BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BAO CAO TONG KET
DE TAI KHOA HOC VA CONG NGHE CAP TRUONG TRONG DIEM
NGHIÊN CỨU THIET KE TOI UU DAM LIÊN HỢP THÉP-BÊ TÔNG CÓT THÉP THEO TIÊU CHÍ GIÁ THÀNH
Mã số: 108-2012/KHXD-TĐ
Chủ nhiệm đề tài: Ts Vũ Anh Tuấn
Hà Nội, ./201
Trang 2
BO GIAO DUC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BAO CAO TONG KET
DE TAI KHOA HOC VA CONG NGHE CAP TRUONG TRONG DIEM
Trang 3
BQ GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI HOC XAY DUNG
BAO CAO TONG KET
DE TAI KHOA HOC VA CONG NGHE CAP TRUONG TRONG DIEM
NGHIEN CUU THIET KE TOL UU DAM LIEN HOP
THEP-BE TONG COT THEP THEO TIÊU CHÍ GIÁ THÀNH
Mã số: 108-2012/KHXD-TĐ
Xác nhận của cơ quan chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài
Trang 4BAO CAO TONG KET
DE TAI KHOA HOC VA CONG NGHE CAP TRUONG TRONG DIEM
NGHIEN CUU THIET KE TOL UU DAM LIEN HOP THEP-BE TONG COT THEP THEO TIEU CHi GIA THANH
(Mã số: 108-2012/KHXD-TĐ)
Danh sách những thành viên tham gia nghiên cứu đề tài:
Chủ nhiệm đề tài: Ts Vũ Anh Tuấn
Tham gia: Ths Hàn Ngọc Đức
Ths Nguyễn Quốc Cường
Ks Nguyễn Như Hoàng Danh sách đơn vị phối hợp chính:
Công ty Tư vấn Đại học Xây dựng
Trang 5Mục lục Danh mục hình vẽ Danh mục bảng Danh mục viết tắt Mở đầu I H Chương I Giới thiệu về kết cầu liên hợp
Ll VWAt LIGU cs sssezecessapnseanwenresvcstvevesencescovnssessnsennernennensesneeneencenndnumoiatieanyianeeireanisy 15
1.2 Hình dạng tiết diện liên hợp cccceiererrererrrrrrrrdrrrrrie 16
13 Sự hình thành kết cầu liên hợp s:scccstrreterrerieie 18
H §irifarnnin s7
II.1.] Bộ tiêu chuân Châu Âu (furocod€§): à ccccccserrerrrrrrrrrrrrrre 22
II.1.2 Phương pháp tính toán (Limit state designi) ccccecererererrrrrrrete 22
II.1.3 — Tổ hợp tải trọng -ecccririeehhrherdrrrdrrrrrdrrtrrdrtrdtrrrrrdtrtrriir 23 Chương ÍÍ .eeecccccccccccsererrrrrerrrerrrtrttrttrretrtrirtrrtrrtetritrirrrrrrritirdtrrterrtrrtrrrrrrrrre 24
I Bê (ông, <1 01.10110010100001110101000001n0nn 24 Ll Quy dinh cua Eurocode 2 va Furocode  S11 110 v11 k1 1 1H kg dt 24 IL.1.] Các loại cường độ [1.2 Cường độ tính tốn của bê tơng II Cốt Thép Il Thép thank .cssceecccccessceseceeecesresneenesseesneesssenscnneensenneenscsseessessseseeecgnenengens 26 1.2 Thép 26 IL3 Tôn định hình bằng thép của sản liên hợp - - scccccccerererrrrrrrre 26 Chương TH .-s-c<5ssccserrerrerrsrertttrtrttttri terrtrirriirirrrrrrrilititrrttrrrrrrrrrtrrrrre 27
I Kiếm tra theo TTGH 1
Trang 6
Lil Chiều rộng tham gia làm việc của {Ấm Sàn -c-ccccccsrererrrrerrrrrtrrtrrrirrrrrrrdte 27
1.1.2 Phân loại tiết diện ngang
I.1.3 Các giả thiết khi tính dầm liên hợp theo TTGHIL -e-eeeeereeeeeerereeree 29
1.2 Kiểm tra tiết diện chịu UIỐN vu 252cc crrrererrrrrrrdre -
1.2.1 Trường hợp dầm tổ hợp tiết diện chữ 1 đối xứng -: -++ttttttnrrrerrrerrrrre 30
2:2 Trường hợp dầm tổ hợp tiết diện chữ 1 không đối xứng: . -ecceeeerreerree 32
1.3 Kiếm tra tiết điện chịu ˆ¬"ẽ `
II Kiểm tra theo TTGH2
II.I Kiểm tra độ võng csscceererrrrererrrrrrrriirrlrtndrifttt
H.2 Tính toán độ võng của đầm đơn giản c-ceeeeeerrrrtridtrrtrredtrrrrrrdre 35
Hh Liên kết trong kết cấu liên hợp
HI.2 Sức bền tính toán của liên kết truyền tHỐN s6 2y2seeeieesereieriod0260728) 36
IIL2.I Chết hàn có mũ trong tắm sàn đặc
IIL2.2 — Chốt hàn có mũ trong tấm sản liên hợp -eeeeeerrrrrrerrrrrrtrrtrrrrrre 37
WS Thiết kế liên kết của dầm đơn gian
Chương IV
| Tổng quan về tối ưu kết cầu TU eeaesrerrrrrrrrrrrrerrrree3
II Thuật toán tiễn hóa
I1 Thuật toán tiến hóa vi phân (Differential Evolution - DẾ)- eieiirrde 44 IV Chương trình tối ưu dựa trên thuật toán DĨ eeceeeeeerrrrrtrsertrrdrtrrenrdrrirr 45 Chuong V I 'Tếi ưu trọng hrong dam LHT-BT si dung dầm thép I d6i xing ve 47 LÍ Biến số thiết kế
Trang 7H.I Biến số thiết kế 12 Hàm mục tiêu -csccrrerthhhrrrereeirrerrr.errrreririieirrrrrrn1400007080008 51 H.3 Điều kiện ràng buộc ccccecerrrrrtrrrrdetrrrrrdrdrtdrrtrrdeerdtrrrdrrrerrdrrree 3] H.4 Ứng dụng và kết quả -22n2tttrrrnhtirdtrtrriiiiririiririrriike 52 11.4.1 11.4.2 11.4.3 II II Biển số thiết Ể 13056 u05 g0 888110 serimmnllEBAđ 54 l1 82 Hàm mục tiêu
HH3 Điều kiện ràng buộc
Trang 8Danh muc hinh vé
Hình I-1 Kết cấu thép nhồi bê tông
Hình I-2 Kết cấu thép bọc bê tông
Hình I-3 Kết cấu thép và bê tông được liên kết với nhau - cczz2222E22z2222222222zrzi 16 Hình I-4 Một số hình dạng tiết diện cột liên hợp
Hình I-5 Một số hình dạng tiết diện dầm liên hợp as
Hinh 1-6 Major Bank - Texas sssesesssssssessesssesseesessscssecsecsussucssscsussassssesseesussatesussaessesaessessueeass
Hinh I-7 One Atlantic Center - Atlanta Hinh I-8 Toa thap Thién nién ky - Vienna Hinh I-9
Hinh I-12 Vietinbank Tower - Ha Ndi (Dang xay dung)
Hình III-1 Dầm liên hợp thép - bê tông
Hình III-2 Chiều rộng tham gia làm việc của tắm sàn với HỘP IẨM cung y2g880888 6e 28
Hình HI-3 Biểu đồ ứng suất dẻo khi P.N.A đi qua bản sàn bê tông
Hình III-4 Biểu đồ ứng suất dẻo khi P.N.A đi qua cánh trên của dầm thép sỹ
Hình III-5 Biểu đồ ứng suất dẻo khi P.N.A đi qua bản bụng của dầm thép Hình III-6 Biểu đồ ứng suất dẻo khi P.N.A đi qua bản sàn bê tông
Hình III-7 Biểu đồ ứng suất dẻo khi P.N.A đi qua cánh trên của dầm thép
Hình III-§ Biểu đồ ứng suất dẻo khi P.N.A đi qua bản bụng của dầm thép
Hình III-9 Liên kết chịu cắt . cccc-++++992EE1111111111112212122221111112 0E .21212EEEEEee Hình III-10 Chiều dài giới hạn của dầm đơn giản
