở đầu

1 Mục đích nghiên cứu

Do hiện nay ở Việt Nam cha có tiêu chuẩn hay hớng dẫn kỹ thuật chính thức nào về tính toán và thiết kế dầm chuyển (dầm cao) bê tông cốt thép, bê tông ứng lực trớc, bê tông cốt cứng trong các công trình cao tầng dân dụng, việc thiết kế thờng đợc tính toán với hệ số an toàn tổng thể lớn hoặc theo các tài liệu kỹ thuật chuyên ngành của nớc ngoài Vì vậy, đề tài luận văn này sẽ tập trung làm rõ về khả năng chịu lực và sự ứng xử của dầm chuyển khi chịu tải trọng lớn (ví dụ: khi sử dụng dầm hay sàn chuyển đỡ các cột, vách và các cột vách này đỡ nhiều tầng ở phía trên dầm hay sàn chuyển) Trên cơ sở đó, kiến nghị phơng pháp tính toán và thiết kế loại dầm này trong điều kiện Việt Nam (theo Tiêu chuẩn Bê tông Cốt thép hiện hành)

2 Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

Các nhiệm vụ chính của đề tài là:

Làm rõ khi nào phải sử dụng dầm chuyển trong kết cấu bê tông cốt thép cao tầng dân dụng (giải pháp kết cấu dầm chuyển đợc sử dụng thích hợp hơn

so với kết cấu dàn, vòm hoặc kết cấu dầm có thêm gối đỡ ở giữa, trên cơ sở cân nhắc các yếu tố kiến trúc công năng sử dụng, kinh tế và kỹ thuật của công trình)

Làm rõ khả năng chịu lực (uốn, cắt) ở trạng thái giới hạn thứ nhất (độ bền hay cực hạn) và ở trạng thái giới hạn thứ hai (giới hạn sử dụng: võng, nứt) của dầm chuyển khi chịu tải trọng lớn

Làm rõ về vấn đề bố trí cốt thép chịu uốn, chịu cắt Ngoài ra cần lu ý một

số vấn đề khác về cấu tạo dầm và các vấn đề khi đổ bê tông với dầm có chiều cao lớn từ 2m trở lên hoặc tại khu vực bố trí cốt thép quá dày

Kiến nghị phơng pháp tính toán và thiết kế dầm chuyển căn cứ theo Tiêu chuẩn Bê tông Cốt thép hiện hành của Việt Nam, cấp độ bền bê tông, mác thép và cách lựa chọn hệ số độ tin cậy của vật liệu (hệ số an toàn riêng của vật liệu) hợp lý.

3 Phạm vi và phơng pháp nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu sự ứng xử của dầm chuyển bê tông cốt thép thờng Phơng pháp nghiên cứu là phơng pháp lý thuyết (giải tích kết hợp với mô hình bằng phơng pháp phần tử hữu hạn), tìm hiểu và sử dụng các kết quả thực nghiệm và mô hình phá hoại cũng nh các phơng pháp tính toán đã đợc công nhận và ứng dụng ở nớc ngoài, từ đó kiến nghị chấp nhận áp dụng trong điều kiện Việt Nam với các hệ số an toàn riêng của vật liệu bê tông và cốt thép phù hợp

Chơng 1 Tổng quan về dầm chuyển và áp dụnG dầm chuyển

trong xây dựng 1.1 Lý do sử dụng dầm chuyển trong kết cấu nhà cao tầng

Các tòa nhà cao tầng hiện nay tại các đô thị lớn nh Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, do mặt bằng không lớn nên có công năng là sự kết hợp của nhiều dịch vụ khác nhau Các khu dới của tòa nhà thờng đợc sử dụng làm bãi đậu xe, trung tâm thơng mại, phòng họp, vờn treo hoặc các không gian mở cho những chức năng theo yêu cầu của chủ đầu t, trong khi đó ở các tầng phía trên thờng

là các căn hộ và văn phòng với hệ kết cấu cột vách phân chia không gian sử dụng Với cấu trúc không giản mở ở phía dới và hệ kết cấu cột vách ở phía trên, đòi hỏi phải có một kết cấu chuyển vợt nhịp lớn giữa khu trên và khu dới của tòa nhà cao tầng Các kết cấu chuyển này cho đến nay đợc chấp nhận sử dụng do yêu cầu kiến trúc mặc dù về mặt kết cấu giải pháp dầm chuyển có thể không thích hợp nếu xét đến tính đều đặn theo chiều cao nhà hay trên mặt bằng khi chịu tải trọng động đất

