Nghiên cứu ứng dụng ống thép nhồi bê tông làm cột tạm trong thi công tầng hầm công trình theo công nghệ top down

Nghiên cứu ứng dụng ống thép nhồi bê tông làm cột tạm trong thi công tầng hầm công trình theo công nghệ Top-down là đề tài có ý nghĩa thực tiễn.. Chính vì thế, đề tài “Nghiên cứu ứng dụn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

LƯU HOÀNG LÂN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG LÀM CỘT TẠM TRONG THI CÔNG TẦNG HẦM CÔNG TRÌNH THEO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ KHÁNH TOÀN

Phản biện 1: TS Mai Chánh Trung

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách Khoa

- Thư viện Khoa Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Cột ống thép (tròn) nhồi bê tông có khả năng chịu lực lớn hơn

so với cột thép hình trong khi tiết diện không quá lớn, có thể thi công cùng với giai đoạn đổ bê tông cọc khoan nhồi, sẽ là giải pháp hữu hiệu nhằm khắc phục những hạn chế khi sử dụng cột thép hình Nghiên cứu ứng dụng ống thép nhồi bê tông làm cột tạm trong thi công tầng hầm công trình theo công nghệ Top-down là đề tài có ý nghĩa thực tiễn

Chính vì thế, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng ống thép nhồi bê tông làm cột tạm trong thi công tầng hầm công trình theo công nghệ top-down” là đề tài cần nghiên cứu để sớm triển khai áp dụng

vào thực tế xây dựng công trình

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu ứng xử của hệ cột tạm bằng ống thép nhồi bê tông khi chịu tải trọng từ trên công trình truyền xuống;

Lựa chọn các thông số hợp lý về hình dạng, kích thước tiết diện ống thép, cấp độ bền bê tông;

So sánh kiểm tra giữa cột tạm thép hình và cột ống thép nhồi

bê tông trong trường hợp có đinh chống cắt và không có đinh chống cắt

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Ống thép nhồi bê tông khi chịu tải

trọng thẳng đứng từ trên công trình truyền xuống

- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu ứng dụng ống thép nhồi bê

tông làm cột tạm trong thi công tầng hầm công trình theo công nghệ Top-down Ứng dụng cho công trình từ 3 đến 6 tầng hầm

4 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan cột ống thép nhồi bê tông

- Nghiên cứu các đặc trưng cơ lý của ống thép nhồi bê tông

- Tính toán so sánh khả năng chịu lực của ống thép nhồi bê tông và cột thép hình trên công trình thực tế

- Vẽ biểu đồ các đại lượng ảnh hưởng đến khả năng chịu lực

và ổn định của ống thép nhồi bê tông

- Đề xuất, kiến nghị

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu các tài liệu, các mô hình tính toán nhà cao tầng thi công cùng lúc tầng hầm và tầng nổi bằng công nghệ top-down cùng các tài liệu chuyên khảo;

- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm chuyên dụng để khảo sát ứng xử của cột ống thép nhồi bê tông;

Áp dụng tính toán trên công trình thực

6 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm các phần sau:

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG TẦNG HẦM TRONG NHÀ CAO TẦNG BẰNG CÔNG NGHỆ TOP DOWN 1.1 Khái niệm về tầng hầm

1.1.1 Xu hướng phát triển nhà có tầng hầm

Các công trình nhà cao tầng có tầng hầm ngày một nhiều, nhất

là ở các thành phố lớn như ở Thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội, Đà Nẵng với số tầng hầm từ 1 đến 4 tầng hầm

1.1.2 Sự cần thiết của tầng hầm trong nhà cao tầng:

1.2.4 Phương pháp thi công từ trên xuống ( Top-down)

a Các bước thi công chính của phương pháp Top-down và Ưu,

nhược điểm:

- Đẩy nhanh tiến độ,thời gian thi công

- Không cần dùng hệ thống chống tạm

- Chống vách đất được giải quyết triệt

- Không tốn hệ thống giáo chống, copha cho kết cấu dầm sàn

- Giải quyết được các vấn đề về móng (hiện tượng bùn nền )