Hình IV-I Mô hình xác định khả năng chịu lực của dầm gỗ cơng-xơn Hình IV-2 Thuật tốn tối ưu kết cấu
Hình IV-3 Phân loại tối ưu theo kiểu biến số thiết kế Hình IV-4 Phân loại tính toán tiến hóa
Hình IV-5 Sơ đồ khối của của thuật toán tiến hóa
Hình IV-6 Véc-tơ vi phân và cá thể mới Ú -: -+icc22222222222222222222122222151122212 55E 44
Hình IV-7 Sự chọn lọc cá thể của thuật toán DE
Hình IV-8 Thuật toán DE được trình bày dưới dạng ngôn ngữ máy tính
Hình IV-9 Sơ đồ khối của chương trình tối ưu dầm LHT-BT
Hình V-1 Sơ đồ hình học của hệ dầm liên hợp - 22222222+zt222222252555222222222222e
Hình V-2 Giá trị trung gian của các cá thể
Hình V-3 Khả năng chịu nén của sàn bê tông và dầm thép
Trang 9Hình V-5 Các chỉ phí của dầm LHT-BT
Hình 0-1 Giao diện chính của chương trình
Hình 0-2 Menu của chương trÌnhh - - - + + St +k£k#vExeEeEexexeEsrkrkrkekrkekekrrsrkrkrkrsersrre
Hình 0-3 Đặc trưng hình học của dầm thép tổ hợp hàn
Hình 0-4 Đặc trưng vật liệu
Hình 0-5 Đặc trưng của sàn liên hợp Hình 0-6 Đặc trưng của chốt chịu cắt Hình 0-7 Tải trọng
Hình 0-8 Chí phí vật liệu, nhân cơng và ca Imáy - - + «+ + +++++xs+kekerxrkerexkrksrkekerke 65
Hình 0-9 Danh mục thép tắm
Hình 0-10 Tối ưu dầm liên hợp “
Trang 10Danh muc bang
-Bang V-2 Dữ liệu thiết kế
Bảng II-I Các loại cường độ của bê tông theo Eurocode 4 - s- «+ sx+xsx+xzexseexee 24 Bảng II-2 Hệ số đặc tính riêng của bê tông . 2- +22 ©©+£++++txe+txetzxerrxeerrerrrree 25
Bảng III-1 Bản cánh và bản bụng dầm thép không được giữ ồn định bởi tắm sàn 29
Bảng III-2 Giá trị giới hạn của độ võng thẳng đứng cho dầm và sàn
Bảng III-3 Tỷ số nhịp (E) và chiều cao toàn bộ tiết diện (/)
Bảng V-I Biến số mô tả tiết diện dầm thép I đối xứng .- 2 2-©22©s+©cse©zx+csse2
Bảng V-3 Kích thước tiết diện dầm tham khảo
Bảng V-4 Kích thước dầm sau khi tối ưu .¿- 2 2£ ++E+E£E++£+++££E+eErxzzreerxerrxerre Bảng V-5 Biến số mô tả tiết diện dầm thép I không đối xứng Bảng V-6 Danh mục thép tắm cho trước Bảng V-7 Dữ liệu thiết kế Bang V-8 Két qua tdi ưu có kể đến ảnh hưởng của mác thép và chiều dày sàn 52 Bảng V-9 Biến số mô tả tiết diện dầm thép I không đối xứng Bảng V-10 Dữ liệu thiết kế
Bảng V-I I Các chỉ phí về vật liệu, nhân công và thiết bị H
Bảng V-12 Giá thành của dầm LHT-BT có kể đến mác thép và dạng tiết diện 57
Trang 11
Danh mục viết tắt LHT-BT AASHTO AISC DIN EC EN USL SLS TTGH P.N.A Eas EC GA EP ES GP DE
Liên hợp Thép - Bê tông
The American Association of State Highway and Transportation
American Institute of Steel Construction Deutsches Institut fiir Normung
European Codes hay Eurocodes European Norms
Ultimate Limit State
Service Limit State Trang thai gidi han
Trục trung hòa déo (Plastic Neutral Axis) Thuật toán tiến héa (Evolutionary Algorithms) Tính toán tiến héa (Evolutionary Computation)
Thuật giả di truyén (Genetic Algorithm)
Lập trình tiến hoa (Evolutionary Programming) Chiến lược tién hoa (Evolutionary Strategies) Lập trình di truyền (Genetic Programming)
Tiến hóa vi phân (Differential Evolution)
Trang 12BO GIAO DUC VA DAO TAO TRUONG DAI HOC XAY DUNG
THONG TIN KET QUA NGHIEN CUU
1 Thông tin chung:
- Tên dé tài: Nghiên cứu thiết kế tối ưu dầm liên hợp thép - bê tông cốt thép theo tiêu chí giá thành
- Mã số: 108-2012/KHXD-TĐ - Chủ nhiệm: Ts Vũ Anh Tuấn
- Thời gian thực hiện: 01/2012 đến 12/2012 2 Mục tiêu:
Xây dựng giải pháp thiết kế và phần mềm tối ưu dầm LHT-BTcó sử dụng dầm thép chữ T đối xứng hoặc không đối xứng theo tiêu chí về tối thiểu hóa giá thành
3 Tính mới và sáng tạo:
Xu hướng sử dụng kết cầu LHT-BT vào các công trình xây dựng ở Việt Nam rất lớn, tuy nhiên vẫn còn thiếu hướng dẫn về thiết kế Bên cạnh đó giá thành cao hơn so với kết cầu bê tông cốt thép truyền thống Đề tài đã nghiên cứu và thiết kế tối ưu kết cấu dầm LHT-BT có sử dụng dầm thép tổ hợp hàn 1 có tiết diện đối
xứng hoặc không đối xứng với mục đích giảm trọng lượng và giá thành
4 Kết quả nghiên cứu:
- Thiết lập các công thức tính toán dầm LHT-BT có sử dụng dầm thép tổ hợp I có tiết diện đối xứng hoặc không đối xứng
- Đưa ra phương pháp thiết kế tối ưu dầm LHT-BT theo tiêu chí tối thiểu hóa
trọng lượng và giá thành 5 Sản phẩm:
- Báo cáo tổng kết
- Bài báo đăng trên tạp chí KHCN Xây dựng - Trường Đại học xây dựng - Hướng dẫn sinh viên NCKH (đạt giải 3)
- Phần mềm thiết kế tối ưu kết cấu dam LHT-BT
6 Hiệu quả, phương thức chuyến giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng: - Các giải pháp tối ưu đều đạt được trọng lượng thấp hơn 35% khi chiều cao dầm
không bị giới hạn và khoảng 10%+25% khi có giới hạn
- Phần mềm tối ưu kết cấu dầm LHT-BT dựa trên tiêu chuẩn EC4 cung cấp phương pháp thiết kế tối ưu không phức tạp về mặt toán học, thời gian tính toán
Trang 13INFORMATION ON RESEARCH RESULTS 1 General information: Project title: Cost optimization of steel-reinforced concrete composite beam Code number: 108-2012/KHXD-TD Coordinator: Dr Eng Vu Anh Tuan Duration: from 01/2012 to 12/2012 2 Objective(s):
Develop a design solution and an optimization software of steel-reinforced concrete composite beam using symmetric or asymetric built-up I-section according to criteria of weight or cost minimization
3 Creativeness and innovativeness:
Although the trend in using steel-reinforced concrete composite structures in construction is becoming popular nowaday, there has been a lack of design guidelines Moreover, the cost of this kind of structure is higher than the
traditional reinforced concrete This project studied and developed an optimal
design of steel-reinforced concrete composite beam using symmetric or asymetric built-up I-section in order to reduce its weight or cost
4 Research results:
- Develop mathematical formulas of steel-reinforced concrete composite beam using symmetric or asymetric built-up I-section
- Propose a method of optimal design of steel-reinforced concrete composite
beam with criteria of weight or cost minimization 5 Products:
- Summary report
- The paper will publish on journal of science and technology in civil engineering
(NUCE)
- Guide a group of student to make a research on composite beam (3" Prize)
- An optimal design software
6 Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:
- The optimal results showed that the weight of steel beam is smaller 35% and about 10%+25% when the height of steel beam is unrestricted and is restricted
respectively
- THe optimal software of steel-reinforced concrete composite beam in conformity with Eurocode 4 provides an optimal design method which is not
complicated in computation Time for computation is faster than traditional
method and it is easy to be applied in practical design |
Trang 14I Dat van dé
Nhu câu xây dựng công trình nha cao tang và siêu cao tang dang bùng nô mạnh mẽ ở Việt Nam, đặc biệt tại các thành phó lớn như Hà Nội và TP Hồ Chí Minh Khi sử dụng các giải pháp kết cầu bê tông cốt thép truyền thống, do giới hạn của công nghệ sản xuất bê tông trong nước mà cấu kiện của công trình đòi hỏi kích thước lớn dẫn đến trọng lượng bản thân của kết cấu lớn và không những làm cho chỉ phí của kết cầu móng tăng mà còn giảm không gian sử dụng và giảm tính thẩm mỹ Với giải pháp kết cấu thép cho kích thước cầu kiện hợp ly, chỉ phí móng giảm nhưng chí phí tổng thé cho công trình thường cao hơn Phụ thuộc dạng kết cấu và chiều cao của công trình mà chỉ phí cho kết cấu thép thường lớn hơn chỉ phí cho kết cấu bê tông truyền thống khoảng 30+60%
Để khắc phục nhược điểm của hai dạng kết cấu đề cập ở trên, kết cấu liên hợp
Thép - Bê tông cốt thép (LHT-BT) đã và đang được sử dụng phổ biến ở nhiều nước
trên thế giới cho các công trình nhà nhiều tầng Loại kết cấu này đã tận dụng được các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lý của cả hai loại vật liệu thép và bê tông Vật liệu thép có cường độ chịu kéo và nén cao, khả năng cho phép biến dạng dẻo lớn, độ tin cậy, độ 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 phô biến Ở Việt Nam, cho đến nay kết cầu này vẫn chưa được sử dụng nhiều vì các lý do như khả năng chế tạo, cung cấp cấu kiện, nhà thầu thi công, biện pháp chống cháy Tuy nhiên với tốc độ phát triển xây dựng như hiện nay, với các ưu điểm như giảm được trọng lượng bản thân kết cấu, thời gian thi công nhanh, trong tương lai gần loại kết cấu LHT-BT chắc chắn sẽ được áp dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng
Kết cấu dầm, sàn LHT-BT thường được cấu tạo bởi tắm tôn định hình, sàn bê tông cốt thép liên kết với dầm thép có tiết diện chữ I cán nóng hoặc tổ hợp hàn qua các chốt hoặc các liên kết chịu cắt và cùng làm việc đồng thời trong giai đoạn sử dụng Dam thép hình T cán nóng hoặc tổ hợp hàn thường đối xứng, có tiết diện cánh trên và cánh dưới bằng nhau Tiết điện đối xứng làm việc khá hiệu quả với kết cấu không liên hợp, tuy nhiên với kết cấu liên hợp khi bản sàn bê tông và cánh trên nằm ở vùng chịu nén, tiết diện đối xứng làm việc sẽ kém hiệu quả Dầm thép có tiết diện không đối
Trang 15xứng có khả năng chịu mômen lớn hơn khoảng 10% so với dầm có tiết diện đối xứng có cùng khối lượng [1]
Khi thiết kế dầm, sàn LHT-BT thường sử dụng phương pháp truyền thống “thử-sai” hay phương pháp đúng dần với các thông số như đặc trưng vật liệu, tải trọng tác dụng, chiều dày sàn, số hiệu dầm hình hoặc kích thước hình học của dầm thép tổ hợp, số lượng chốt liên kết chịu cắt Các thông số này thường được chọn theo kinh nghiệm của kỹ sư thiết kế và nó ảnh hưởng rất nhiều đến chỉ phí giá thành của cấu kiện
Rất nhiều bài toán tối ưu kết cấu thép đã được giải với hàm mục tiêu là tìm
trọng lượng kết cấu nhỏ nhất Trọng lượng kết cấu đóng vai trò quan trọng của giá thành, tuy nhiên hàm mục tiêu của tối thiểu hóa giá thành là đi tìm giá thành nhỏ nhất với tài nguyên và nguồn lực sẵn có Trong thực tế tối ưu trọng lượng chưa chắc đã đạt
được giá thành nhỏ nhất do bên cạnh chỉ phí vật liệu, còn rất nhiều chi phí khác có ảnh
hưởng đến tổng giá thành của kết cấu Bài toán tối ưu lý tưởng là bài toán có kể đến
chỉ phí vòng đời của kết cầu bao gồm chí phí vật liệu, sản xuất, lắp dựng, bảo dưỡng
cũng như chỉ phí tháo dỡ khi kết cấu không sử dụng nữa
Xu hướng thiết kế hiện đại sử dụng phương pháp thiết kế tối ưu để xác định các
thông số của dầm LHT-BT với giá thành thấp nhất được áp dung thay thế cho phương
pháp thiết kế truyền thống để góp phần giảm chỉ phí chung cho công trình Đề tài khoa học và công nghệ mã số 108-2012/KHXD-TĐ, “Nghiên cứu thiết kế tối ưu dầm
liên hợp thép - bê tông cốt thép theo tiêu chí giá thành”, đưa ra phương pháp tính toán, thiết kế hiện đại phù hợp với xu hướng trên Do thời gian, nhóm tác giả tập trung đi