Kết cấu chuyển có thể đợc hiểu nh là một kết cấu chịu uốn/cắt có khả năng vợt nhịp lớn, dùng để chịu tải trọng từ cột hay vách tác dụng ở phía trên sau đó phân phối lại chúng và truyền xuồng hệ kết cấu cột phía dới Trong nhà cao tầng hệ kết cấu chuyển có thể ở dới dạng dầm chuyển, giàn, vòm hay dầm

có thêm gối đỡ ở giữa

Do yêu cầu kết cấu chuyển phải có khả năng vợt nhịp và chịu tải trọng lớn từ trên truyền xuống nên loại kết cấu này thờng có độ cứng và kích thớc hình học (chiều cao, bề rộng tiết diện) lớn hơn so với các kết cấu truyền thống

Đối với kết cấu chuyển dới dạng là vòm hay dầm có thêm gối đỡ ở giữa

khi sử dụng sẽ gây chia cắt không gian ở phía bên trong nhà, không đáp ứng

đợc yêu cầu về công năng sử dụng và tính thẩm mỹ

Còn với kết cấu chuyển ở dạng giàn thép với u điểm là khả năng vợt đợc nhịp lớn, nhng để chịu đợc tải trọng lớn thì cần phải có một hệ kết cấu giàn với kích thớc rất lớn mặt khác để thiết kế và thi công với một kết cấu giàn lớn

nh vậy là hết sức phức tạp, dẫn đến chi phí đầu t cao không mang lại hiệu quả

về kinh tế

Vì vậy, trên thực tế ngời ta thờng dùng kết cấu chuyển là dầm chuyển bê tông cốt thép (BTCT) cho nhà cao tầng

1.2 Tổng quan về dầm chuyển

1.2.1 Khái niệm về dầm chuyển (Transfer beams hay Transfer girders)

Dầm chuyển BTCT là một loại dầm thờng có độ cứng và tiết diện hình học tơng đối lớn, có tác dụng thay đổi trạng thái làm việc của hệ kết cấu từ hệ dầm cột chịu lực sang hệ dầm vách chịu lực hoặc hệ dầm cột nhng với số lợng cột phía trên dầm nhiều hơn số lợng cột phía dới dầm

1.2.2 Lý thuyết tính toán

Cấu kiện dầm chịu uốn đợc nghiên cứu và tính toán với hai thông số đặc trng: chiều cao tiết diện và nhịp dầm Theo quan điểm cơ học thì chiều cao của dầm cha phản ánh đầy đủ bản chất sự làm việc của cấu kiện này Sự làm việc của dầm (dầm thông thờng hay dầm cao) thờng căn cứ vào tỷ lệ giữa chiều cao và nhịp của dầm hoặc tỷ số giữa nhịp chịu cắt của dầm (khoảng cách từ gối tựa đến điểm đặt lực tập trung) với chiều cao tiết diện dầm

Trong cấu kiện BTCT đối với cấp tải trọng thông thờng, tiết diện hình học của dầm đợc lựa chọn sơ bộ thông qua tỷ lệ giữa chiều cao và nhịp của dầm thờng khoảng từ 1:12 đến 1:08 đối với dầm chính và 1:20 đến 1:12 đối

với dầm phụ Các dầm này đợc xem là dầm thông thờng và việc tính toán loại cấu kiện này đợc tiến hành theo các lý thuyết quen thuộc của kết cấu BTCT, dựa trên cơ sở chấp nhận một số giả thiết của sức bền vật liệu

Nh đã đề cập, kết cấu dầm chuyển có các đặc điểm là chịu tác dụng của tải trọng lớn, chiều cao dầm là khá lớn Điều này có nghĩa là tỷ lệ giữa chiều cao tiết diện và nhịp của dầm là nhỏ Với loại dầm này thì giả thiết về tiết diện phẳng không còn thích hợp Hệ quả kéo theo là sự phân bố ứng suất và biến dạng trên mặt cắt dầm có những thay đổi khác hẳn so với kết cấu dầm chịu uốn thông thờng Đây là điểm khác biệt cơ bản của kết cấu dầm chuyển