- Giảm ảnh hưởng xấu của thời tiết

Một số nhược điểm

- Kết cấu cột tầng hầm phức tạp

- Liên kết giữa dầm sàn và cột tường khó thi công

- Thi công đất trong không gian kín khó thực hiện cơ giới

- Ảnh hưởng đến sức khoẻ người lao động

b Một số kỹ thuật cần thiết trong thi công tầng hầm theo phương pháp Top-down

1.3 Ứng dụng thay thép hình bằng cột ống thép nhồi bê tông làm cột chống tạm trong thi công công trình theo công nghệ Top- down

Trong giới hạn luận văn đề cập đến công nghệ thi công tầng hầm theo phương pháp Thi công từ trên cao xuống (Top-down) Và đặc biệt đi sâu vào việc tính toán kiểm tra hệ cột chống Kingpost, hệ cột chống tạm này được xem là “xương sống” của cả công nghệ Top-down, tuy nhiên ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa có tiêu chuẩn tính toán cụ thể.Ngoài ra luận văn còn đề cập đến việc mở rộng ứng dụng cột ống thép nhồi bê tông trong công nghệ Top-down thay cột thép hình làm cột chống tạm, khi mà yêu cầu từ thực tế số lượng tầng hầm

và tầng nổi thi công (trước khi có hệ cột chính) ngày càng tăng do nhu cầu sử dụng và tiến độ thi công, kéo theo là tải trọng đặt lên hệ cột tạm trong quá trình thi công sẽ càng lớn Bài toán lúc này đặt ra

là, khi tải trọng tăng, thì sức chịu tải của cột chống tạm cũng phải tăng, và cột thép hình sẽ không còn phù hợp cho khả năng chịu tải trọng rất lớn này Khi đó tác giả đề cập đến việc ứng dụng thay thế hệ cột thép hình kingpost bằng cột ống thép nhồi bê tông Cột ống thép nhồi bê tông sẽ có khả năng chịu lực tốt hơn và tiết diện nhỏ hơn so với cột thép hình, Tuy nhiên mỗi loại đều có ưu nhược điểm và phạm

vi ứng dụng riêng Đặc biệt, việc tính toán, thiết kế lựa chọn thông số hợp lý của loại cột ống thép nhồi bê tông dùng cho công nghệ thi công Top-down cần được nghiên cứu chi tiết

Việc tính toán, so sánh thay thế giữa hai hệ cột này được Trình bày trong bài toán thực tế tại tòa nhà BIDV 65 Hải Phòng – Đà

Nẵng, và được trình bày ở chương 3 của luận văn này

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ

TÔNG, TÍNH CỘT THÉP HÌNH, ETABS

2.1 Đặc điểm chung kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông:

2.1.1 Khái niệm

2.1.2 Đặc điểm chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông

* Nguyên lý tập trung vật liệu, các cấu kiện nên được làm to lên thì tổng khối lượng toàn kết cấu sẽ được giảm nhẹ nhờ khả năng chịu lực của kết cấu tăng nhanh hơn so với sự tăng khối lượng của

nó

* Nguyên lí đơn giản hóa hình dạng kết cấu

* Nguyên lí về sự kết hợp chức năng

2.1.3 Kết cấu ống thép liên hợp

Hình 2.3 Các kiểu cột liên hợp khác nhau:

a) Mặt cắt ống thép nhồi bê tông thông thường, b) Mặt cắt vỏ thép nhồi bê tông với lõi thép hình, c) Mặt cắt ống thép nhồi bê tông

và lõi với thép hình tổ hợp thép thường

2.1.4 Vật liệu của kết cấu ống thép nhồi bê tông

a Bê tông

b Thép

2.1.5 Các kết cấu xây dựng dân dụng và công nghiệp

2.2 Trạng thái ứng suất của cột ống thép nhồi bê tông

2.2.1 Khái quát

2.2.2 Cột ngắn chịu nén đúng tâm

2.3 Lý thuyết tính toán kết cấu cột chống tạm bằng ống thép

nhồi bê tông (CFST) và thép hình (Kingpost) [6],[7]