sâu vào phương pháp thiết kế tối ưu hệ dầm đơn giản sử dụng dầm thép chữ T tổ hợp hàn đối xứng hoặc không đối xứng theo tiêu chuẩn EuroCode 4
IH— Giới hạn của đề tài
Trong công trình dân dụng, chi phi của kết cấu dầm sàn chiếm khối lượng lớn hơn nhiều so với chỉ phí cấu kiện cột, do vậy trong dé tai nay dé cập giải quyết kết cầu dầm LHT-BT đơn giản chịu tải trọng phân bố đều sử dụng các chốt chịu cắt Ảnh hưởng của tắm tôn định hình và cấp độ bền của bê tông được coi là hằng số khi thiết
kế tối ưu dầm LHT-BT
Trang 16Chuong I TONG QUAN VE KET CAU LIEN HOP THEP-BE TONG I Giới thiệu về kết cấu liên hợp LI Vậtliệu () Thép Ưu điểm Nhược điểm Khả năng chịu lực lớn so với các vật liệu
khác như bê tông gồ Độ tin cậy cao Gan voi gia thiệt tính tốn
Trọng lượng “nhẹ”
Tính cơng nghiệp hóa cao, cơ động trong
vận chuyên và lắp ráp
Trong môi trường không khí am, xâm
thực thép bị ăn mòn (gỉ) từ bê mặt đên
phá hoại hoàn toàn
Chịu lửa kém Ở nhiệt độ 500°C+600fC,
thép chuyển sang dẻo, giảm độ cứng và mât khả năng chịu lực
Giá thành cao so với các loại vật liệu xây dựng khác (ii) Bé tong Uu diém Nhuge diém Sử dụng vật liệu địa phương, tiết kiệm thép
Khả năng chịu lực (nén) lớn SO VỚI các loại vật liệu khác như gạch, đá, gô Bên, chi phi bảo dưỡng ít
Chịu lửa tốt hơn so với thép và gỗ
Trọng lượng bản thân lớn khó làm được những kết câu vượt được nhịp lón
Công tác thi công đồ tại chỗ tương đối phức tạp Kiêm tra chât lượng khó khăn
Có khe nứt làm ảnh hưởng đến chất
lượng sử dụng và tuôi thọ của kêt câu Cường độ chịu kéo kém (ii) Kết cấu liên hợp Thép - Bê tông Ưu điểm Nhược điểm Khả năng chịu lực của cấu kiện tăng,
giảm kích thước không gian sử dụng và hiệu quả kiến trúc tăng
Có độ cứng lớn hơn so với kết cầu thép;
độ mảnh giảm, tăng khả năng ổn định tổng thể cũng như ổn định cục bộ
Khả năng chịu lửa tốt
Khả năng chống ăn mòn của thép được tăng cường
Chịu tải trọng động đất tốt hơn so với kết
cấu bê tông
Rút ngắn thời gian thi công
Các ưu điểm kể trên chỉ phát huy với
công trình nhà (siêu) cao tầng, chưa phù hợp với công trình có quy mô nhỏ
Trong điều kiện Việt Nam, đây là loại hình kết cấu mới nên sẽ gặp nhiều khó khăn trong giai đoạn ứng dụng ban đầu
Độ võng dài hạn tăng theo thời gian
Có thể phải cần các thanh chống phụ trong quá trình thi công
Tang chi phi va thoi gian thi cong do han
Trang 17Hinh dang tiét dién lién hop
(i) Khac voi kết cầu 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 tắm, thép hình, thép ống hoặc thép tô hợp
(a) Thép chịu lực có thể nằm ngoài bê tông (kết cấu thép nhỏi bê tông)
Hình I-1 Kết cấu thép nhỏi bê tông
(b) Thép chịu lực có thể nằm bên trong bê tông (kết cấu thép bọc bê tông)
Hình I-2 Kết cầu thép bọc bê tông
“ Thường áp dụng cho kết cấu cột Ban đầu được thiết kế với mục đích lớp bảo
vệ chịu lửa cho cột thép, khi tính toán bỏ qua sự làm việc của bê tông
"_ Sau đó người ta nhận thấy lớp bê tông có tác dụng giảm được độ mảnh của cột thép và tăng được lực tới hạn
"_ Cột liên hợp có thể được thi công không cần ván khuôn bằng cách nhồi bê tông vào bên trong tiết diện cột thép
(c) Thép chịu lực được liên kết với bê tông để cùng làm việc
Hình 1-3 Kết cầu thép và bê tông được liên kết với nhau " Thường áp dụng cho kết cấu dầm, sàn liên hợp
“_ Người ta sử dụng các tắm tôn thép định hình làm ván khuôn để tiết kiệm thời
gian thi công Lúc này sàn chỉ làm việc theo một phương và được gọi là sàn liên hợp (áp dụng trong các công trình nhà) Khi sử dụng thép tắm, bản làm việc theo hai phương và được gọi là tắm liên hợp (thường áp dụng trong các
Trang 19(ii) Việc hình thành các dạng kết cấu liên hợp này bắt nguồn từ nguyên nhân: (a) Khi hàm lượng thanh thép tròn trong kết cấu bê tông quá lớn, người ta thay thê các thanh thép này băng các dạng côt thép khác gọi là côt cứng
(b) Bao bọc cốt thép chịu lực bằng bê tông để giảm độ mảnh, tăng khả năng chịu
lực, chỗng xâm thực hoặc chông cháy
13 Sự hình thành kết cấu liên hợp
Việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông dùng
trong các lĩnh vực cầu đường, nhà cửa và các công trình kỹ thuật khác đã và đang được nhiều nước trên thế giới quan tâm
= Năm 1894, lần đầu tiên kết cấu liên hợp thép - bê tông đã được dùng làm cầu
Rock Rapids (My) Cau ding thép hình chữ 1 làm khung và bê tông bọc ngoài
thành cầu dạng vòm
" Năm 1898, một chiếc cầu khác ở Pitts Burgh bang Pennsylvania (Mỹ) dùng hệ
dầm thép bọc bê tông để đỡ bản mặt cầu bằng bê tông tạo nên kết cấu liên hợp
thép - bê tơng
« Nam 1897 tại Pitts Burgh (Mỹ), một ngôi nhà mà các dầm sàn bằng thép được
bọc bê tông xây vào năm 1894 bị cháy, tuy nhiên người ta nhận thấy các dầm thép bọc bê tông không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ
" Vào những năm 1900 tại châu Âu, việc dùng kết cấu liên hợp thép - bê tông cũng xuất phát từ mục đích dùng bê tông bọc kết cấu thép để chống ăn mòn và chịu lửa
Khi dùng kết cấu liên hợp thép - bê tông người ta nhận thấy việc tạo ra các chỉ
tiết neo để tăng lực dính kết giữa bê tông và thép là cực kỳ quan trọng và không thể
thiếu, tuy nhiên tại thời điểm đó vẫn chưa có lý thuyết tính toán nhưng kết cấu này vẫn được áp dụng
Đến năm 1954 phương pháp tính được đưa ra dựa trên hàng loạt các thí nghiệm
về khả năng chịu trượt của các mẫu neo giữa bê tông và thép được thực hiện tại trường Đại học tông hợp Illnois