Vì những lý do này mà phơng pháp tính toán dầm chuyển (transfer beam) đợc dựa trên lý thuyết của tính toán của dầm cao (deep beam) và đã đợc chấp nhận, áp dụng trong tiêu chuẩn thiết kế của một số nớc trên thế giới (CIRIA Guide 2, ACI 318, Eurocode 2, CEB-FIP, CAN3-A23.3-M84) Vì vậy, trong luận văn này, việc tính toán thiết kế dầm chuyển BTCT có thể hiểu

là tính toán thiết kế dầm cao BTCT

1.2.3 Lịch sử phát triển lý thuyết tính toán dầm cao (Deep beam)

Lý thuyết tổng quan về tính toán dầm cao BTCT đã đợc trình bày và tổng kết bởi Albritton (1965), Hiệp hội Xi măng và Bê tông (C&CA 1969), Hiệp hội Nghiên cứu và Thông tin Công nghệ Xây dựng (CIRIA 1977) Sau đó đã

đợc nghiên cứu bổ sung bởi Tang và Wong (1987), Chemrouk (1988) Những nghiên cứu đầu tiên này, đã chỉ ra rằng hầu hết các dầm cao làm việc trong giai đoạn đàn hồi Tất nhiên, ngày nay các nghiên cứu dựa trên mô hình đàn hồi dễ dàng đợc thực hiện bằng phơng pháp sai phân hữu hạn và phần tử hữu hạn (Coates và cộng sự 1988, Zienkiewicz và Taylor 1989) Tuy nhiên, một bất lợi quan trọng của nghiên cứu dựa trên mô hình đàn hồi là các giả thiết về vật liệu đồng chất, đẳng hớng và tuân theo định luật Hooke Do đó khó có h-

ớng dẫn đầy đủ cho việc thiết kế thực tế [16].

Vì vậy, cần phải tiến hành các nghiên cứu có xét đến trạng thái phi đàn hồi (đặc biệt là các dạng hay cơ chế phá hoại) của dầm cao trong đó cách nghiên cứu tốt nhất là nghiên cứu thực nghiệm Trong những thập niên 1960,

hệ thống có thể thí nghiệm đến tải trọng giới hạn đợc thử nghiệm bởi Paiva & Siess (1965) và Loenhardt & Walther (1966) Những thử nghiệm này đã đạt đ-

ợc một bớc tiến lớn trong nghiên cứu về dầm cao [16]

Hình 1.1: Thí nghiệm trên một dầm cao lớn (Kông & Kubik 1991) [16]

Trong cuối những năm 1960 của thế kỷ trớc một chơng trình dài hạn đã

đợc khởi xớng bởi GS.Kong và hiện vẫn tiếp tục đợc nghiên cứu tại Đại học Newcastle upon Tyne (nơi GS Kong làm việc), thí nghiệm phá hoại đã đợc thực hiện trên hơn 490 dầm cao, trong đó bao gồm các mẫu dầm có trọng lợng

4,5 T (Hình 1.1) và các dầm có độ mảnh lớn với tỷ lệ chiều cao (h)/chiều rộng

dầm (b) (hay h/b) lên đến 67 (Kong và cộng sự 1986, Kong & Kubik 1991) [16]

Các giải pháp của vấn đề dầm cao sử dụng khái niệm dẻo đã đợc báo cáo bởi Nielsen (1971), Braestrup & Nielsen (1983) Nghiên cứu của Kong và Robins năm 1971 đã chỉ ra rằng cốt thép bố trí xiên trong sờn dầm đã đạt hiệu quả đối với dầm cao Điều này cũng đã đợc khẳng định thêm bởi Kong và Singh (1972) Kong và cộng sự (1972a), ngời cũng đã đề xuất một phơng pháp

so sánh sự ảnh hởng của số lợng các loại cốt thép trong sờn dầm (Kong và cộng sự 1972b.) [16]