2.3.1 Thiết kế cường độ cột ống thép nhồi bê tông

a Nhận xét chung

b Sức kháng tải trọng của cột CFST chịu nén dọc trục

c So sánh với kết quả thí nghiệm

2.3.2 Khả năng chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông theo

các tiêu chuẩn Trung Quốc (CECS 28:90, JCJ 01-89,DL 5099-97)

a Tính toán cường độ chịu lực của cấu kiện chịu lực đúng tâm

- Tính toán sức chịu tải của cột ngắn chịu lực đúng tâm

+) Theo CECS 28: 90

0 c c

N f A (1  0) (2.8) trong đó:

N0: lực tác dụng lên cấu kiện

: hệ số giữa ống thép và bê tông, s s

fc: cường độ chịu nén của bê tông

Ac: diện tích mặt cắt của lõi bê tông

+) Theo JCJ 01- 89

0 s s L c c

N f A K f A (2.10) trong đó:

KL: hệ số tăng cường độ chịu nén của lõi bê tông, phụ thuộc

loại thép, cấp của bê tông và hàm lượng thép  ( bảng 4.2)

: hàm lượng thép của cấu kiện  = 4t/D

+) Theo DL 5099 – 97

Dựa trên nghiên cứu vật liệu ống thép nhồi bê tông, từ đó có

được cường độ của ống thép nhồi bê tông và căn cứ toàn bộ mặt cắt

tìm ra khả năng chịu nén đúng tâm của cấu kiện

Giá trị cường độ thiết kế của ống thép nhồi bê tông liên hợp

fsc được tính như sau:

2

f (1.212   B C )f (2.11) trong đó:

: hệ số của mặt cắt cấu kiện,  = n,fc/fc’

B: hệ số tính toán, B = 0,1759fy/235+9,9740

C: hệ số tính toán, C = -0,1038fck/20 + 0,0309

fck: giá trị tiêu chuẩn cường độ chịu nén của bê tông

fy: giới hạn đàn hồi của vật liệu thép ống

Sau khi có được giá trị thiết kế cường độ chịu nén của ống thép

nhồi bêtông chịu nén đúng tâm nhân với diện tích mặt cắt của cấu

kiện ống thép nhồi bêtông chịu nén đúng tâm

N0f Asc sc (2.12)

trong đó: fsc: giá trị cường độ thiết kế của tổ hợp ống thép nhồi

bê tông chịu nén đúng tâm

Asc: diện tích mặt cắt của cấu kiện liên hợp ống thép nhồi bê

tông,

Asc = D2/4 (2.13)

b Cường độ chịu kéo

Theo quy trình JCJ 01-89 và CECS 28:90 công thức tính toán là: N  Asfs (2.14) Theo DL 5099 - 97: N 1 1 AsfsNhư vậy các công thức tính cường độ chịu kéo của 3 tiêu chuẩn là tương đồng với nhau, hệ số 1.1 trong DL 5099- 97 tức là tính tăng thêm 10%

c Tính toán độ ổn định của cấu kiện chịu lực đúng tâm

- Phương pháp tính toán

Khi mà độ mảnh rất nhỏ thì giảm hệ số bằng 1, vấn đề ổn định được chuyển thành vấn đề cường độ Từ vấn đề độ mảnh, giảm

hệ số có thể thấy, với JCJ01-89, DL 5099-97 khi độ mảnh  = 4L0/D

 10 (L0 là độ dài cấu kiện, D là đường kính ống thép) thì hệ số mảnh giảm bằng 1.0 Với CECS 28:90 khi độ mảnh  = L0/D 4 thì hệ số

độ mảnh giảm bằng 1,0

Công thức tính toán độ ổn định của cấu kiện chịu nén đúng tâm là:

N 1N0 (2.15) trong đó: N: khả năng chịu tải

l0: chiều dài tự do của cấu kiện

D: đường kính ống thép

+) Theo JCJ 01-89

Đối với trụ dài trong giai đoạn mất ổn định, có thể trực tiếp

dùng công thức tính lực tác dụng theo Ole:

2 N sc

Đối với trụ dài trung bình trong giai đoạn mất ổn định và có

tính dẻo, tính đàn hồi, sử dụng lý luận đại lượng tiếp tuyến để tính ra

lực Ơle:

2 sct

Đại lượng biến dạng tiếp tuyến Esct được tính bằng công thức

quan hệ tỷ lệ của lực tác dụng nén lên ống thép nhồi bê tông

Tiêu chuẩn DL5099 – 97 dựa theo giả thiết đồng nhất để tìm

được đại lượng biến dạng tiếp tuyến tổ hợp của bê tông cốt thép

sc sc y

sc sc y

Tương tự như tiêu chuẩn JCJ 01-89, để thuận tiện hơn trong này

đã quy định giảm bớt một hệ số 1, phụ thuộc vào độ mảnh, loại thép

2.3.3 Lý thuyết tính toán kiểm tra cột chống King post trong công

nghệ Top- Down theo TVCN 5575:2012 [6]

Kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện kingpost theo tiêu chuẩn

f : cường độ tính toán của thép

γc : Hệ số điều kiện làm việc của kết cấu

b Kiểm tra điều kiện độ mảnh

 (2.27)

Trong đó A : Diện tích tiết diện nguyên

φex, φey : Hệ số ổn định tổng thể phương x, y + Kiểm tra ổn định cục bộ

d Tính toán kiểm tra vị trí liên kết với cọc nhồi

Thiết kế Kingpost vào cọc khoan nhồi, phần Kingpost ngập trong bê tông sẽ chịu tác dụng của lực bám dính giữa bê tông cọc khoan nhồi và Kingpost, được tạo nên bởi các nhân tố chủ yếu là lực

ma sát ( khi bê tông ngưng kết, do ảnh hưởng của co ngót mà bê tông

ôm chặt lấy cột thép tạo nên lực ma sát giữa chúng)và lực dán( keo xi măng có tác dụng như cột thứ hồ dán dán cột thép vào bê tông) Trị số của lực bám dính là:

F1= t x P x L (N) (2.31) Trong đó

t: là giá trị lực dính trung bình,xác định theo công thức

t = k x ttc (N/mm2 ) (2.32) Trong đó

k : là hệ số an toàn, k= 0,7 - 0,8

ttc : là giá trị lực dính tiêu chuẩn giữa cột thép và bê tông, được lựa chọn trên cơ sở kết quả thí nghiệm xác định lực dính giữa cốt thép và bê tông

P : là chu vi của tiết diện Kingpost (mm)

L : là chiều dài Kingpost ngập trong bê tông cọc khoan nhồi

Để đảm bảo Kingpost truyền tải trọng từ các tầng thi công phía trên xuống cọc khoan nhồi một các an toàn mà không gây phá hoại cọc, tương quan giữa lực dọc tác dụng lên Kingpost Nmax và lực bám dính giữa Kingpost và cọc khoan nhồi F1 phải thỏa mãn điều kiện:

Nmax ≤ F1 (N) (2.33) Thiết kế Kingpost có đinh chống cắt để chống lại lực dọc

Nmax, có thể bố trí hàn các định chống cắt ( shear stud) trên thân Kingpost ở vị trí liên kết với bê tông cọc khoan nhồi.Khả năng chịu cắt cửa đinh có thể tính toán theo tiêu chuẩn BS 5950-1990 Từ trị số khả năng chịu lực cắt tiêu chuẩn Qtc của một đinh, xác định khả năng chịu cắt tính toán Qtt của một đinh như sau:

Qtt = k x Qtc (N) (2.34) Trong đó : k là hệ số an toàn : k= 0,8 Nếu số lượng đinh chống cắt là n, khả năng chịu lực của Kingpost theo đinh chống cắt F2 là:

F2 = n x Qtt (N) (2.35) Thiên về an toàn, trong trường hợp này không tính lực dính giữa cốt thép và bê tông Khi đó, điều kiện để đảm bảo Kingpost truyền tải trọng từ các tầng phía trên xuống cọc khoan nhồi một cách

an toàn mà không gây phá hoại cọc là:

Phần trọng tâm là lý thuyết tính toán kết cấu ống thép nhồi bê tông, với việc tính toán khả năng chịu lực của kết cấu cột CFST theo các tiêu chuẩn Trung Quốc như ( CECS 28:90; JCJ 01-89 ; DL 5099-97) từ đó lập bảng so sánh việc tính toán khả năng chịu lực cũng như

độ ổn định của cột CFST Dựa trên việc tính toán đó để so sánh các tiêu chuẩn, chọn lựa ra lý thuyết thiên về an toàn nhất làm tiền đề cho những tính toán so sánh với cột thép hình ở chương 3

Ngoài ra phần cuối chương 2 nói về lý thuyết tính toán kiểm tra khả năng chịu lực của cột thép hình theo TCVN 5575:2012 và giới thiệu sơ lược về phần mềm Etabs, phần mềm giúp tính toán nội lực của công trình tác dụng lên cột tạm Tóm lại tất cả các lý thuyết lập luận so sánh trong chương 2 nhằm làm cở sở cho việc tính toán so sánh khả năng chịu lực của cột ống thép nhồi bê tông với cột thép hình sẽ được trình bày ở chương 3

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG VÀO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ KIỂM TRA VÀ LỰA CHỌN THÔNG SỐ HỢP LÝ CHO CỘT ỐNG THÉP

NHỒI BÊ TÔNG 3.1 Giới thiệu công trình và mô hình

hóa công trình bằng phần mềm Etabs

3.1.1 Vật liệu sử dụng cho công trình

3.1.2 Giải pháp kết cấu phần thân

3.1.3 Giải pháp kết cấu phần ngầm

3.1.4 Quy trình thi công Kingpost

3.1.5 Trình tự thi công Top-down

3.1.6 Một số lưu ý biện pháp thi công

3.1.7 Tải trọng tác dụng lên công trình

3.1.8 Mô hình hóa công trình với Etabs

Hình 3.2 Mô hình xây dựng tính toán

Hình 3.3 Mô hình 3D hệ cột tầng

hầm 4

Phạm vi luận văn chỉ nghiên cứu so sánh sức chịu tải của lực dọc cột, bỏ qua lực xô ngang của gió và áp lực đất

Lấy nội lực chân cột N= 613 tấn = 6130 kN

3.3 Tính toán thay cột Kingpost bằng cột ống thép nhồi bê tông

3.3.1 Tính toán sức chịu tải của cấu kiện chịu lực đúng tâm

3.3.2 Tính toán độ ổn định của cấu kiện chịu lực đúng tâm

3.4 Biện pháp thi công và phạm vi ứng dụng của các cột chống tạm

3.4.1 Phương pháp thi công cột tạm và phạp vi ứng dụng

3.4.2 Quy trình thi công cột chống tạm

Hình 3.15b tiết diện ống thép nhồi bê tông D=500mm, t=14mm

3.5 So sánh và phân tích

Tiêu chí so sánh

Dùng cột tạm bằng thép hình TD:

H500x400x30x30(mm)

Dùng cột tạm ống thép nhồi bê tông: TD D500; t=14 (mm)

Theo đường kính cọc khoan

nhồi Quy trình thi

- Vị trí liên kết với dầm

và cột thi công đơn giản

-Tải lớn lớn, thi công đồng thời từ mặt đất đi xuống móng và đi lên các tầng trên (cho công trình có từ ba tầng hầm trở lên)

- Tại các vị trí cột tầng hầm trùng với cọc nhồi Nếu không trùng thì khó thu hồi -Vị trí liên kết với dầm và cột khó thi công

3.6 Lựa chọn các thông số hợp lí của cột ống thép nhồi bê tông

3.6.1 Cố đinh mác thép của cột ống thép và cấp độ bền bê tông nhồi trong ống thép, thay đổi đường kính D và bề dày ống thép t 3.6.2 Cố định đường kính D và chiều dày ống thép t, thay đổi mác thép của cột ống thép và cấp độ bền bê tông nhồi trong ống thép 3.6.3 Bình luận kết quả

Có sự tăng một cách tuyến tính khả năng chịu lực và độ ổn định của cột ống thép nhồi bê tông khi thay đổi tăng các thông số như