" Năm 1956 ở Mỹ, chiếc cầu đầu tiên được ứng dụng các chỉ tiết neo để tăng lực dính kết là cầu được xây dựng ở Pierre, South Dakota
Trang 20Sau năm 1950, việc dùng thép tắm làm ván khuôn và sau đó kết hợp với bản sàn bê tông tạo nên kết cấu liên hợp thép - bê tông được dùng phổ biến trong xây dựng nhà cao tầng ở Mỹ Một số công trình điển hình:
= Toda nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas (Mỹ)
Hinh I-6 Major Bank - Texas
= Toa nha One Atlantic Center, Atlanta (M¥)
Trang 22" Tru sé tap doan bao hiém tai chinh ING 6 Amsterdam (Holland)
pet
Hinh I-10 Tru sé chinh ING - Amsterdam * Toa nha Diamond Plaza 6 TP Hé Chi Minh (Viét Nam)
Hình I-12 Vietinbank Tower - Hà Nội (Đang xây dựng)
Trang 23H Tiêu chuẩn thiết kế
Kết cấu liên hợp thép - bê tông đã được áp dụng từ lâu tuy nhiên gần đây các bộ tiêu chuân mới được đưa ra
Ở Mỹ việc ứng dụng bắt đầu từ thế kỷ 20, tuy nhiên đến năm 1944 lần đầu tiên
tiêu chuẩn quốc gia AASHTO (The American Association of State Highway
and Transportation)
Ở Đức có tiêu chuẩn DIN-1078
Gần đây Ủy ban cộng đồng châu Âu ban hành bộ tiêu chuẩn không chỉ về kết cấu liên hợp mà còn về xây dựng thống nhất chung cho các quốc gia trong khối Bộ tiêu chuẩn gọi là European Codes (Eurocodes hay EC)
Ngoài ra một số nước cũng có tiêu chuẩn của riêng mình như Nga, Nhật Bản Ở Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế cho kết cấu liên hợp Các tài liệu trước đây dựa trên tài liệu của Liên Xô và còn khá đơn giản Vì vậy việc tính toán thiết kế kết cấu liên hợp thép - bê tông trong xây dựng chủ yếu dựa vào bộ tiêu chuẩn của nước ngoài như EC hoặc quy chuẩn thiết kế AISC
Trong đề tài này sẽ trình bày thiết kế kết cấu liên hợp chú yếu dựa trên bộ tiêu chuẩn Euroeodes
Bộ tiêu chuẩn Châu Âu (Eurocodes):
Eurocode 1: Co sé tinh toán và các tác động lên công trình
Eurocode 2: Kết cấu bê tông cốt thép
Eurocode 3: Kết cầu thép
Eurocode 4: Két cấu liên họp Thép - Bê tông Eurocode 5: Kết cầu Gỗ
Eurocode 6: Kết cấu gạch đá
Eurocode 7: Tính tốn địa chất cơng trình
Eurocode 8: Tính toán kết cấu công trình chịu động đất Eurocode 9: Tính toán kết cầu bằng hợp kim nhơm
Phương pháp tính tốn (Limit state design)
Nhóm trạng thái giới hạn thứ nhất (Ultimate Limit State - USL): đề cập đến sự an toàn của người và/hoặc kết cấu (trạng thái kết cấu bị phá hủy do các nguyên nhân như: phá hoại bền (đứt, gãy, ép vỡ .), mất ổn định, từ biến ) ;
BER, (Eq I-1)
Trong do:
E„- Giá trị thiết kế gây ra bởi tải trọng ví dụ như: nội lực, mômen Rạ - Giá trị giới hạn thiết kế tương ứng mà kết cấu có thể chịu được
Trang 24H:13
Nhóm trạng thái giới hạn thứ hai (Service Limit State - SLS): đề cập đến kết
cầu hoặc bộ phận của kết cấu sử dụng bình thường, thuận tiện cho con người, hình dạng của công trình (Biến dạng, rung động hoặc nứt vượt quá giới hạn cho phép)
E,<C, (Eq I-2)
ie do:
- Giá trị thiết kế gây ra bởi tải trọng theo trạng thái sử dụng được xác định
Pall tổ hợp cơ bản tương ứng
Ra - Giá trị giới hạn thiết kế tương ứng theo tiêu chí sử dụng Tổ hợp tải trọng
Theo EC, có các dạng tải trọng sau
Tải trọng thường xuyên (ký hiệu Ớ hay ø) (nh tải): thường được kể đến như
tải trọng bản thân của kết câu, co ngót của bê tông, ứng suât trước (P); Tải trọng tạm thời (ký hiệu Ó hay 4) (hoạt tải): bao gôm tải trọng sử dung, tải trọng gió, tuyết và tải trọng do thay đổi nhiệt độ
Tải trọng ngẫu nhiên (ký hiệu 4) (tải trọng đặc biệt): như ảnh hưởng của xe, cháy no, dong dat
Tổ hợp tải trọng cơ bản có dạng sau (công thức 6.10-EN-1990):
ZW Gas He P+ Vai 'Ôịi + 7o, 'Vu, 'Óu, (Eq I-3)
Trong do:
„ - Hệ số độ tin cậy của các tải trọng thường xuyên (thông thường 7; =1.35)
yp P - Tac dụng của ứng suất trước
?%i Z¡ - Hệ số độ tin cậy của các tải trọng tạm thời (chỉ số dưới ; và ; tương ứng với tải trọng tạm thời theo phương đứng và phương ngang)
(thông thường Z=1.5)
Trang 25Chương II VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KÉT CÁU LIÊN HỢP
Bê tông
Quy định của Eurocode 2 và Eurocode 4
Trong kết cấu liên hợp dùng bê tông thông thường như trong kết cấu bê tông cốt
Bê tông nặng (thông thường) với khối lượng riêng 1800<<2500&g⁄w” Bê tông nhẹ với khối lượng riêng 1600<ø2<1800kg⁄”
Các loại cường độ
Đối với bê tông thông thường theo quy định của Eurocode 4, dùng mác bê tông từ C20/25 đến C50/60 Đặc trưng cơ học (M⁄zˆ) được nêu trong Bảng II-1 Cap dé bén C20/25 C2530 C3037 C35/⁄45 C40/50 C45/55 C50/60 Hs 20 25 30 35 40 45 50 fom 2.2 2.6 2.9 3.2 3.5 3.8 4.1 ta 28 33 38 43 48 53 58 Setk.0.05 1.5 1.8 2.0 2.2 2.5 27 2.9 Eon 2900 3050 3200 3350 3500 3600 3700 Bảng II-1 Các loại cường độ của bê tông theo Eurocode 4 Trong đó:
#24 - cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông mẫu hình trụ ở 28 ngày Jom - cường độ chịu kéo trung bình của bê tông ở 28 ngày
Sem - cường độ chịu nén trung bình của bê tông ở 28 ngày
Sewo.os - gia tri dưới của sức bền đặc trưng khi chịu kéo
E„ - mô đun đàn hồi cát tuyến có kể đến ảnh hưởng của tác động ngắn hạn Trong Bảng II-1 ký hiệu C20/25 có ý nghĩa như sau:
Chữ C: bê tông nặng thông thường (normal-density concrete)
Sô 20: cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông mâu hình trụ (160x320)ở 28 ngay fy=20N/mm?
Sô 25: cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông mâu hình lăng trụ
(150x150x150) ở 28 ngày /„=25N⁄mm?