Năm 1973 Kong và Sharp đã tìm ra cờng độ và cách thức phá hoại của dầm cao có thêm lỗ mở, từ đó họ đã đề xuất ra công thức tính toán tải trọng giới hạn, sau đó đã đợc chỉnh sửa lại vào những năm 1977 và 1978 Cũng trong năm 1973 Robins và Kong sử dụng phơng pháp phần tử hữu hạn dự

đoán tải trọng giới hạn và sự hình thành các vết nứt trong dầm cao, đến năm

1977 Taner và cộng sự đã chỉ ra rằng phơng pháp phần tử hữu hạn sẽ cho kết quả tốt nhất khi áp dụng cho dầm cao có cánh [16]

Đến năm 1974 Kong và Singh đã nghiên khả năng làm việc và sự phá hoại của dầm cao dới tác dụng của tải trọng lặp [16]

Năm 1982 Garcia là một trong những ngời đầu tiên thực hiện các thí nghiệm về sự mất ổn định trên một loạt các dầm cao bê tông có độ mảnh lớn, sau đó đã đợc Kong và cộng sự tiếp tục thí nghiệm vào năm 1986 [16]

Năm 1987 Mau và Hsu áp dụng các lý thuyết mô hình giàn để tính toán cho dầm cao [16]

Năm 1988 Kotsovos đã nghiên cứu toàn diện dầm cao với nguyên nhân

1.3.2 Một số công trình sử dụng kết cấu dầm chuyển

a Trên thế giới.

Trên thế giới dầm chuyển BTCT đợc sử dụng nhiều ở các thành phố lớn

nh Mỹ, Hong Kong, Malaysia, Singapore, Bangkok (Thái Lan) v.v Dới đây là hình ảnh một số kết cấu dầm chuyển BTCT đợc thi công ở Chicago (Mỹ, Hình 1.1 - 1.5), ở New York (Hình 1.6 - 1.8), ở Malaysia (Hình 1.9) và ở Bangkok (Hình 1.10 - 1.12) Có thể nói, dầm chuyển thờng đợc sử dụng khi vợt các không gian lớn trong các tòa nhà đa chức năng [20]

H×nh 1.2: DÇm chuyÓn cña tßa nhµ The Legacy at Millennium Park -

Chicago - Mü [20]

H×nh 1.3: DÇm chuyÓn cña tßa nhµ The Legacy at Millennium Park -

Chicago - Mü [20]

H×nh 1.4: DÇm chuyÓn kÕt nèi víi chu vi têng bª t«ng - Tßa nhµ Trump

International Hotel and Tower - Chicago - Mü [20]

H×nh 1.5: VÞ trÝ giao nhau cña c¸c dÇm chuyÓn - Tßa nhµ Trump

International Hotel and Tower - Chicago - Mü [20]

H×nh 1.6: DÇm chuyÓn cña tßa nhµ Grand Street Hotel

New York - Mü [20]

New York - Mü [20]

H×nh 1.9: C«ng nh©n ®ang thi c«ng dÇm chuyÓn - Tßa nhµ Grand Hyatt Kuala

Lumpur - Kuala Lumpur - Malaysia [20]

Hình 1.10: Dầm chuyển của tòa nhà ideo MORPH 38

Bangkok - Thái Lan [20]

Hình 1.11: Lắp dựng hệ thống dàn đỡ dầm chuyển - Tòa nhà The Issara

Ladprao - Bangkok - Thái Lan [20]

Hình 1.12: Công nhân đang lắp đặt cốt thép dầm chuyển - Tòa nhà The

Issara Ladprao - Bangkok - Thái Lan [20]

b ở Việt Nam

Có thể nói hệ dầm chuyển thuộc lớp đầu tiên đợc áp dụng trong tòa nhà của Khách sạn Melia Hà Nội năm 1997 Khi bố trí khu hội trờng, nhà hàng ở tầng 1 và 2 của khu phức hợp khách sạn - văn phòng T vấn thiết kế đã sử dụng

hệ dầm chuyển (transferring girders) Tòa nhà này đã sử dụng giải pháp sàn phẳng BTCT, lõi cứng và hệ dầm chuyển ở tầng 1 và 2 cho khu hội trờng Tại thời điểm này các dạng kết cấu còn ít đợc sử dụng ở nớc ta