Trang 261.1.2 Cuong độ tính tốn của bê tơng
() Cường độ tính toán chịu nén của bê tông:
Sea = Ae Se! Ve (Eq H-1)
Trong do:
œ - hệ số kể đến những tác động lâu dài đến sức bền nén và các tác động bắt lợi
của các tải trọng tác dụng Giá trị này dao động từ 0.8-+1.0 tùy theo quy định của từng nước Có thể lấy bằng œ„„=1.0
#4 - cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông mẫu hình trụ ở 28 ngày
z - hệ số kể đến đặc tính riêng của bê tông, lấy theo Bảng II-2 và phụ thuộc vào tải trọng Tổ họp tải trọng Bê tông +, Cơ bản 15 Đặc biệt (trừ động dat) 13 Bảng II-2 Hệ số đặc tính riêng của bê tông (1) Cường độ tính toán chịu kéo của bê tông:
Sua = %a* Sou o0s 22 (Bq I-2)
Trong đó:
ø„ - hệ số kể đến những tác động lâu dài đến sức bền kéo và các tác động bắt lợi của các tải trọng tác dụng Giá trị này tùy theo quy định của từng nước Có thể lấy bằng œ=1.0
0o; - giá trị dưới của sức bền đặc trưng khi chịu kéo, lấy theo Bang II-1 (iii) M6 dun dan héi E.,,
Mô đun đàn hồi của bê tông phụ thuộc vào mô đun đàn hồi của các cốt liệu thành phan Các giá trị gần đúng của #„„ (mô đun tiếp tuyến giữa ơ/=0 và ơ;=0.4 fom) trong Bảng II-1 là cho bê tông cốt liệu thạch anh
"_ Đối với cốt liệu đá vôi và đá sa thạch #„„ có thể giảm tương ứng 10% và 30%
“_ Cốt liệu từ đá bazan /„„ tăng 20%
Trang 27Đối với bê tông nhẹ, điều chỉnh bằng cách nhân giá trị Fc„ trong Bảng II-l với tri sé (0/2400)
= Khi xét đến hiện tượng từ biến của bê tông dưới tác dụng của tải trọng dài hạn
n’=3n (gid tri Eom giảm đi 3 lần)
“_ Hệ số trung gian dùng chung cho cả tải trọng dài hạn và ngắn hạn để đơn giản
hóa trong việc phân tích z”=2ø (giá trị E„„ giảm đi 2 lần) (v) Hệ số dãn nở do nhiệt "_ Hệ số dãn nở vì nhiệt của bê tông gần như bằng hệ số dãn nở vì nhiệt của thép kết cấu; œ=105 °C7 “_ Với bêtông nhẹ œ=107°C? II CốtThép H.I Thép thanh Tiêu chuẩn EN-10080-3 đã đưa ra ba mác thép dùng trong kết cấu liên hợp " S220 (thép tròn trơn cán nóng) " _ S400 (thép tròn có gai) = S500 (thép tròn có gai)
Trong đó các con số ở ký hiệu chỉ giới hạn đàn hồi (/¿ N⁄mz?) của từng loại Mô đun đàn hồi của cốt thép #; dao động tir 190+200kN/cm’ Dé don gian trong tính toán cho phép lấy gia tri E,= E,=210kN/cm’ cua thép kết cấu
I2 Thép kết cấu
Tiêu chuẩn EN-1994-1-1 đưa ra mác thép thông thường
" S235 = 5275 = S355
Trong đó các con số ở ký hiệu chỉ giới hạn chảy N/mm?) của từng loại
Giá trị tiêu chuẩn của giới hạn đàn hồi và sức bền kéo đứt ƒ„ của thép cán nóng phụ thuộc vào chiêu dày / tra bảng trong tiêu chuân EN-10025 và EN-10113
= M6 dun dan hồi E„=210&M⁄wŸ
I3 Tôn định hình bằng thép của sàn liên hợp Tôn định hình phù hợp với tiêu chuẩn EN-10147
Trang 28Chuong III DAM LIEN HOP THEP - BE TONG
Dam lién hop thép - bé tông được tạo bởi một dầm thép cán nóng hoặc tổ hợp
hàn và một tắm tôn định hình, sàn bê tông cốt thép (bình thường hay ứng suất trước) Tam sàn được liên kết với dầm thép bằng các liên kết để đảm bảo sự làm việc đồng
thời
tl
Dam lién hợp được kiểm tra theo TTGH:
(i) Trang thai gidi han I (bén, ổn định ): khác với dầm bình thường, tính toán dầm liên hợp phụ thuộc vào một số yếu tố:
Loại tiết diện (theo độ mảnh của bản cánh, bản bung dim thép) Phương pháp thi công (có gối đỡ tạm - thanh chống phụ hay không)
Hình thức liên kết giữa tắm sàn với dầm thép (liên kết hồn tồn hay khơng hồn toản)
Vị trí trục trung hoà trên tiết diện ngang
(ii) Trang thái giới hạn II (độ võng trong giai đoạn thi công và sử dụng)
if ae Bê tông SÁU sy Lưới thép (hàn) Chốt chịu cắt Ts ‘A Tấm tôn định hình Dầm thép
Hình II-1 Dầm liên hợp thép - bê tông
Kiểm tra theo TTGH I
Khái niệm chung
Chiều rộng tham gia làm việc của tắm sàn
Khi chịu uốn một phần tắm sàn của sàn bê tông sẽ tham gia làm việc cùng với dầm thép để tạo thành tiết diện chữ T Trên bề rộng tham gia làm việc hiệu qua (bey) này ứng suất pháp coi phân bé déu
Trang 29bug =b,, +b, Eq IlI-1 2, =min{ “8, đa ) § Trong đó 7 - nhịp dầm bett bet, Be | II {| [bm | b% | F sua + “+ | 1.1.2
Hình III-2 Chiều rộng tham gia làm việc của tắm sàn với một dam
Phân loại tiết diện ngang
Khi khảo sát sự làm việc của dầm liên hợp dưới tải trọng, tuỳ theo khả năng xoay của tiết diện khi chịu uốn mà chia tiết diện ngang ra làm 4 loại:
Loại 1: có khả năng phát triển mômen bền dẻo với khả năng xoay đủ để hình thành khớp dẻo
Loại 2: có khả năng phát triển mômen bền dẻo, hạn chế khả năng xoay
Loại 3 hoặc 4: khi do có hiện tượng cong vênh cục bộ trong vùng nén của dầm
(ở bản bụng hoặc bản cánh) ứng suất của những thớ chịu tải lớn nhất không thể
vượt qua giới hạn đàn hồi tính toán
Trong công trình xây dựng dân dụng ta chỉ khảo sát tiết diện loại I và loại 2 () Khi tiết điện chịu uốn với mômen âm (M⁄„<0) và khi cánh nén không được giữ ồn định bởi tắm sàn bê tông cốt thép , các giá trị giới hạn độ mảnh của bản bụng và bản cánh của tiết điện loại 1 và 2 xem Bang III-1
(ii) Khi tiét diện chịu uốn với mémen dương (M,;>0) sự có mặt của tắm sàn sẽ đóng vai trò sau:
Tất cả các cánh chịu nén của dầm thép nếu được liên kết với tắm sàn bằng các
liên kết được bố trí theo các khoảng cách thích hợp (nhỏ hơn 20/z đối với tắm sàn đặc và 5/e đối với tắm sàn có sườn vuông góc với dầm), có thể được coi
như tiết diện loại 1
Khi trục trung hoà dẻo nằm trong tắm sàn hay trong bản cánh dầm mà bản cánh này có độ mảnh thuộc loại 1 và được liên kết với tắm sàn thì có thể coi cả tiết
diện liên hợp là loại 1 bởi vì khi đó bản bụng hoàn toàn chịu kéo
Trang 30"Trong trường hợp trục trung hoà đi qua bản bụng tiết diện liên hợp được coi
như loại 2 vì sự tăng ép mặt của tắm sàn gây nén phần trên của tiết diện làm hạn
chế khả năng quay của tiết diện Thép tiết diện chữ I hoặc chữ H Loại 1 Loại 2 “<l0-z “sll-e t t Se (10.e) (15.8) Canh incon {<0 t £<10-¢ t at (9.e) (14.e) Nếu œ>0.5 Nêu ơ>0.5 ` d_ 396-6 d_ 456:e £ 13-a-l t 13-a-1 Bung = Le ka ‘ P Nêu ơ.4<0.5 Nêu œ<0.5 màn | d _36-¢ À9 t a t a II