Năm 2003, tòa nhà 34 tầng đợc khởi công xây dựng tại Khu đô thị Trung Hoà - Nhân Chính cũng sử dụng giải pháp kết cấu dầm chuyển Toà nhà 34 tầng là toà nhà cao nhất hiện nay (tòa nhà Keang Nam và một số tòa khác cao hơn nhng đang thi công) tại Hà Nội với chiều cao 136m, diện tích xây dựng 3500 m2, tổng diện tích xây dựng 80000 m2 Trong đó có 1 tầng hầm diện tích 5000 m2, 2 tầng dịch vụ văn phòng có diện tích 6000 m2, 31 tầng ở

với diện tích xấp xỉ 60000 m2 và 1 tầng nhà hàng đợc bố trí tại tầng 34 Đây là công trình siêu cao tầng (hơn 100 m) đầu tiên, vì vậy từ khâu thiết kế đến khâu thi công giám sát chất lợng đều phải tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng cho dự án nghiêm ngặt Dầm chuyển đợc đặt ở tầng kỹ thuật với kích th-

ớc chiều rộng b=1800-:-2700mm, chiều cao h=2150mm, sàn dày 300mm Khối lợng bêtông >3500m3, dầm sàn bê tông liền khối đổ một lần không để mạch ngừng

Công trình: Trụ sở Bộ công an đang đợc xây dựng trên đờng Phạm Hùng, Hà Nội cũng dùng giải pháp kết cấu dầm chuyển Kết cấu của công trình là kết cấu thép, do đó, dầm chuyển cũng đợc làm bằng kết cấu thép Hình 1.13 đến 1.14 dầm chuyển tòa nhà Bộ Công An [20]

Hình 1.13: Dầm chuyển tòa nhà Bộ Công An [20]

Hình 1.14 Dầm chuyển tòa nhà Bộ Công An [20]

Công trình: Toà nhà cao cấp WESTA cao 28 tầng và 3 tầng hầm; Địa

điểm xây dựng: Khu đô thị Mỗ Lao Hà Đông Hà Nội; Chủ đầu t: Công ty cổ phần cơ khí xây dựng số 18 ( COMA 18) đợc thiết kế năm 2009 (Đơn vị thiết kế: Trung tâm T vấn Kiến trúc và Đầu t Xây dựng) Dầm chuyển có kích thớc 1x1m, vợt nhịp 8,1m đặt ở tầng 2 (cao độ +3,550m), dầm này có tác dụng đỡ

hệ vách tăng cứng cho khung biên của nhà

Công trình: 29T2 cụm nhà ở cao tầng hỗn hợp xây dựng trên lô N05, khu

đô thị đông nam đờng Trần Duy Hng (Cầu Giấy, Hà Nội) cũng sử dụng giải pháp kết cấu dầm chuyển Dầm chuyển đợc thiết kế ở tầng kỹ thuật có cao độ +25,200 kích thớc bxh là 1400x2050, 890x1400 và 1200x1650

Công trình: Chung c cao tầng 16B Nguyễn Thái Học, Hà Đông, Hà Nội cao 28 tầng và 2 tầng hầm; Chủ đầu t: Công ty xây dựng 319 Bộ Quốc Phòng; (Đơn vị thiết kế: Công ty Cổ phần T vấn Đô thị Việt Nam -VINACITY) Hệ dầm chuyển có tiết diện 1x1m, vợt nhịp 10,7m đợc đặt ở tầng 03 (cao độ

+10,800m)

Công trình: Toà nhà Donphin Plaza gồm 4 toà tháp cao 28 tầng, chia thành 2 khối, đợc nối với nhau bởi khối đế 3 tầng; Địa điểm xây dựng: 28 Trần Bình, Mỹ Đình, Từ Liêm, Hà Nội; Chủ đầu t: Công ty cổ phần TID đợc thiết kế bởi Công ty t vấn DP Architects - DPA (Singapore) và Công ty T vấn

Đại học Xây dựng Hà Nội Dầm chuyển ứng lực trớc có chiều cao 3m vợt nhịp lớn nhất là 28,4 m đặt ở sàn tầng 4 (cao độ +32,125m) Hình 1.15 đến 1.18 công nhân đang hoàn thiện phần bê tông dầm chuyển [20]

Hình 1.15: Thi công dầm chuyển tòa nhà Donphin Plaza [20]

H×nh 1.16: Thi c«ng dÇm chuyÓn tßa nhµ Donphin Plaza [20]

H×nh 1.17: Thi c«ng dÇm chuyÓn tßa nhµ Donphin Plaza [20]

Hình 1.18: Thi công dầm chuyển tòa nhà Donphin Plaza [20]

ở thành phố Hồ Chí Minh, nhiều công trình sử dụng hệ dâm - sàn chuyển, ví dụ nh dự án Kenton do Singapore thiết kế v.v

Nh vậy, có thể nói dầm chuyển BTCT đã và đang đợc sử dụng rộng rãi ở nớc ta Tuy nhiên, việc tính toán thiết kế do T vấn nớc ngoài thực hiện hoặc do

T vấn trong nớc thiết kế nhng phải tham khảo các tiêu chuẩn kỹ thuật nớc ngoài Vì vậy, nghiên cứu khả năng chịu lực và sự ứng xử của dầm chuyển là cần thiết Từ đó kiến nghị quy trình tính toán có thể áp dụng trong điều kiện Việt Nam sẽ có ý nghĩa khoa học và ứng dụng

Chơng 2 NGHIÊN CứU KHả NĂNG CHịU LựC Và Sự ứng xử của dầm

chuyển (DầM CAO)

Các nghiên cứu trớc đây về dầm BTCT đều dựa trên lý thuyết đàn hồi và

sử dụng các giả thiết vật liệu là đồng chất, đẳng hớng và tuân theo định luật Hooke Nhng về sau các giả thiết này ngày càng trở nên không hợp lý đối với kết cấu BTCT đặc biệt là dầm chuyển (dầm cao) sau khi xuất hiện vết nứt, những kết quả thu đợc đã làm rõ sự khác biệt sự ứng xử giữa dầm thông thờng

và dầm chuyển (dầm cao) Có thể thấy rằng phân bố ứng suất trên tiết diện và khả năng chịu lực của loại dầm này khác so với dầm thông thờng

Các phơng pháp truyền thống đối với dầm thông thờng chịu uốn, chịu cắt khó có thể áp dụng đối với dầm cao có tỉ số giữa nhịp và chiều cao bé hơn hoặc bằng 2,5 do có sự phụ thuộc và tác động lẫn nhau của ứng suất pháp theo phơng dọc dầm và theo phơng thẳng đứng cũng nh ảnh hởng của ứng suất tiếp

do lực cắt gây ra (bài toán phẳng của lý thuyết đàn hồi)

Phân tích đàn hồi đã cho thấy những đặc điểm quan trọng sau đây của sự phân bố ứng suất trong dầm chuyển (dầm cao):

- Giả thiết tiết diện phẳng của dầm có thể không thỏa mãn đối với dầm

cao

- Có một vùng chịu ứng suất lớn hai trục tại vị trí gối tựa và đặc biệt là ở

bề mặt của gối tựa

- Chiều cao hiệu dụng của dầm cao đợc xác định căn cứ vào giá trị nhỏ nhất giữa chiều cao dầm (h) và nhịp dầm (l) Trong trờng hợp nhịp dầm l nhỏ hơn chiều cao dầm h thì các phần của dầm ở phía trên chiều cao hiệu dụng chỉ

nh là một bức tờng chịu tải, và không đóng vai trò trong việc đỡ tải giữa các gối tựa

- Việc truyền lực cắt của các tải trọng tới gối tựa diễn ra trong nửa dới của dầm Tuy nhiên, lực cắt ở trên mặt phẳng thẳng đứng gần gối tựa đợc xem xét cùng với ứng suất trực tiếp cái mà tồn tại trong phần diện tích này, để có

đợc ứng suất kéo chính tới hạn ứng suất kéo chính gần nh nằm ngang gần gối tựa

- Biến dạng dọc do cắt trong dầm chuyển (dầm cao) là lớn so với biến dạng uốn, do đó đóng vai trò nhiều hơn đối với tổng biến dạng và lớn hơn đối với trờng hợp dầm thấp