Bang III-1 Bản cánh và bản bụng dầm thép không được giữ ổn định bởi tắm sàn (ii) EC4 cũng cho phép phân loại lại tiết diện khi cánh dầm thép chịu nén thuộc
loại I và 2 như sau:
" Bản bụng tiết diện loại 3 được bọc bê tông có thể coi như bản bụng loại 2 của
tiét diện tương tự
"Bản bụng loại 3 không được bọc bê tông có thể chuyển thành loại 2 tương đương nếu chấp nhận chiều cao hữu hiệu chịu nén là hai lần 20/£ (coi một phan
bản bụng mất ổn định)
.3 Các giả thiết khi tính dầm liên hop theo TTGH I
(i) Lién két trong nhịp giữa sàn bê tông và dầm thép là liên kết hoàn tồn Tắm sàn bê tơng và côt thép có thể đạt đến sức bên lớn nhất
(ii) Tất cả các thớ của dầm thép đều hóa dẻo khi chịu lực (do kéo hoặc nén) (iii) Ung suat trong vùng bê tông chịu nén coi là phân bố đều
(v) Bỏ qua khả năng chịu kéo của bê tông
(v) Các cốt thép của tắm sàn khi chịu kéo sẽ bị chảy đạt đến cường độ tính toán (vì) Bỏ qua sự làm việc của cốt thép khi tắm sàn chịu nén Trong tấm sàn liên hợp không tính tâm tôn định hình chịu nén
Trang 3112 Kiểm tra tiết diện
Các trường hợp hay gặp trong các công trình dân dụng, bản sàn liên hợp bê tông với tắm tôn định hình, sóng tôn vuông góc với trục của dầm thép
" Chiều cao lớn nhất của vùng bê tông chịu nén là chiều dày 7„ của sàn bê tông tình từ đỉnh của sóng tôn
"_ Chiều cao sóng của tắm tôn định hình là Z„ Khi chỉ có sàn bê tông „=0
"_ Thiết lập các công thức với hai trường hợp dầm thép tổ hợp có tiết diện chữ 1
đối xứng và không đối xứng
1.2.1 Trường hợp dầm tổ hợp tiết diện chữ 1 đối xứng
(a) Trường hợp 1 - trục trung hòa dẻo (P.N.A) nằm trong bản bê tông
Ký hiệu lần lượt #„ và # là sức bền dẻo của thép hình khi chịu kéo và của sàn bê
Ti =
2170 :\IPt
mi+
= —
Hình II-3 Biêu đồ ứng suất đẻo khi P.N.A đi qua bản sàn bê tông tông khi chịu nén RA 2t nà (Eq H-2) #=h dự |oas-4£) ⁄ÓẨ Trong đó:
4, - Diện tích tiết diện dầm thép
Trường hợp trục trung hòa đẻo nằm trong bản bê tông khi F.> F, Vị trí của trục
Trang 32Tinh tốn mơmen bền theo hợp lực của vùng bê tông chịu nén
Mii =F, iG +h +h, - 2) (Eq II-4)
(b) Trường hợp 2 - P.N.A nằm trong bản cánh dầm thép
Trường hợp trục trung hòa dẻo nằm trong bản bê tông khi F < F,
Rõ ràng trục trung hòa dẻo z sẽ lớn hơn toàn bộ chiều dày của tấm tôn định hình và sàn bê tông (j„+#„,) Để trục trung hòa dẻo nằm trong bản cánh trên của dầm thép cần thỏa mãn điều kiện sau:
FEẦ—-F<2-b LE Seb ty % (Œq II-5) E
Khoảng cách z được xác định bằng phương trình cân bằng lực theo phương nằm ngang: _) % F, = Fy + Fags Fey =, (2—h, hy) in - % E,=F,+2-b„:(z—h, —h„)-“> (Eq HI-6) Te =z=-5~È +(R +) hay z= Ek +h, D0 Oh ee Ale We bạy 1 a ZF -| | Fe tt ts, oa io K— Pa P.N.A az x x Fy tw a = = eee] F br
Hinh {II-4 Biêu đồ ứng suất dẻo khi P.N.A đi qua cánh trên của dầm thép
Trang 33(c) Trường hợp 3 - trục trung hòa nằm trong bản bụng dầm thép F.<F,
Khi Eq Il-8
r F-F>2-b, 1,2 )
Ya
Thi trục trung hòa dẻo sẽ đi qua bản bụng của dầm thép Gọi z, chiều cao phan bản bụng chịu kéo tính từ trục trọng tâm của dầm đến trục trung hòa dẻo Chiếu theo phương ngang: Fy = Fat F, Edq II-9 (z, tht rb ty Beal (Hs, Baby tp Bho (la ) a Ya ‘a - Ya R._—: 7 tỐ (Eq II-10) 2-t, = Ya J „3 2 | Foie _= ft TS 1 { ] -1 22 8S PNA ml a x [i x 4 Fy wo Ke a m = [ ]
Hình III-5 Biểu đỗ ứng suất dẻo khi P.N.A đi qua bản bụng của dầm thép
Mômen bền được tính toán so với trọng tâm của thép hình: H Am ja Myya the Zh |-2(2, Hy, eB (Eq HI-11) =7) + H hà km) Myra = Mm gạ + Fe f h, + Alp, her t (Eq HI-12) Wk F2 Mira = wath S4 toh) 7 (Eq HI-13) 4-1, <” Ya
I.2.2 Trường hợp dầm tổ hợp tiết diện chữ 1 không đối xứng:
Thiết lập công thức tương tự như phần L.2.1 ta có:
Trang 34(a) Trường hợp | - truc trung hòa dẻo (P.N.A) nằm trong bản bê tông bạn _}+~ me + oe PNA x }—Fa ert - 4 aS tt Tế [ oy : J Ty f f e = 1 “Pe Hx | - | Fe, ô = ơ3 T ie
Hỡnh III-6 Biêu đồ ứng suat déo khi P.N.A đi qua bản sàn bê tông
Ký hiệu lần luot F, va F, 1a strc bén dẻo của thép hình khi chịu kéo và của sàn bê
tông khi chịu nén Œd II-2) Vị trí của trục trung hòa dẻo so với mặt trên của sàn
bê tông z được xác định theo:
F
= — bag 085-8 (Eq IHI-14)
Mu =E, (» +h, +h, - 5] (Eq I-15)
(b) Trường hợp 2 - P.N.A nằm trong bản cánh dầm thép
Trang 35
Mam =F( +h xà ]-Œ~#)| 3”) (Eq I-17)
(c) Trường hợp 3 - trục trung hòa nằm trong bản bụng dầm thép
Hình III-8 Biểu đồ ứng suất dẻo khi P.N.A đi qua bản bụng của dầm thép
Gọi z„ chiều cao phần bản bụng chịu kéo tính từ trục trọng tâm của dằm đến trục
trung hòa dẻo: t “in (Eq III-18) ly 21„ 2 21, 72 Va
M ara = M yara + F, G th, + *) ¬ (z, -h y ty + (Eq HI-1 9)
1.3 Kiém tra tiét dién chiu cat
Các thí nghiệm cho thấy lực cắt do một phần bản sàn chịu, tuy nhiên không thể lập mô hình tính đơn giản để thể hiện sự phân phối lực cắt này Vì vậy trong thực tế giả thiết rằng lực cắt chỉ tiếp nhận bởi bản bụng của dầm thép Điều kiện bền của tiết diện khi chỉ chịu lực cắt được kiểm tra theo công thức:
V sự Š Vira ⁄
V nạ = Ay By
Il Kiểm tra theo TTGH2
Tính toán theo TTGH2 của dầm liên hợp gồm
" Kiểm tra về độ võng trong giai đoạn thi công và sử dụng
IL1 Kiém tra độ võng
Giá trị độ võng giới hạn của dầm liên hợp lấy theo Bảng III-2
Trang 36gly Giá trị độ võn
Loại kết cầu Wes
giới hạn
Mái nói chung L/200
Mái chịu tải trọng thường xuyên hay khi sữa chữa bảo dưỡng
Sản nói chung 1⁄25
Sàn và mái chịu tải trọng tường ngăn bằng thạch cao hoặc kính
Sàn đỡ cột L/400
Bang III-2 Giá trị giới hạn của độ võng thăng đứng cho dầm và sàn
Thực tế cho thấy trong hệ dầm sàn nhà khi đã đảm bảo theo TTGHI, độ võng