- Một xu hớng đối với lực gây ra nứt phát sinh dới tác dụng của tải tập trung và phía trên gối tựa xảy ra thờng xuyên hơn đối với dầm chuyển (dầm cao), nơi ứng suất dọc có thể lớn hơn và hình dạng của ứng suất kéo dới tác dụng của tải trọng tập trung không bị giảm bởi ứng suất nén do uốn

- Dầm chuyển (dầm cao) thờng có vết nứt xuất hiện khá sớm, thông ờng vết nứt đầu tiên xuất hiện khi tải trọng đạt từ 1/3 đến 1/2 giá trị cực hạn của tải trọng

th ứng suất kéo chính theo phơng ngang tại mép dới của dầm chuyển (dầm cao) có giá trị hầu nh không thay đổi tại gối này tới gối kia của dầm

- Các vết nứt xuất phát từ đáy dầm phát triển lên có xu thế chụm vào

điểm giữa mép trên của dầm, vết nứt xiên đầu tiên xuất phát từ mép gối dầm

Có 4 dạng phá hoại chính đợc xác định nh sau:

(1) Phá hoại do uốn.

(2) Phá hoại do cắt.

(3) Phá hoại gối tựa.

(4) Phá hoại cục bộ (nén vỡ) ngay dới khu vực đặt tải trọng tập trung.

2.1.1 Phá hoại do uốn

Phá hoại do uốn của dầm chuyển (dầm cao) BTCT là dạng phá hoại không đàn hồi (dẻo) Sự phát triển các vết nứt theo chiều dọc xuất phát từ bụng dầm và dần lên phía trên, cùng với sự gia tăng tải trọng trên hầu hết chiều cao hiệu quả (Hình 2.1) Sự phá hoại thông thờng xảy ra do cốt thép bị kéo đứt hoặc bị chảy dẻo, rất hiếm trờng hợp do bê tông vùng nén bị phá hoại [17]

Hình 2.1: Sự phá hoại do uốn [17]

Hệ số cánh tay đòn (khoảng cách từ trọng tâm cốt thép chịu kéo đến trọng tâm bê tông vùng nén) do uốn đợc đa ra trong quy định (phần sau) là dựa trên sự phân bố ứng suất đàn hồi trớc khi nứt Các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết cho thấy, một điều cần chú ý là yếu tố hệ số cánh tay đòn không bị ảnh hởng bởi các loại tải và vị trí đặt tải trọng [17]

a Sự phân bố ứng suất trên tiết diện dầm

l

Trục trung hòa

x

Trục trung hòa

Biểu đồ phân bố ứng suất của dầm

thờng Biểu đồ phân bố ứng suất của dầm chuyển (dầm cao)

Hình 2.2: Biểu đồ phân bố ứng suất

Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng dầm chuyển (dầm cao) BTCT làm việc hoàn toàn khác với dầm BTCT thông thờng Trong giai đoạn đàn hồi ứng suất theo phơng ngang trong bê tông tại các tiết diện phân bố theo quy luật phân bố phi tuyến khá phức tạp (Hình 2.2) [17]

Hình 2.2 cho thấy sự phân bố ứng suất do uốn tại tiết diện giữa nhịp so sánh với sự phân bố ứng suất tuyến tính, ta thấy trục trung hòa đợc hạ thấp xuống, có một đỉnh cao của ứng suất kéo và khu vực chịu nén đợc tăng lên [17]

Hình 2.3 cũng cho thấy sự phân bố ứng suất chịu kéo ở mép biên kéo lớn hơn nhiều so với mép biên chịu nén, giá trị ứng suất kéo tại mép biên dới của dầm thay đổi không nhiều tại tiết diện giữa và ở một phần t nhịp [11]

Hình 2.3: Biểu đồ phân bố ứng suất tại tiết diện giữa và 1/4 nhịp [11]