thường thỏa mãn khi tỷ số giữa nhịp của dầm (7) và chiều cao toàn bộ tiết điện (/) nằm trong khoảng sau (Bảng III-3): Loại dầm Vị trí Giá trị ; Dam chinh (15+18) Dam don gian : Dam phu (18+20) Tên Dam chinh (18:22) Dâm liên tục Dam phu (22+25)
Bang III-3 Ty sé nhip (Z) va chiéu cao toàn bộ tiết diện (A) I2 _ Tính toán độ võng cúa dầm đơn giản
Độ võng xác định theo công thức:
4
ø=_.PÈ Ý 384 E, +1, - đa Eq II-20 )
Trong đó:
1¡ - mômen quán tính của tiết diện liên hợp khi bê tông không nứt
HI Liên kết trong kết cấu liên hợp
IH.I Đại cương
(1) Các liên kết và cốt thép ngang phân bố dọc theo mặt tiếp xúc giữa bê tông và
thép phải có khả năng truyền lực trượt dọc giữa sàn và đầm thép (không xét đến
lực ma sát) Trong xây dựng công trình, kiểm tra sự làm việc này chỉ tiến hành
theo TTGH thứ nhất
(ii) Tiêu chuẩn EC4 phân chia các thành hai loại liên kết: “dẻo” và “không dẻo” " Một liên kết được coi là dẻo khi nó có khả năng biến dạng đủ khi chịu trượt để
phù hợp với giả thiết làm việc dẻo hoàn toàn của liên kết khi trượt EC4 cho
Trang 37phép liên kết được coi là dẻo nếu độ trượt s„>6zn đối với bản sàn đặc khi có số liên kết (chốt d=16+22; h>4d) đầy đủ theo chiều dài nhịp dầm Đối với ban san
lién hop s,=10+15mm va h2h,
« Lién két khong déo chỉ tồn tại biến dạng của bê tông khi chịu ép mặt tiếp xúc
với liên kết (thanh thép chữ T, chữ [, khối hộp ) >1.5d ‘a Em 20d { Z N h d pet “Ì (CN ee " BL vec! Willi cell @ |G i tage ~ 4 XD) HUẾ 1 TƯ ti đệ min: 2 mn I TH) oa 7 5 ` lai Liên kết thép [ i ¬ đ seas eee eit ứ + “ ì Đường hàn góc ee min; 25mm (Simi) Lién két ban thép
Hình II-9 Liên kết chịu cắt
IHI.2 Sức bền tính toán của liên kết truyền thống
III.2.1 Chốt hàn có mũ trong tắm sàn đặc
Sức bền tính toán của một chốt có mũ được hàn xung quanh chân lấy theo giá
trị nhỏ trong hai giá trị phá hoại cắt ngang thân chốt và phá hoại bê tông bao xung quanh chốt Trong đó: Pray = min( Pay Pry) Rd 2 gu l; % (Eq I-21) Pˆ) =0.29-ø-4°-|f+-E„ a 7 ñ d và h - đường kinh (d<22mm) va chiều cao chốt 7„- sức bền kéo đứt của thép làm chét (f,<500N/mm’) ƒ„ - sức bền chịu nén của bê tông theo mẫu trụ
Trang 38a=! khi h/d>4
- hệ số điều chỉnh
.meeeuen có án HN ares %s - hé số an toàn z„=1.25
III.2.2 Chốt hàn có mũ trong tắm sàn liên hợp
() Khi sóng của tắm tôn định hình đặt vuông góc với trục dọc của dầm thép thì sức bền tính toán của chốt theo công thức (Eq III-21) sẽ phải nhân với hệ số
điều chỉnh z lấy theo thí nghiệm Điều này kể đến các ảnh hưởng không lợi của
bê tông bọc quanh chót và đường hàn liên kết
rae (tale Khi N, =1 Nh, \h VN, hy ty (Eq II-22) r= 97 5 | —1Ì<0.8 khí N, =2 VN, fy (Ay Điều kiện áp dụng: d < 20mm; h, < 85mm; bụ > h„ (Eq II-23) Trong đó: N, - 86 luong chốt trong một sóng
(1i) Trường hợp một sườn tắm tôn song song với trục của dầm thép (dầm biên
của sàn), hệ số điều chỉnh z được xác định theo công thức:
rote ke Œq II-24)
h, h,
HI.3 Thiết kế liên kết của dầm đơn giản
() Khảo sát dầm đơn giản, chịu tải trọng phân bố ø„ hoặc một tải trọng tập trung Óz (Hình II-10) Ký hiệu chiều dài giới hạn 7„„ là chiều dài giữa hai tiết
diện giới hạn (1„=AB hay BC) d Ẫ 2 ng in THỊ TP 777 le 2 Z 7777 © : tL/2 ị L/2 z7 i og
Hình II-10 Chiều dai giới hạn của dầm đơn giản
Mômen bền dẻo Moira ©O thé đạt được ở tiết diện giới han trung gian B vì tiết diện này luôn thuộc loại 1 hay 2
Trang 39Vy= min 4 Logs bag I fa) Va 1ÉẮ% (Eq UI-25)
Xác định số lượng liên kết cần thiết trên chiều dài tới hạn để liên kết hoàn toàn
"`
NUP) = NOC) = a (Œq II-26)
Rd
(ii) Khi trén một chiều dài giới hạn số lượng các liên kết NSN; thi đoạn chiều đài này và dâm được coi là liên kết không hoàn toàn
Lực trượt được truyền qua liên kết trên chiều dài tới hạn chỉ đạt đến giá trị: VN aN Đạp < ly (Eq II-27) Cũng như vậy mômen bên mà tiết diện B có thể tiếp nhận có giá trị M3) <M ag (Eq I-28) Mômen bền suy giảm được xác định suy giảm tuyến tính: (re N (yy Mi? = Mop na a | pI.Rd —M„„) apl (Eq II-29) ⁄
(i1) Trường hợp riêng
Khi © =1 thi m3" = M+, (lién két hoàn toàn) Ny N _ ì +(red) —_ A 5 liâ A Khi e 0 thì M2/”“2 = Mu, „„ (không có liên kết) J (v) Khi mức độ liên kết = quá nhỏ, sự phá hoại sẽ xảy ra do các liên kết bị f
Trang 40Chuong IV
BAI TOAN TOI UU
I Tổng quan về tối ưu kết cấu
Thực tế đã chỉ ra rằng việc đưa ra quyết định là một trong những yếu tố quan trọng nhất của con người Đưa ra quyết định cho sự lựa chọn phù hợp nhất đã ảnh hưởng sâu sắc đến đời sống của mỗi cá nhân làm việc trong bất kỳ lĩnh vực nào
George Moore (1873-1958), một nhà triết học nổi tiếng người Anh đã nói: "Sự khó khăn trong cuộc sống đó là lựa chọn" Vì vậy, để giúp các nhà thiết kế tìm ra sự lựa
chọn tốt nhất trong thiết kế kết cấu, kỹ thuật tối ưu hóa được phát mỉnh và đã được liên tục phát triển
Sự khởi đầu của thiết kế dựa trên tối ưu hóa có thể đã được tìm thấy ở thế kỷ thứ XVI, khi Galileo Galilei (1564-1642) một nhà vật lý, toán học, thiên văn học và triết học người Ý, có gắng để xác định phương pháp để dự đoán khả năng chịu lực của
một dầm gỗ đàn hồi công-xôn và chịu tải trọng ở đầu tự do (Hình IV-1)
Hình IV-1 Mô hình xác định khả năng chịu lực của dầm gỗ công-xôn
Nguyên tắc cơ bản của thiết kế dựa trên tối ưu hóa là việc thiết lập công việc
thiết kế như bài toán tối ưu Để giải quyết các mô hình tối ưu đã được lập một cách toán học, qưấ trình tối ưu có thể được giải quyết bằng cách thực hiện thủ công hoặc tự
động bằng các phần mềm máy tính Các phương pháp tối ưu gần đây làm giảm khối
lượng tính toán lớn cho các người thiết kế Các chiến lược dựa trên tối ưu hóa rất hay được sử dụng, đặc biệt trong lĩnh vực cơ học kết cấu
Vào năm 1890, J.C Maxwell xuất bản ấn phẩm đầu tiên về phân tích tối ưu hóa kết cấu trong đó đề cập đến lý thuyết tối thiểu hóa trọng lượng của kết cấu giàn mái Từ những năm cuối của 1940 đến những năm 1960, tối ưu hóa kết cấu được áp dụng