Những phân tích đàn hồi đối với dầm cao ở trạng thái cha nứt chỉ có ý nghĩa trớc khi hình thành vết nứt Trong một dầm cao, sự hình thành vết nứt sẽ xuất hiện khi tải trọng đạt 1/3 – 1/2 giá trị tải trọng cực hạn (giới hạn) Sở dĩ cấu kiện dầm cao hình thành vết nứt sớm là do ứng suất chịu kéo tại mép dới của dầm có giá trị lớn và phát triển nhanh [11]

Sau khi các vết nứt phát triển, sự phân bố lại các ứng suất chính là cần thiết vì có thể không có lực kéo ngang qua vết nứt Kết quả phân tích đàn hồi

là mối quan tâm chủ yếu vì chúng thể hiện sự phân bố các ứng suất gây ra vết nứt và đa ra các chỉ dẫn về hờng cho vết nứt và dòng lực sau khi nứt [11]

Trong hình 2.4 các đờng nét đứt là quỹ đạo ứng suất nén song song với ớng của ứng suất nén chính và các đờng liền nét là quỹ đạo ứng suất kéo song song với các ứng suất kéo chính Các vết nứt dự báo xuất hiện vuông góc với các đờng liền nét (phơng của ứng suất kéo chính), tức là xuất hiện theo phơng của ứng suất nén chính Trong một số trờng hợp khe nứt cũng có thể xuất hiện thẳng đứng hoặc nghiêng khi dầm bị phá hoại do lực cắt [5,11]

h-l h

Hình 2.4: Quỹ đạo ứng suất [5,11]

Cũng từ hình vẽ trên nhận thấy quỹ đạo ứng suất kéo chính và ứng suất nén chính dày hơn tại vị trí gối biên của dầm, tức là phản ánh sự tập trung ứng suất nén chính tại gối dầm Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng quỹ đạo ứng suất phù hợp với trạng thái đàn hồi trớc khi vết nứt xuất hiện Tuy nhiên, sự xuất hiện của vết nứt do quá tải lại phá vỡ dạng điệu tuyến tính đàn hồi của dầm [11]

b Sự hình thành và phát triển vết nứt

Việc phân tích dầm cao BTCT ngay cả trong giai đoạn cha hình thành vết nứt cũng là bài toán phức tạp Giai đoạn cha hình thành vết nứt không hoàn toàn đồng nghĩa với giai đoạn đàn hồi Giai đoạn cha có vết nứt đợc hiểu là cha xuất hiện các vết nứt ở vùng mép dới dầm Trong thực tế các vết nứt nhỏ

có thể xuất hiện tại một số vùng tập trung ứng suất

Tại một số vùng tập trung ứng suất và một số vùng khác nh tại mép trên giữa dầm có thể xuất hiện các biến dạng dẻo Trong khi xem xét bài toán loại này thông thờng cần phải sử dụng các giả thiết để bài toán trở nên đơn giản

ở dầm cao nh đã nói ở trên, các mặt phẳng tiết diện dọc dầm không tuân theo giả thiết về tiêt diện phẳng Từ hình vẽ sự phân bố ứng suất trong dầm cao cho thấy dòng ứng suất phát triển lan ra một khoảng cách tơng đối lớn theo phơng dọc dầm Điều này chỉ ra sự phân bố tải trọng xuống các gối đỡ đ-

ợc thực hiện ở nửa dới của dầm Từ hình 2.4 cũng có thể nhận thấy rằng ứng suất kéo chính hầu nh là nằm ngang [11]

Vết nứt do uốn kéo dài có xu hớng tăng kích thớc cánh đòn và giảm diện tích bê tông vùng nén, đặc biệt tại vùng giữa nhịp của dầm Độ lệch từ dạng

điệu tuyến tính đàn hồi trở nên lớn hơn cùng với sự lớn hơn của kích thớc và

số lợng của các vết nứt Leonhardt (1970) đã chỉ ra rằng vết nứt hoàn toàn có thể kiểm soát đợc và dầm có thể giữ đợc trạng thái đàn hồi thông qua việc bố trí cốt thép phù hợp triệt tiêu ứng suất kéo, nguyên nhân làm mở rộng vết nứt [11]

c Tính toán khả năng chịu uốn

- Mômen kháng giới hạn (độ bền chịu uốn giới hạn) của dầm chuyển (dầm cao) đợc xác định theo công thức sau [15]: