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

CÁC KÝ HIỆU: Aa Diện tích mặt cắt ngang của cấu kiện kết cấu thép Ac Diện tích mặt cắt ngang của cấu kiện bê tông As Diện tích mặt cắt ngang của cốt thép Dc Đường kính lõi bê tông Ea Mô

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 CÔNG NGHỆ

TOP-DOWN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2017

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 CÔNG NGHỆ

TOP-DOWN

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình DD & CN

Mã số : 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ KHÁNH TOÀN

Đà Nẵng - Năm 2017

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên

Lưu Hoàng Lân

TRANG PHỤ BÌA

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG TẦNG HẦM TRONG NHÀ CAO TẦNG BẰNG CÔNG NGHỆ TOP DOWN 3

1.1 Khái niệm về tầng hầm 3

1.1.1 Xu hướng phát triển nhà có tầng hầm 3

1.1.2 Sự cần thiết của tầng hầm trong nhà cao tầng: 4

a Do nhu cầu sử dụng 4

b Về mặt nền móng 4

c.Về mặt kết cấu 5

d Về an ninh quốc phòng 5

1.2 Các phương pháp và công nghệ thi công tầng hầm trong nhà cao tầng 5

1.2.1 Phương pháp đào đất trước sau đó thi công nhà từ dưới lên 5

1.2.2 Sử dụng tường tầng hầm công trình làm tường chắn đất 6

1.2.3 Phương pháp gia cố nền trước khi thi công hố đào: 8

1.2.4 Phương pháp thi công từ trên xuống ( Top-down) 9

a Các bước thi công chính của phương pháp Top-down & ưu, nhược điểm 9

b Một số kĩ thuật cần thiết trong thi công tầng hầm theo phương pháp Top-down 10

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 12

1.4 Kết luận Chương 1 13

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG, CÁCH TÍNH CỘT THÉP HÌNH, VÀ PHẦN MỀM ETABS 15

2.1 Đặc điểm chung kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông 15

2.1.1 Khái niệm 15

2.1.2 Đặc điểm chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông 16

2.1.3 Kết cấu ống thép liên hợp 18

2.1.4 Vật liệu của kết cấu ống thép nhồi bê tông 22

a Bê tông 22

b Thép 22

2.1.5 Các kết cấu xây dựng dân dụng và công nghiệp 23

2.2.2 Cột ngắn chịu nén đúng tâm 24

2.3 Lý thuyết tính toán kết cấu cột chống tạm bằng ống thép nhồi bê tông ( CFST ) và thép hình ( Kingpost ) 27

2.3.1 Thiết kế cường độ cột ống thép nhồi bê tông 27

a Nhận xét chung 27

b Sức kháng tải trọng của cột CFST chịu nén dọc trục 28

c So sánh với kết quả thí nghiệm 30

2.3.2 Tính toán 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) 32

a Tính toán khả năng chịu lực của cấu kiện chịu lực đúng tâm 32

b Cường độ chịu kéo 36

c Tính toán độ ổn định của cấu kiện chịu lực đúng tâm 36

d So sánh và phân tích 39

2.3.3 Lý thuyết tính toán kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện kingpost theo tiêu chuẩn TCVN 5575:2012 41

a Kiểm tra theo điều kiện bền 41

b Kiểm tra điều kiện độ mảnh 41

c Kiểm tra theo điều kiện ổn định 41

d Tính toán kiểm tra vị trí liên kết với cọc nhồi 42

2.4 Giới thiệu phần mềm ETABS để nghiên cứu ứng xử hệ cột chống tạm 43

2.5 Kết luận Chương 2 44

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 45

3.1 Giới thiệu công trình và mô hình hóa công trình bằng phần mềm ETABS 45

3.1.1 Vật liệu sử dụng cho công trình 45

3.1.2 Giải pháp kết cấu phần thân 46

3.1.3 Giải pháp kết cấu phần ngầm 46

3.1.4 Quy trình thiết kế Kingpost 49

3.1.5.Trình tự thi công Top-down 49

3.1.6 Một số lưu ý biện pháp thi công: 50

3.1.7 Tải trọng tác dụng lên công trình 50

3.1.8 Mô hình hóa công trình với etab 51

3.2 Tính toán kiểm tra cột chống phụ bằng thép hình (Kingpost) 57

3.2.1 Kiểm tra ổn định theo TCVN 5575:2012 57

3.2.2 Tính toán khả năng chịu tải của hệ cột chống Kingpost, theo lực bám dính giữa bê tông cọc khoan nhồi và cột thép hình 58

3.2.3 Phương án sử dụng đinh chống cắt 59

3.3.2 Tính toán độ ổn định của ống thép nhồi bê tông chịu lực đúng tâm: 61

3.4 Tính toán theo quy trình thi công thực tế 63

3.4.1 Kiểm tra ổn định theo TCVN 5575:2012 65

3.4.2 Tính toán độ ổn định của ống thép nhồi bê tông: 69

3.5 Biện pháp thi công và phạm vi ứng dụng của các loại cột chống tạm 63

3.5.1 Phương pháp thi công cột tạm và phạm vi ứng dụng 65

3.5.2 Quy trình thi công cột chống tạm: 69

3.6 So sánh và phân tích 69

3.7 Lập biểu đồ thể hiện khả năng chịu lực, độ ổn định của cột ống thép nhồi bê tông 70

3.7.1 Cố định 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 t 71

3.7.2 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 75

3.7.3 Bình luận kết quả 76

3.8 Kết luận Chương 3 76

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

PHỤ LỤC

CÁC KÝ HIỆU:

Aa Diện tích mặt cắt ngang của cấu kiện kết cấu thép

Ac Diện tích mặt cắt ngang của cấu kiện bê tông

As Diện tích mặt cắt ngang của cốt thép

Dc Đường kính lõi bê tông

Ea Mô đun đàn hồi của kết cấu thép

Ec Mô đun đàn hồi của bê tông

Es Mô đun đàn hồi của cốt thép

Fh, Fn, Ft Các lực tác dụng lên mặt phẳng phá hoại do cắt

Ld Chiều dài vùng phá hoại cục bộ

N Lực pháp tuyến trong mặt cắt

Na Lực pháp tuyến trong mặt cắt thép

Nc Lực pháp tuyến trong mặt cắt bê tông

Nct Tải trọng đàn hồi tới hạn

Npt.Rd Sức kháng dẻo của mặt cắt ngang liên hợp

Pu.cal Tải trọng cực hạn tính toán

Py Tải trọng chảy dẻo

Py.cal Tải trọng chảy dẻo

eoi Độ lệch tâm ban đầu

fe.cyl Cường độ chịu nén của bê tông vói mẫu thử hình feres Cường độ dư của bê tông

fcc Cường độ chịu nén do trương nở của bê tông fco Cường độ chịu nén 1 trục của bê tông

fs Giới hạn chảy của cốt thép

Cường độ ép mặt lên đầu mút( khi tì sát)

ay Biến dạng chảy của thép

c Biến dạng của bê tông

co Biến dạng của bê tông chịu nén một trục

cc Biến dạng của bê tông chịu nén nhưng bị kiềm chế

ch Biến dạng bên của bê tông

Ix, Iy Momen quán tính theo phương x-x ; y-y

X Hệ số chiết giảm do uốn dọc

Concrete-Filled Steel Tube - CFST : Ống thép nhồi bê tông

High strenght concrete – HSC : Bê tông cường độ cao

Normal strenght concrete – NSC : Bê tông cường độ thường

Rebar concrete - RC : Kết cấu bê tông cốt thép

Rebar Steel concrete - RSC : Kết cấu bê tông lõi cốt thép và thép hình

2.2 Một số chỉ tiêu bê tông theo tiêu chuẩn CESC 28.90 22

2.4 So sánh giữa kết quả thí nghiệm và Tiêu chuẩn EC4 30

2.8 So sánh kết quả tính toán khả năng chịu lực của cấu kiện chịu

lực đúng tâm theo 3 tiêu chuẩn thiết kế khác nhau 35 2.9 Hệ số ổn định φ1 phụ thuộc vào loại thép, cấp bê tông, hàm

Số hiệu

1.2 Các bước thi công theo phương pháp top-down 122.1 Cấu tạo kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFST) 152.2 Cấu tạo kết cấu ống thép nhồi bê tông mặt cắt rỗng 16

2.4 Cột bê tông cốt thép có ống thép mỏng bao ngoài 20

2.8 Tình trạng ứng suất trong ống thép và lõi bê tông 26

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

3.21 Biểu đồ khả năng chịu lực khi thay đổi D và t của ống (Cố định

3.22 Biểu đồ khả năng chịu lực khi thay đổi D và t của ống (Cố định

3.23 Biểu đồ khả năng chịu lực khi thay đổi D và t của ống (Cố định

3.24 Biểu đồ khả năng chịu lực khi thay đổi D và t của ống (Cố định

3.25 Biểu đồ độ ổn định khi thay đổi D và t (Cố định mác bê tông

Học viên: Lưu Hoàng Lân Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD & CN

Mã số:60.58.02.08 Khóa: 31 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt – Một trong các giải pháp hay được sử dụng khi thi công tầng hầm các công trình

cao tầng là công nghệ Top-Down với hệ cột tạm (Kingpost) thay thế cột tầng hầm trong quá trình thi công là “xương sống” Sự kết hợp đồng thời, vừa thi công các sàn tầng hầm vừa thi công các sàn tầng trên mặt đất, làm tăng tải trọng tác dụng lên cột tạm, đòi hỏi cột tạm (thường bằng thép hình) cũng phải tăng tiết diện để đảm bảo khả năng chịu lực Tuy nhiên, Khi tiết diện cột tạm tăng đủ lớn sẽ lớn hơn kích thước tiết diện cọc khoan nhồi, nơi mà nó tạm cắm vào để phục vụ thi công Mặt khác, khi tiết diện cột tạm tăng sẽ gây lãng phí

Nghiên cứu trong luận văn đề cập đến việc ứng dụng ống thép nhồi bê tông (CFST) làm cột tạm thay cột thép hình trong công nghệ thi công Top-down Từ những tính toán phân tích với số liệu thực tế, nghiên cứu cho thấy khả năng chịu lực của cột CFST là tốt hơn so với thép hình Nghiên cứu cũng đã tiến hành khảo sát khả năng chịu lực của cột CFST khi thay đổi các thông số của cột CFST như: diện tích mặt cắt ngang tiết diện, chiều dày ống thép, cường độ của bê tông nhồi trong ống thép nhằm tìm kiếm những thông số tối ưu của ống CFST

Từ khóa – Nhà cao tầng nhiều tầng hầm; Top-Down; cột chống tạm, Cột CFST; biện pháp thi

The topic of dissertation is using CFST as kingpost instead of structural steel in down construction method Based on analysis and real statistics, the study shows that the force bearing of CFST is better than structural steel The research also conducts a survey on the force bearing of CFST when CFST’s parameters such as cross sectional area, thickness of steel pipe, intensity of CFST change to find the optimal parameters of CFST

Top-Key words - High-rise building with basements, Top-down construction method, Kingpost

system, concrete-filled steel tube, Kingpost construction method

Đặc điểm quan trọng trong công nghệ Top-down là thi công hệ dầm sàn của các tầng hầm công trình từ trên mặt đất xuống đến móng trước khi thi công móng Quá trình thi công dầm sàn tầng hầm xen kẽ với quá trình thi công đào đất tầng hầm Trong quá trình thi công, hệ dầm sàn có độ cứng ngang lớn đóng vai trò như kết cấu chịu tải trọng ngang do áp lực đất và các hoạt tải xung quanh tác dụng lên tường vây bê tông cốt thép Do cột các tầng hầm chưa được thi công hoặc chưa làm việc để chịu tải trọng thẳng đứng cho đến khi thi công xong đài móng, vì vậy cần thiết phải có hệ cột tạm, gọi là Kingpost, để chịu tải trọng thẳng đứng do trọng lượng bản thân và hoạt tải thi công trên sàn truyền xuống Tùy thuộc vào biện pháp thi công cụ thể mà Kingpost có thể là những cột thép hình (thép cán nóng định hình hoặc thép hình tổ hợp) được tính toán đảm bảo khả năng chịu lực Khi công trình có nhiều tầng hầm, biện pháp thi công

áp dụng vừa thi công từ mặt đất xuống dưới móng vừa kết hợp thi công một số tầng nổi phía trên để rút ngắn thời gian thi công, khi đó tải trọng tác dụng lên Kingpost rất lớn, đòi hỏi Kingpost phải có tiết diện lớn, trong khi cọc khoan nhồi, nơi chôn kingpost, có đường kính không lớn, dẫn đến không đảm bảo khả năng chịu lực hoặc do tiết diện Kingpost quá lớn, gây lãng phí, đặc biệt khi các Kigpost trùng với vị trí cột của công trình và không thể thu hồi 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 khoa học và thực tiễn

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- 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 lí 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, 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, điều kiện địa chất tại Đà Nẵng

4 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 tế, đưa ra so sánh và kết luận

5 Cấu trúc luận văn

Mở đầu:

1 Lí do chọn đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan về công nghệ thi công tầng hầm trong nhà cao tầng bằng công nghệ Topdown

Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán cột ống thép nhồi bê tông

Chương 3: Ứng dụng vào công trình thật kiểm tra và lựa chọn thông số hợp lý cho cột ống thép nhồi bê tông

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Quyết định giao đề tài ( bản sao)

Phụ lục

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 [8]

Trong các công trình xây dựng nhà nhiều tầng trên thế giới, người ta quy định phần tầng nhà là từ cao trình mặt đất tự nhiên trở lên Còn những tầng tiếp theo ở thấp hơn so với mặt đất (nằm dưới tầng trệt) đều được gọi là tầng hầm Tầng hầm có thể nửa nổi nửa chìm hoặc nằm hoàn toàn dưới mặt đất Thường ở những nhà cao tầng thì tầng hầm trên cùng có thể là nửa nổi nửa chìm khi ta muốn tận dụng sự thông gió, chiếu sáng tự nhiên Số lượng tầng hầm của nhà cao tầng chủ yếu phụ thuộc vào ý đồ

sử dụng của chủ đầu tư, tuy nhiên nó cũng phụ thuộc vào chiều cao của công trình và nền đất dưới công trình cũng như kỹ thuật xây dựng tầng hầm hiện tại

1.1.1 Xu hướng phát triển nhà có tầng hầm

Nhà có tầng hầm đã xuất hiện từ lâu trên thế giới, nó trở thành phổ biến và gần như là một thông lệ khi xây dựng nhà cao tầng Ở châu Âu, do đặc điểm nền đất tương đối tốt, mực nước ngầm thấp, kỹ thuật xây dựng tiên tiến và cũng do nhu cầu sử dụng, nên hầu như nhà cao tầng nào cũng có tầng hầm Các ga ngầm của hệ thống metro, các công trình xử lí nước thải có qui mô lớn, các bãi đỗ xe ngầm, là dạng công trình ngầm đặc biệt, thường có chiều sâu lớn so với mặt đất tự nhiên

Việc xây dựng tầng hầm trong nhà cao tầng là điều rất bình thường nó trở nên quen thuộc mỗi khi thiết kế và thi công vì nó giải quyết được các nhu cầu thực tế do nhà cao tầng đặt ra Ở Việt Nam, nhà cao tầng có tầng hầm xuất hiện nhiều những năm gần đây Thống kê trong Bảng 1.1 cho thấy các công trình có tầng hầm ở Thành phố

Hồ Chí Minh, Hà Nội, Đà Nẵng và thế giới, với số tầng hầm từ 1 đến 4 tầng hầm

Bảng 1.1 Thống kê một số nhà cao tầng có tầng hầm ở Việt Nam và thế giới

đào(m)

Có thể nhận thấy các công trình nhà cao tầng thường có từ 1 đến 4 tầng hầm, chiều sâu hố đào khi thi công tầng hầm có thể từ 5m đến 17m Cá biệt một số công trình có thể có từ 5-6 tầng hầm, Sài gòn Center là một ví dụ với 5 tầng hầm Tất nhiên trong tương lai gần tại Việt Nam sẽ có những công trình với tầng hầm, chiều sâu hố đào khi thi công sẽ rất lớn, sẽ đòi hỏi công nghệ thi công hiện đại hơn, các vấn đề kĩ thuật phát sinh trong thi công hố đào sâu cũng nhiều hơn, phức tạp hơn nhằm đảm bảo yêu cầu về chất lượng, giá thành, an toàn

Tầng hầm trong nhà cao tầng sẽ là vấn đề quen thuộc trong ngành xây dựng trên thế giới kể cả Việt Nam Nó sẽ rất phù hợp cho các thành phố tương lai được thiết kế hiện đại, đảm bảo được yêu cầu về môi sinh, môi trường và đáp ứng sở thích của con người như là nhà có vườn treo, thành phố thông thoáng 3 chiều hay những căn hộ được thiết kế theo dạng biệt thự trong các nhà nhiều tầng Có thể nói rằng tầng hầm trong nhà nhiều tầng là một nhu cầu khách quan vì nó có những ưu việt ta phải tận dụng

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

a Do nhu cầu sử dụng

Từ lâu ở các nước công nghiệp phát triển, nhu cầu về nhà cửa tăng nhanh, các phương tiện giao thông cũng tăng đáng kể, cộng với mức sống khá cao đã kéo theo một loạt hoạt động dịch vụ, trong khi đó diện tích để xây dựng lại hạn hẹp vì thế việc ra đời của nhà cao tầng là tất yếu Một khi nhà cao tầng ra đời, nó đòi hỏi xã hội phải đáp ứng những nhu cầu do bản thân nó sinh ra, đó chính là nhu cầu của những người sống trong khu nhà đó Vì thế việc xây dựng tầng hầm đã ra đời và phát triển mạnh nhằm:

- Làm kho hàng hóa phục vụ sinh hoạt của những người trong tòa nhà

- Làm tầng phục vụ sinh hoạt công cộng như cửa hàng, quán bar

- Làm gara ô tô, xe máy

- Làm tầng kỹ thuật để giải quyết các vấn đề điều hòa không khí, xử lý nước thải, lắp đặt máy móc phục vụ giao thông (thang máy)

- Làm nơi cư trú tạm thời khi có sự cố chiến tranh

- Ở các ngân hàng, kho bạc nó còn là nơi cất trữ tài liệu mật, tiền bạc, vàng, đá quý và các tài sản có giá trị cao

* Ở Việt Nam: Tình hình cũng không ngoài xu hướng phát triển của thế giới, chỉ

có điều là ta luôn đi sau vài thập niên so với các nước tiên tiến Ngày này, nhu cầu và

xu thế của tầng hầm đã là quá rõ ràng đối với nhà cao tầng Sự ra đời của nó hoàn toàn nhằm đáp ứng nhu cầu vừa nêu trên

b Về mặt nền móng

Nhà cao tầng thường có tải trọng rất lớn ở chân cột, nó gây ra áp lực rất lớn lên nền và móng, vì vậy tầng hầm sẽ giảm tải cho móng vì một khối lượng đất khá lớn trên móng đã được lấy đi Hơn nữa, khi có tầng hầm thì móng được đưa xuống khá sâu,

móng có thể đặt vào nền đất tốt, cường độ của nền tăng lên

c Về mặt kết cấu

Đối với nhà cao tầng không có tầng hầm, độ sâu ngàm vào đất thường là rất nông, độ ổn định của công trình không cao do trọng tâm của công trình ở trên cao Khi nhà có tầng hầm, trọng tâm của công trình sẽ được hạ thấp làm tăng tính ổn định tổng thể của công trình Hơn nữa, tường, cột, dầm sàn của tầng hầm sẽ làm tăng độ ngàm của công trình vào đất, tăng khả năng chịu lực ngang như gió, bão, lũ lụt, động đất

d Về an ninh quốc phòng

Tại các trụ sở ngân hàng, kho bạc có tầng hầm thì nó sẽ được sử dụng làm nơi cất giữ tiền bạc, kim loại quý Còn ở những khu nhà ở, văn phòng thì tầng hầm sẽ là nơi tránh bom đạn tốt nhất cho người dân mỗi khi xảy ra chiến tranh

1.2 Các phương pháp và công nghệ thi công tầng hầm trong nhà cao tầng [8]

Việc thi công tầng hầm luôn đi đôi với việc thi công đào đất vì tầng hầm nằm dưới mặt đất Ngày nay với công nghệ thi công đất đã có rất nhiều tiến bộ chủ yếu nhờ vào các máy móc, thiết bị thi công hiện đại và các quy trình thi công hợp lý, cho phép thi công được những công trình phức tạp, ở những địa hình khó khăn Để tiện cho việc

so sánh, ta có thể hệ thống các phương pháp thi công chính như sau đây:

1.2.1 Phương pháp đào đất trước sau đó thi công nhà từ dưới lên (Bottom up)

Thi công đào đất đến độ sâu thiết kế (độ sâu đặt móng), sau đó tiến hành thi công các kết cấu công trình theo thứ tự bình thường từ móng lên

Ưu điểm của phương pháp này là công nghệ thi công đơn giản, độ chính xác cao, hơn nữa các giải pháp kiến trúc và kết cấu cho tầng hầm cũng đơn giản vì nó giống phần trên mặt đất Việc xử lý chống thấm cho thành tầng hầm và việc lắp đặt hệ thống mạng lưới kỹ thuật cũng tương đối thuận tiện dễ dàng Việc làm khô hố móng cũng đơn giản hơn, ta có thể dùng bơm hút nước từ đáy móng theo hố thu nước đã được tính toán sẵn Nhược điểm của phương pháp này là: khi chiều sâu hố đào lớn sẽ rất khó thực hiện, đặc biệt khi lớp đất bề mặt yếu Khi hố đào không dùng hệ cừ thì mặt bằng phải

đủ rộng để mở taluy cho hố đào Không gian đào chật hẹp, việc chống giữ vách tường chắn phức tạp, thời gian thi công kéo dài và chi phí thi công cao

Qua thực tế ta có thể đưa ra các phương án giữ vách hố đào theo phương pháp thi công từ trên xuống như:

- Đào đất theo độ dốc tự nhiên, phương pháp này chỉ áp dụng khi hố đào không sâu, đất dính, góc ma sát trong của đất φ lớn, mặt bằng thi công rộng rãi đủ để mở taluy mái dốc hố đào và để thiết bị thi công cũng như chỗ tập kết khối lượng đất được đào lên

- Dùng ván cừ đặt thành nhiều tầng (không chống) Hố đào được đào thành nhiều bậc, mở rộng phía trên, áp dụng cho trường hợp khi ván cừ không đủ dài để chống một lần hoặc khi hố đào quá sâu, thi công đào đất bằng phương pháp thủ công và khi có

yêu cầu hố đào phải thông thoáng để thi công tầng hầm

- Dùng ván cừ có chống hoặc có neo, hố đào được đào thẳng đứng Dùng cừ có chống khi cột chống không ảnh hưởng đến thi công tầng hầm, còn khi có sự đòi hỏi thông thoáng trong hố đào để thi công tầng hầm ta phải dùng neo trong đất, thường là neo ứng suất trước trong đất Loại ván cừ có chống thanh văng ngang chống giữ vách

hố đào, áp dụng cho trường hợp hố đào được đào thẳng đứng, chiều sâu hố đào lớn

- Thiết bị thi công đào đất:

Đối với các loại hố đào ta vừa kể trên việc thi công đào đất có thể được tiến hành bằng cơ giới hay thủ công Với phương pháp thi công cơ giới, ta có thể dùng loại máy đào một gầu Cụ thể là khi chiều sâu hố đào H ≤ 4m, ta dùng máy đào gầu nghịch dung tích gầu phổ biến là 0.15m3 đến 0.5 m3, loại này có ưu điểm là đứng trên đào xuống thấp nên có thể đào ở những nơi có nước và việc đưa vật liệu lên ô tô là dễ dàng, nhanh gọn Khi nước ngầm ở thấp hơn cao trình máy đứng, ta có thể dùng máy đào gầu thuận Nó có thể đào được những hố đào khá sâu, rất thích hợp khi kết hợp với đào

và đổ đất lên xe vận chuyển đi Tuy nhiên loại máy này yêu cầu đường đi cho ô tô vận chuyển phải di chuyển liên tục tốn công làm đường Ngoài hai loại máy chính trên người ta còn có thể sử dụng máy đào gầu dây và máy đào gầu ngoạm Với máy đào gầu dây, nó chỉ thích hợp nhất khi đào móng sâu có nước, loại này năng suất thấp so với máy đào gầu thuận và gầu nghịch Với máy đào gầu ngoạm thì sử dụng để đào những hố đào thẳng đứng, nó dùng để đào trong lòng giếng, đào hố sâu có thành cọc ván cừ hay tường chắn Nó chỉ thích hợp cho đất yếu hoặc đất hạt rời Khi đào chỗ đất rắn ta phải làm tơi đất trước

Với những công trình mà khối lượng đất đào không lớn, hố đào không sâu (<500m3) người ta thiên về đào thủ công Dụng cụ để đào là các dụng cụ cổ truyền như cuốc, xẻng, mai, cuốc chim, kéo cắt đất Để thi công đạt năng suất cao người ta phải chọn dụng cụ thích hợp đồng thời cũng phải tìm cách giảm khó khăn cho thi công cũng như làm tăng hoặc giảm độ ẩm của nền đất hoặc làm khô mặt bằng

Sau khi đã thi công xong phần đào đất móng Người ta tiến hành thi công nhà theo các phương pháp thông thường như đã biết, nghĩa là thi công móng nhà sau đó tiến hành đến phần thân nhà

1.2.2 Sử dụng tường tầng hầm công trình làm tường chắn đất

Ở trên ta đã trình bày các phương pháp thi công truyền thống nhưng nó chỉ thích hợp cho các tầng hầm chiều sâu không lớn Mặt bằng thi công rộng rãi và cách xa, các công trình có sẵn, còn đối với những công trình xây chen như ở các thành phố có các tòa nhà nhiều tầng có từ 1 đến 4 tầng hầm trở lên thì việc áp dụng các phương pháp truyền thống là không khả thi và kém hiệu quả về kinh tế, chính vì lẽ đó người ta đưa

ra một trình tự thi công như sau:

Trước khi công đào đất người ta tiến hành thi công phần tường vây của tầng hầm

trước, sau đó tiến hành đào đất tầng hầm và hố móng đến đáy hố móng Các cọc của công trình có thể thi công trước, sau hoặc đồng thời với thi công tường Phần kết cấu chính của tầng hầm cũng như các công trình được thi công từ dưới lên trên, từ móng đến mái (Bottom-up)

Phương pháp này có ưu điểm rất lớn là không cần dùng ván cừ để giữ vách hố đào Trình tự thi công công trình vẫn theo thứ tự truyền thống, tức là xây từ dưới xây lên Để áp dụng được phương pháp này thì tường vây của công trình phải được thiết kế đảm bảo chịu được tải trọng do áp lực đất gây ra với nó, đồng thời có đủ điều kiện để thi công tường trong đất (tường vây)

Nhược điểm của nó là thời gian thi công dài và phải thi công xong tường vây rồi mới đào đất tầng hầm và hố móng công trình Nếu trường hợp tường vây không đảm bảo chịu lực thì phải có biện pháp chống đỡ

- Các phương pháp chống tường vây:

Tường vây có chiều sâu khá khá lớn, chịu áp lực đất cũng khá lớn, nên các phương pháp chống đơn giản không áp dụng được, nếu có thì độ tin cậy cũng không cao Vì vậy, người ta thường áp dụng các biện pháp chống tường vây như sau:

+ Dùng hệ dầm và cột chống văng giữa các tường đối diện Hệ dầm này thường làm bằng thép hình gồm các xà ngang, dầm văng và cột chống đỡ xà ngang Dầm văng

là bộ phận chịu lực chính (chịu nén uốn) làm nhiệm vụ chống giữ các tường đối diện Cột chống có nhiệm vụ giữ cho dầm văng ổn định (giảm chiều dài tính toán)

Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, dễ tính toán, xong rất tốn vật liệu làm

xà, dầm cột (có thể thu hồi phần lớn hệ dầm, cột tạm) Tuy nhiên nhược điểm của nó là chiếm không gian trong hố đào, gây khó khăn cho quá trình thi công tầng hầm Hệ dầm, cột tạm sẽ được thu hồi trong quá trình thi công hệ cột dầm sàn tầng hầm công trình Khi chiều ngang công trình lớn thì hệ chống đỡ trở nên phức tạp vì khoảng cách giữa các tường đối diện quá lớn

+ Để khắc phục nhược điểm của phương pháp trên người ta dùng neo ứng suất trước trong đất để giữ tường bao Phương pháp này được áp dụng khi ta cần không gian để thi công trong lòng hố đào Quá trình thi công đào đất kết hợp với việc thi công các lớp neo ở gần cao độ các sàn tầng hầm Với phương pháp này, tường được giữ với ứng lực trước nên rất ổn định Khi tầng hầm đã được xây dựng xong, tường được giữ bởi hệ kết cấu dầm sàn tầng hầm, lúc này neo sẽ được dỡ đi hoặc để lại tùy theo sự thỏa thuận của chủ đầu tư với các công trình bên cạnh Nếu tường bao hở (không liên kết với kết cấu tầng hầm) thì các neo sẽ vẫn được giữ nguyên và làm việc lâu dài, lúc này nó cần được bảo vệ cẩn thận

So sánh giữa hai phương pháp ta có thể kết luận phương pháp dùng cột dầm để chống đỡ hố đào dễ thực hiện song nó sẽ gây nhiều cản trở cho thi công công trình tầng hầm, chỉ cần những sơ suất nhỏ có thể xảy ra sự cố đáng tiếc Với phương pháp dùng neo ngầm đảm bảo một mặt bằng thi công rộng rãi, thoáng đãng, song nó đòi hỏi

phải có thiết kế và tính toán neo và phải có đủ thiết bị để thi công như bơm bê tông, neo ứng lực trước Phương pháp này cho giá thành khá cao chỉ nên áp dụng cho những công trình thực sự cần thiết đến hệ neo này

1.2.3 Phương pháp gia cố nền trước khi thi công hố đào:

Khi công trình được thi công ở những vùng đất cát, việc đào đất sẽ gặp khó khăn

vì cát sẽ lở Ngoài những biện pháp chống đỡ thành hố đào như đã nêu ở trên ta cũng

có thể áp dụng phương pháp gia cố nền hố đào trước khi đào đất Nó thích hợp cho công trình có mặt bằng thi công rộng và chiều sâu hố đào không lớn

Nội dung của phương pháp này là trước khi thi công đào đất người ta dùng khoan

và bơm cao áp phụt vữa xi măng vào nền đất xung quanh hố đào Khi vữa xi măng rắn chắc sẽ làm cho nền đất có cường độ tăng lên, cụ thể là tăng hệ số dính C và góc ma sát trong φ của nền đất Với biện pháp gia cố này, hố đào có thể đào thẳng đứng hoặc nghiêng theo góc φ khá lớn

Ưu điểm của phương pháp này là thi công đơn giản, giá thành thấp, tạo mặt bằng thi công thống thoáng không bị vướng bởi hệ chống

Nhược điểm:

 Khó xác định chính xác các thông số của nền sau khi gia cố

 Độ tin tưởng thấp

 Đòi hỏi phải có mặt bằng xung quanh rộng để gia cố vùng có nguy cơ trượt

a) Đào đất theo mái dốc tự nhiên b) Đào đất có cừ không chống

d) Ván cừ giữ vách có neo khi cần thông thoáng cho hố đào khi thi công tầng hầm c) Hố đào đào thành nhiều tầng

có cừ chắn không chống

Hình 1.1 Các phương án giữ vách hố đào 1.2.4 Phương pháp thi công từ trên xuống (Top-down):

a Các bước thi công chính của phương pháp Top-down & ưu, nhược điểm

Bước 1: Thi công tường trong đất và cọc khoan nhồi trước Cột của tầng hầm (hoặc cột chống tạm của hệ dầm sàn tầng hầm) cũng được thi công cùng cọc nhồi đến cao trình mặt nền

Bước 2: Người ta tiến hành đổ bê tông dầm sàn tầng trệt ngang trên mặt đất tự nhiên, dầm sàn tầng trệt được liên kết với tường trong đất và cột đỡ tạm tầng hầm Người ta lợi dụng các ô cầu thang máy, thang bộ, giếng trời làm cửa đào đất và vận chuyển đất lên đồng thời cũng là cửa để thi công tiếp các tầng dưới Ngoài ra nó còn là cửa để thông gió, chiếu sáng cho việc thi công đào đất Khi bê tông đạt cường độ yêu

cầu, tiến hành đào đất qua các lỗ cầu thang, giếng trời cho đến cao trình của sàn tầng hầm thứ nhất (C1) thì dừng lại sau đó lại tiếp tục đặt cốt thép đổ bê tông sàn tầng C1 Cũng trong lúc đó từ mặt sàn tầng trệt có thể tiến hành thi công phần thân nghĩa là từ dưới lên Khi thi công đến sàn tầng hầm dưới cùng thì tiến hành đổ bê tông sàn tầng hầm đáy, móng liền với đầu cọc Bản sàn tầng hầm đáy còn đóng vai trò chống thấm

và chịu lực đẩy nổi Acsimet Như vậy, trong suốt quá trình thi công tầng hầm, lợi dụng ngay chính sàn tầng hầm để chống đỡ tường vây Như vậy hệ cột chống tạm có vai trò cực kì quan trong, ảnh hưởng quyết định đến thành công của phương pháp thi công

Ưu điểm của phương pháp Top-down:

 Tiến độ thi công nhanh

 Không phải chi phí cho hệ thống chống phụ

 Chống vách đất được giải quyết triệt để vì dùng tường tầng hầm làm tường chắn và hệ kết cấu công trình có độ bền và ổn định cao làm hệ chống ngang

 Không tốn hệ thống dàn giáo, cốp pha cho kết cấu dầm sàn vì sàn thi công trên mặt đất

 Thích hợp thi công cho các mặt bằng nhỏ hẹp

Nhược điểm của phương pháp Top-down:

 Kết cấu cột tầng hầm phức tạp

 Liên kết giữa dầm sàn, cột và tường khó thi công

 Thi công trong tầng hầm kín ảnh hưởng đến sức khỏe người lao động

 Phải lắp đặt hệ thống thông gió và chiếu sáng nhân tạo

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

 Cột thép đỡ tạm

Khi thi công tầng hầm theo phương pháp “Top-Down” phải sử dụng các cột thép

để đỡ các sàn tầng hầm Nếu thi công kết cấu phần thân đồng thời với thi công tầng hầm thì các cột thép chống tạm này phải chịu được thêm cả số tầng trên mặt đất Số lượng các sàn mà cột thép chống tạm cần phải đỡ sẽ được lấy theo tiến độ thi công phần thân nhà Các cột thép đỡ tạm có thể được thu hồi hoặc để lại bên trong các cột

bê tông của công trình tùy thuộc vào vị trí của nó Việc tính toán các cột này sẽ được

đề cập ở chương 3 của luận văn này Trong thực tế người ta dùng thép I có gia cường thép góc hoặc ống thép với khả năng chịu lực từ 200 - 1000 tấn Các cột thép đỡ tạm thường được đặt đúng vào vị trí các cột chịu lực của công trình và thường được cắm sẵn vào các cọc khoan nhồi từ khi thi công cọc khoan nhồi Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, cột tạm có thể không trùng với cột của công trình

 Yêu cầu về bê tông

Khi nền đất yếu có thể dùng hệ cột chống và ván khuôn để gia cường đổ sàn Do yêu cầu thi công liên tục, phải tháo ván khuôn sớm để tiến hành đào đất thi công tiếp tục phần dưới, nên cần dùng phụ gia để giúp bê tông nhanh chóng đạt được cường độ

yêu cầu trong một thời gian ngắn Có thể sử dụng các phương pháp sau:

Sử dụng phụ gia hóa dẻo, siêu dẻo giảm tỉ lệ nước nhưng vẫn giữ nguyên độ sụt yêu cầu làm tăng cường độ của bê tông

Sử dụng các phụ gia tăng trưởng cường độ nhanh, có thế đạt trên 90% cường độ thiết kế trong vòng 7 ngày Khi thi công cột và vách cứng, cần phải dùng bê tông có phụ gia trương nở để vá các đầu cột, đầu lõi nơi tiếp giáp với dầm sàn Phụ gia trương

nở nên sử dụng loại khoáng, khi tương tác với nước xi măng tạo ra các cấu tử nở CaOAl2O33CaSo4 (31-32)H2O Hàm lượng phụ gia trương nở thường được sử dụng

là từ 5 - 15% của lượng xi măng, không nên dùng bột hoặc các chất sinh khí để làm bê tông trương nở bởi chúng gây ăn mòn cốt thép Bê tông sàn nơi tiếp giáp với tường tầng hầm nơi có thép chờ và ở sàn đáy phải được chống thấm bằng những phương pháp hữu hiệu, việc sửa chữa những chỗ bị rò rỉ, thấm sau khi đã thi công bê tông là rất khó khăn và tốn kém

 Hạ mực nước ngầm để thi công các tầng hầm

Khi thi công các tầng hầm bằng phương pháp “Top-Down” thường gặp nước ngầm gây khó khăn rất nhiều cho việc thi công, thông thường người ta phải kết hợp cả hai phương pháp là hạ mực nước ngầm bằng ống kim lọc và hệ thống thoát nước bề mặt gồm các mương tích nước, hố thu nước và máy bơm Việc thiết kế các hệ thống hạ mực nước ngầm và thoát nước này phải được tính toán riêng cho từng độ sâu thi công theo từng giai đoạn Khi thi công cũng phải coi trọng và tuân thủ đúng yêu cầu thiết kế của công tác này

Giai đoạn 1: Thi công cọc nhồi và thi công

tường trong đất

Giai đoạn 2: Đổ sàn tầng trệt

Hình 1.2 Các bước thi công theo phương pháp top-down cho công trình có

Tuy nhiên, các cột thép hình thích hợp hơn cho thi công các công trình có ít hơn

3 tầng hầm Khi mà số lượng tầng hầm lớn hơn thì việc sử dụng hệ cột thép như trên

sẽ có nhiều bất cập, cụ thể là khả năng chịu lực của hệ cột thép hình chống tạm

Giai đoạn 3: Đào đất tầng ngầm C1 Giai đoạn 4: Đổ sàn tầng hầm C1

Đổ bê tông tầng T1

Giai đoạn 6: Đổ sàn tầng đáy+ đài móng

Đổ bê tông sàn tầng T2 Giai đoạn 5: Đào đất tầng hầm C2

Đổ bê tông cột tầng T2

Do hệ cột thép đỡ tạm phải đỡ được toàn bộ số tầng hầm phía trên và một số tầng nổi, nên tải trọng tác dụng lên cột tạm là rất lớn, đòi hỏi cột Kingpost phải có tiết diện tương ứng đủ lớn Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, cọc khoan nhồi, nơi các cột thép hình cắm vào trong quá trình thi công thường có đường kính không lớn Hơn nữa, việc thi công trong tầng hầm cần hạn chế bố trí nhiều cột tạm gần nhau (dễ gây vướng mắc trong mặt bằng thi công chật hẹp) Việc này gây khó khăn trong thi công Để giải quyết vấn đề này, khi thi công nhà cao tầng có từ 4-5 tầng hầm kết hợp với thi công đồng thời một số tầng trên mặt đất làm cho tải trọng tác dụng vào cột tạm rất lớn, cần nghiên cứu sử dụng loại cột tạm có khả năng chịu lực tốt mà tiết diện không quá lớn, thuận tiện cho thi công, tiết kiệm chi phí Hiện nay, cột ống thép nhồi bê tông, với khả năng chịu lực lớn hơn cột thép hình thông thường nhưng tiết diện không quá lớn đã được đưa vào sử dụng trong nhiều trường hợp để thay thế cột thép hình Trong chương

3, tác giả đề cập đến việc nghiên cứu ứng dụng hệ thống cột chống tạm bằng ống thép nhồi bê tông thay cho hệ thép hình Kingpost ở các vị trí cột chính trùng với cọc khoan nhồi Cũng trong chương 3, sẽ tiến hành nghiên cứu nhằm tìm ra các thông số hợp lí của cột chống tạm nhồi bê tông ứng dụng trong thi công phần ngầm theo phương pháp Top-down

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Qua chương 1 ta có thể khẳng định: việc thiết kế, xây dựng các công trình dân dụng cao tầng có tầng hầm ở Việt Nam là cần thiết Chúng ta đã, đang và sẽ xây dựng nhiều tòa nhà có tầng hầm để phục vụ dân sinh, điều này chúng ta hoàn toàn làm được

vì chúng ta có đội ngũ các kiến trúc sư, kỹ sư thiết kế, kỹ sư thi công, công nhân có đủ năng lực, tiếp cận và cập nhật được các kiến thức thực tế trên thế giới cũng như máy móc thiết bị và công nghệ thi công tiên tiến

Có nhiều phương pháp thi công cho nhà cao tầng có tầng hầm, mỗi phương pháp đều có những ưu, nhược điểm và phạm vi sử dụng riêng Tuy nhiên với những ưu điểm vượt trội mà phương pháp thi công từ trên xuống (Top-down) mang lại thì phương pháp này đang được ứng dụng tại Việt Nam ngày càng nhiều, nhất là cho các công trình có mặt bằng chật hẹp, nhiều tầng hầm và đòi hỏi tiến độ thi công nhanh chóng 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 Kingpost bằng thép hình 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, CÁCH TÍNH CỘT THÉP HÌNH, VÀ PHẦN MỀM ETABS

2.1 Đặc điểm chung kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông [7]

2.1.1 Khái niệm

Hệ thống kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông (Concrete-Filled Steel Tube - viết tắt tiếng Anh là CFST) là một hệ thống gồm các cấu kiện chịu lực chính là các ống thép được nhồi đặc bằng bê tông cường độ cao hoặc trung bình Thông thường dùng ống tròn, nhưng các ống vuông cũng có thể được áp dụng Trong luận văn này sẽ chủ yếu đề cập đến loại ống tròn Hệ thống kết cấu CFST có nhiều ưu điểm về độ cứng, cường độ, khả năng chống biến dạng, và khả năng chống cháy Nói chung loại kết cấu này có thể nghiên cứu áp dụng cho rất nhiều loại công trình xây dựng nhà,

xưởng và các công trình cầu đường

Hình 2.1 Cấu tạo kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFST)

- Kết cấu ống thép nhồi bê tông là một kết cấu liên hợp bao gồm ống thép vỏ và

bê tông lõi cùng làm việc chung Kết cấu loại này có nhiều ưu thế

- Độ bền của lõi bê tông (có lớp vỏ thép với chức năng như lớp áo bọc chặt bên ngoài) đã được tăng khoảng 2 lần so với độ bền của bê tông thông thường

Lõi bê tông Vỏ thép

Hình 2.2 Cấu tạo ống thép nhồi bê tông mặt cắt rỗng hai lớp vỏ thép

- Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng

đúng ra là có sự co ngót nhưng cũng đã có

sự trương nở của bê tông trong ống và sự

trương nở đó được duy trì trong nhiều năm

tạo thuận lợi cho sự làm việc của bê tông

Không có sự trao đổi độ ẩm giữa bê tông

và môi trường bên ngoài là nguyên nhân

gây ra sự trương nở Nhiều thí nghiệm đã

chứng tỏ trị số biến dạng co ngót theo

chiều dọc của mẫu bị cách ly là rất nhỏ,

vào khoảng =(2 - 3).10-5 mm Đó là ưu

điểm của kết cấu ống thép được nhồi bê

tông so với kết cấu bê tông cốt thép thông

Sự cách ly của bê tông với môi trường xung quanh tạo ra những điều kiện tốt hơn cho

sự làm việc của bê tông khi chịu tải trọng

Nhiều thí nghiệm so sánh hai loại kết cấu đã cho thấy rằng tải trọng càng tác dụng dài hạn thì càng gây ra sự phá hoại trong bê tông không bị cách ly lớn hơn nhiều

so với bê tông bị cách ly Trong bê tông không bị cách ly thì các vết nứt nhỏ ngày càng nhiều, còn trong bê tông bị cách ly khi chịu ứng suất ở mức độ nhỏ tương tự như trong

bê tông không bị cách ly thì chỉ sau 2 đến 3 ngày đầu sẽ hoàn toàn không bị nứt thêm nữa Trong các mẫu bê tông không bị cách ly thì tính phi tuyến của biến dạng từ biến

có thể quan sát được trong vòng 20 đến 30 ngày, trong bê tông bị cách ly thì tính phi tuyến này sẽ mất đi trong vòng 20 đến 30 ngày, trong bê tông bị cách ly thì tính phi tuyến này sẽ mất đi trong vòng 2 đến ngày đầu (với điều kiện chúng chịu ứng suất như nhau)

Việc nhồi bê tông vào ống thép đã nâng cao độ bền chống ăn mòn mặt trong của ống thép, làm giảm độ mảnh của cấu kiện, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống

và làm tăng khả năng chống móp, méo (biến dạng) của vỏ ống thép khi bị va đập

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

Khác với ống thép thường, ống thép nhồi bê tông chỉ làm việc hiệu quả khi chịu nén Khi chịu kéo khả năng chịu lực của nó nhỏ hơn nhiều Về mặt này ống thép nhồi

bê tông tương tự kết cấu bê tông cốt thép Do đó trong một hệ thống kết cấu chịu lực nên dùng ống thép nhồi bê tông chỉ cho các cấu kiện chịu nén Về nguyên tắc không

Vỏ thép Lõi bê tông

nên dùng kết cấu ống thép nhồi bê tông làm cấu kiện chịu kéo Tuy nhiên trong một số trường hợp cũng có thể dùng ống thép nhồi bê tông làm cấu kiện chịu kéo vì các lý do đặc biệt như: để chống gỉ cho bề mặt trong ống, để tăng độ cứng chống uốn hay tăng trọng lượng bản thân

Trong thực tế thường có hai cách lập sơ đồ chịu lực:

+ Thứ nhất: sử dụng ống thép nhồi bê tông trong các sơ đồ kết cấu truyền thống của công trình mà có những cấu kiện chịu nén là chủ yếu, đó là các cột, trụ, thanh biên cột điện, các thanh chịu nén của giàn và vòm

+ Thứ hai: Lập các sơ đồ kết cấu mới mà trong đó các tải trọng tính toán chủ yếu

do ống thép nhồi bê tông chịu Theo cách thứ hai này thì cần lưu ý áp dụng mấy nguyên lý sau:

* 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

Diện tích bề mặt ngoài của kết cấu ống thép nhồi bê tông chỉ nhỏ bằng khoảng một nửa so với của kết cấu thép cán có cùng khả năng chịu lực, do đó chi phí về sơn phủ và bảo dưỡng cũng ít hơn Trên bề mặt của ống hình trụ sẽ đọng lại rất ít bụi và chất bẩn vì vật kết cấu ống thép nhồi bê tông có độ bền chống gỉ cao

Do kết cấu là các thanh hình trụ tròn nên cải thiện được tính chất khí động học và tính ổn định Độ cứng chống xoắn của các thanh loại ống tròn này cao hơn nhiều so với thanh mặt cắt hở Các ống thép nhồi bê tông không cần sơn phủ, mạ kim loại hoặc bịt kín mặt trong của ống

Giá thành tổng thể của công trình làm bằng kết cấu ống thép nhồi bê tông nói chung nhỏ hơn nhiều so với giá thành của công trình tương tự làm bằng kết cấu bê tông cốt thép hoặc kết cấu thép thông thường Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn so với kết cấu bê tông cốt thép do đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn Kết cấu ống thép nhồi bê tông kinh tế hơn so với kết cấu bê tông cốt thép vì không cần ván khuôn, giá vòm, đai kẹp và các chi tiết đặt sẵn, nó có sức chịu đựng tốt hơn, ít hư hỏng do va đập Do không có cốt chịu lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tông với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỷ lệ nước/xi măng có thể lấy nhỏ hơn) và sẽ dễ dàng đặt chất lượng bê tông cao hơn

Ống thép sản xuất bằng thép cán uốn tròn rồi được hàn nối theo dọc ống thường

có độ chính xác cao về bề dày, đường kính, độ ô van và do đó thỏa mãn các điều kiện lắp dựng và khai thác Loại ống thép hàn xoắn có thể được chế tạo bằng cách uốn các tấm thép hẹp theo đường xoắn ốc rồi hàn lại dọc theo đường nối xoắn ốc là kinh tế nhất (loại ống này đã được dùng làm cọc ống cho Cầu Bính ở Hải Phòng)

Nói chung đặc điểm cơ bản của loại kết cấu ống thép nhồi bê tông có thể được tổng kết như sau:

- Mặt cắt ngang của cột trong hệ thống kết cấu ống thép nhồi bê tông có thể được giảm do tăng cường độ vật liệu

- Các nguyên nhân dao động kết cấu do động đất và gió có thể được giảm do nó được tăng cường độ cứng hơn kết cấu thép thông thường

- Ảnh hưởng của sự cố cháy có thể được giảm hoặc bỏ qua do hiệu ứng của bê tông nhồi đặc trong ống thép

2.1.3 Kết cấu ống thép liên hợp

Trong xây dựng công trình, phẩm chất của vật liệu xây dựng thông thường được đánh giá dựa trên những yếu tố như là tính kinh tế, cường độ (độ bền) kết cấu, tính bền lâu và khả năng khai thác thuận tiện Người thiết kế còn quan tâm lựa chọn tối ưu các vật liệu khác nhau và các phương pháp xây dựng, sao cho kết cấu có giá thành rẻ nhất

mà vẫn đảm bảo các yêu cầu khai thác

Các phương pháp cải tiến việc sử dụng vật liệu có thể được phân thành hai loại: thứ nhất, là lựa chọn và thứ hai là tổ hợp các loại vật liệu thích hợp từ các vật liệu mới với các đặc tính cần thiết trong xây dựng, vì vậy kết quả là đã ra đời một loại vật liệu liên hợp Sự lựa chọn các vật liệu khác nhau có thể được gắn vào các dạng mặt cắt ngang với các đặc trưng hình học thích hợp nhất, sao cho các đặc tính của mỗi loại vật liệu sẽ được tận dụng triệt để Kết cấu liên hợp và phương pháp xây dựng thích hợp tương ứng được gọi là phương pháp xây dựng liên hợp Tuy nhiên, sự tổ hợp của các kết cấu liên hợp và phương pháp xây dựng liên hợp có thể là nguyên nhân làm tăng việc sử dụng vật liệu nhiều hơn

Việc ứng dụng các kết cấu liên hợp thép - bê tông là một xu hướng tất yếu và ngày càng được cải tiến trong kỹ thuật xây dựng, đặc biệt trong xây dựng công nghiệp, nhà cửa và cầu đường

Các kết cấu ống thép liên hợp trong xây dựng dân dụng thường là kết cấu cột liên hợp, đó là một kết cấu chỉ chịu nén dọc trục Nhưng trong thực tế, các cột không chỉ chịu nén mà còn chịu uốn do lực nén đặt lệch tâm Tiêu chuẩn chung của cột liên hợp

là phần tử thép có tác động liên hợp với phần tử bê tông, vì vậy cả hai phần tử thép và

bê tông đều tham gia kháng lại lực nén Cột liên hợp gồm các thành phần kết cấu thép

ở bên trong và bê tông bọc ở bên ngoài đã tận dụng hiệu quả về mặt cường độ của hai loại vật liệu và đồng thời tạo thành các kết cấu có tính kháng cháy cao Chính vì vậy, các kiểu cột liên hợp đã phát triển sớm trong thế kỷ XX như một cách bảo vệ chống cháy Bê tông bọc bên ngoài thép, tạo ra lớp vỏ bảo vệ chống cháy bên ngoài cho lõi thép Trong hình 2.3 giới thiệu một vài kiểu cột liên hợp với các dạng mặt cắt ngang khác nhau

a) b) c)

Hình 2.3 Các kiểu cột liên hợp khác nhau:

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

hình, c) Mặt cắt ống thép nhồi bê tông với lõi là thép hình tổ hợp, thép thường

Nhược điểm của các kết cấu bê tông thông thường là cần phải có bộ ván khuôn hoàn chỉnh trong quá trình thi công Kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFST) có lớp vỏ ống thép bọc bê tông do đó không cần thiết phải có ván khuôn vì chính bản thân ống thép đã làm nhiệm vụ ván khuôn trong suốt quá trình đổ bê tông Cột CFST có khả năng áp dụng được rất nhiều trạng thái kết cấu Tùy theo cách bố trí thép và bê tông trong mặt cắt ngang sẽ tạo được độ cứng cần thiết của mặt cắt Vỏ thép có tác dụng chịu kéo và chịu mômen uốn của cột Độ cứng của cột CFST rất lớn bởi vì vật liệu thép được bố trí ở xa trục trọng tâm nhất, ở vị trí đó nó cũng góp phần làm tăng mômen quán tính của mặt cắt Các dạng lõi bê tông lý tưởng có tác dụng chống lại tải trọng nén và cản trở trạng thái oằn cục bộ của ống thép Như vậy, nên sử dụng các cột CFST tại những vị trí phải chịu tải trọng nén lớn Sự giãn nở bị động ở thành bên đã được tạo ra bởi ống thép cũng làm cải thiện cường độ, tính mềm dẻo và biến dạng của

bê tông Khác hẳn với cột bê tông cốt thép và cột liên hợp có bê tông bọc bên ngoài thép với cốt thép ngang, trong kết cấu CFST vỏ ống thép ngăn cản nứt vỡ của lõi bê tông và sự tập trung cốt thép nhỏ trong các vùng liên kết

Việc sử dụng cột ống thép nhồi bê tông đã được Sewell công bố từ năm 1901 Lý

do của Sewell là sử dụng bê tông để chống lại gỉ bên trong của cột ống thép Tuy nhiên một vài cột này đã chịu được các tải trọng ngẫu nhiên quá lớn Từ nhận xét này đã kết luận rằng độ cứng đã được tăng ít nhất là 25% Phát hiện của Concedère về trạng thái kiềm chế cát và bê tông, và hiệu suất giãn nở, đã được công bố từ đầu những năm

1903 và 1906 Các nghiên cứu của Gardner và Jacobson (1967) đã giải thích hiệu ứng giãn nở bị động bằng cách thí nghiệm một thùng chứa đầy cát Khi lấp đầy cát vào trong thùng, khả năng chịu nén của thùng này tăng đáng kể Một cột bê tông hình trụ,

có một cường độ xác định, khi cho nó chịu tải, nó co ngắn lại và nở hông Một ống thép được lấp đầy bằng bê tông cũng có các hiện tượng giống như thùng thép chứa đầy cát

Đặc biệt, trong xây dựng dân dụng, thay vì sử dụng cốt thép như thông thường, người ta cũng đã đưa ra khả năng sử dụng kết hợp ống thép mỏng và cốt thép trong cột (hình 2.4)

Hình 2.4 Cột bê tông cốt thép có ống thép mỏngbao ngoài

Các cột liên hợp CFST ngày càng được áp dụng nhiều trên thế giới Dạng cột này

có nhiều lợi thế như cường độ cao, tính mềm dẻo, khả năng chịu nhiệt lớn, giảm thời gian xây dựng, tăng độ an toàn và sử dụng các kiểu liên kết đơn giản được tiêu chuẩn hóa Ngày nay, các tiến bộ công nghệ đã cho phép sản xuất bê tông cường độ chịu nén cao nên cho phép thiết kế mảnh hơn, cho phép có được các sàn rộng hơn (ví dụ: Bộ Giao thông vận tải đã ban hành Tiêu chuẩn ngành về chế tạo bê tông với cường độ chịu nén từ 60 - 80 MPa từ năm 2003)

Các kết quả nghiên cứu kết hợp các thí nghiệm và phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FE) đối với các cột CFST cho thấy có thể sử dụng bê tông cường độ cao và vẫn đạt được một trạng thái kết cấu mềm dẻo Tuy nhiên, ống thép dày hơn là cần thiết cho bê tông cường độ cao nếu mục đích là đảm bảo tính mềm dẻo

Hiệu ứng tăng cường độ bê tông do sự trương nở là rõ ràng nhất đối với cột ngắn chịu tải trọng lệch tâm Để đảm bảo tác động liên hợp giữa thép với bê tông, ngoài việc lợi dụng cường độ dính bám tự nhiên khi tải trọng được tác dụng chỉ với ống thép hoặc chỉ với lõi bê tông cần phải thiết kế bổ sung các neo liên kết Vì vậy, cường độ dính bám sẽ kém quan trọng hơn Điều này cần lưu ý đặc biệt khi sử dụng bê tông cường độ cao được nhồi vào trong ống thép

Sàn bê tông

Vỏ chống cháy

Bê tông cột Ống thép Cốt thép

Có thể so sánh một cách đơn giản các kết cấu bê tông cốt thép thường (RC), bê tông cốt thép thường có lõi bằng thép cứng (SRC), thép (S) với kết cấu ống thép (CFST hoặc CFT) như trong bảng sau:

Bảng 2.1 so sánh đặc điểm một số loại cột

Kết cấu

Tính chất

Kết cấu (RC)

Kết cấu (SRC) Kết cấu (S)

Kết cấu (CFT và CFST)

và SRC

Trong xây dựng dân dụng, các liên kết trong hệ kết cấu CFST yêu cầu tính lưu động của bê tông tươi cao (độ sụt của hỗn hợp bê tông lớn) và sự truyền ứng suất êm thuận từ các dầm vào các cột Trạng thái liên kết đã được chứng minh trong các thử nghiệm số hóa với các thiết kế khung ngang khác nhau Hình 2.5 và 2.6 chỉ ra quan hệ giữa tải trọng và biến dạng cũng như vài dạng liên kết cột CFST với dầm

Hình 2.5 Quan hệ tải trọng- biến dạng Hình 2.6 Một số dạng liên kết cột- dầm 2.1.4 Vật liệu của kết cấu ống thép nhồi bê tông

a Bê tông

Các cấp bê tông nêu ra ở đây áp dụng theo Tiêu chuẩn mới nhất 22 TCN 272-05 của Bộ Giao thông Vận tải ban hành tháng 7/2005 Nói chung để chọn cấp bê tông làm lõi bê tông trong kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông thì cần tuân theo giá trị nêu trong hợp đồng của dự án cụ thể và cần có thí nghiệm kiểm chứng cụ thể cho mỗi công trình

Có thể tham khảo Tiêu chuẩn CESC 28.90 của Trung Quốc về một số chỉ tiêu của các cấp bê tông như sau:

Bảng 2.2 Mốt số chỉ tiêu bê tông theo tiêu chuẩn CESC 28.90

Cấp bê tông

Ngoài ra, do hiện nay các cầu vòm ống thép đã và đang được xây dựng rất nhiều

ở Trung Quốc, một số dự án ở Việt Nam cũng do chuyên gia Trung Quốc giám sát và giúp đỡ thiết kế, Việt Nam chưa có quy trình cụ thể riêng cho loại cầu này nên cũng có thể tham khảo một số loại thép của Trung Quốc theo bảng sau:

Bảng 2.3 Tính chất cơ lý của một số loại thép

Tên thép Chiều dày t (mm) Cường độ f s (MPa) Mô đun đàn hồi E s

2.1.5 Các kết cấu xây dựng dân dụng và công nghiệp

Một ví dụ điển hình khác là tòa nhà thí nghiệm của Viện nghiên cứu khoa học ở thành phố Olinoe (nước Pháp) đã sử dụng loại cột ống đặc bằng thép nhồi bê tông D = 216mm, nhờ đó giảm được khoảng 40% lượng thép so với kết cấu thông thường

Hình 2.7 Các tòa nhà có sử dụng kết cấu CFST

Trong lĩnh vực xây dựng dầu khí, năm 1989 tại 2 giàn khoan dầu ở biển Đen và biển Azov của Liên Xô đã sử dụng cấu kiện mặt cắt rỗng tổ hợp 3 loại vật liệu thép -

bê tông làm các trụ đỡ chính của giàn khoan, nhờ đó giảm được 30% lượng thép so với

Thiết kế: công ty Takenaka Tổng không gian sàn: 20.642m2 Tòa nhà gồm 2 tầng hầm 12 tầng nổi Được hoàn thành năm 1994

Thiết kế: công ty Takenaka Tổng không gian sàn: 35.787m2 Tòa nhà gồm 3 tầng hầm 12 tầng nổi Được hoàn thành năm 1995

giàn khoan bằng thép cùng loại; hơn nữa, phần rỗng còn được dùng để lắp các thiết bị công nghệ và cấp thông tin

Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, loại kết cấu này được áp dụng khá nhiều Chẳng hạn, tòa nhà được xây dựng bằng kết cấu ống thép ở Chuo-ku, thành phố Kobe (Nhật Bản) Các công trình nhà ở tại thành phố Kobe được xây dựng nhằm chống lại

sự phá hoại ghê gớm của động đất Loại kết cấu ống thép này áp đáp ứng được yêu cầu chống lại động đất

Như vậy loại kết cấu ống thép bê tông được áp dụng rất rộng rãi cho rất nhiều lĩnh vực như cầu đường, nhà dân dụng và công nghiệp, giàn khoan dầu

2.2 Trạng thái ứng suất của cột ống thép nhồi bê tông [7]

2.2.1 Khái quát

Các cột liên hợp bê tông cốt thép thông thường được phân ra: loại cột ngắn và loại cột mảnh (phạm vi luận văn tập trung nghiên cứu về lý thuyết cột ngắn) Các loại này thường được phân biệt xác định bằng tỷ số giữa kích thước mặt cắt ngang với chiều dài, hoặc bằng các dạng phá hoại của chúng Sức chịu tải của loại cột ngắn CFST bị khống chế bởi cường độ mặt cắt của nó, khả năng của mặt cắt ngang chịu tải trọng dọc trục và chịu mô men phụ thuộc hoàn toàn vào cường độ vật liệu của mặt cắt, Sức chịu tải của loại cột mảnh CFST bị chi phối bởi cường độ cấu kiện của nó, vì sức chịu tải phụ thuộc không chỉ vào đặc tính vật liệu mà còn phụ thuộc vào đặc trưng hình học của toàn bộ cấu kiện Nếu sức chịu tải bị giảm nhiều bởi mômen thứ cấp (biến dạng cột gây ra), thì cột được coi như là loại cột mảnh; nếu khác đi thì sẽ được coi như loại cột ngắn

2.2.2 Cột ngắn chịu nén đúng tâm

- Khái quát chung

Trạng thái cơ học của các cột ngắn ống thép nhồi bê tông cũng phụ thuộc vào điều kiện chịu nén đúng tâm Như đã nói ở trên, các cột ngắn liên hợp thường phát huy được hết các hiệu quả cường độ mặt cắt ngang, vì vậy sự hư hỏng của cột này phụ thuộc vào cường độ của các vật liệu thành phần, cụ thể là phụ thuộc vào cường độ chịu nén của bê tông và giới hạn chảy của thép Tuy nhiên, trong cột ngắn CFST, lõi bê tông chịu áp lực kiềm chế thành bên của ống thép, kết quả là mặt cắt cột liên hợp chịu được tải trọng dọc trục lớn hơn so với khi chỉ có riêng mặt cắt bê tông Hơn nữa, quan trọng nhất là trạng thái của bê tông bị kiềm chế do được bọc bằng ống thép sẽ trở nên dẻo hơn và có ảnh hưởng đến toàn bô trạng thái làm việc của kết cấu cột

- Sự kiềm chế bị động trong lõi bê tông

Trước hết cần xét ảnh hưởng của việc bố trí cốt thép đai để chịu lực ngang trong cột bê tông cốt thép thông thường Cốt thép đai này sẽ hạn chế sự giãn nở ngang của

bê tông khi bê tông chịu nén, nghĩa là gây ra áp lực kiểm chế bị động đối với lõi bê tông Bình thường thì sự giãn nở của bê tông tuỳ thuộc vào mức độ nén dọc Khi tải trọng nén tăng thêm, sự giãn nở của bê tông tăng và dẫn đến tăng áp lực kiềm chế Do

đó áp lực kiềm chế bị động được tạo ra bởi cốt thép đai là không cố định, nó phụ thuộc vào biến dạng bên của lõi bê tông dưới tác dụng của tải trọng dọc trục và quan hệ ứng suất - biến dạng của cốt thép đai Khi cốt thép đai bị cháy, áp lực kiềm chế vẫn giữ nguyên không đổi cho đến khi cốt thép đai phát huy hết khả năng chịu lực Tác động kiềm chế bị động của cốt thép đai thành bên có ưu điểm là đã làm chậm được các phá hoại vi cấu trúc trong bê tông, ngăn cản sự phát triến của các vết nứt, khuyết tật trong

bê tông, tàm tăng khả năng chịu tải và giảm khả năng biến dạng của bê tông

Đối với cột bê tông cốt thép thông thường, khi cột chịu tải trọng nén đúng tâm, lớp bê tông bảo vệ không bị kiềm chế và trở nên không hiệu quả sau khi nó đạt tới giới hạn chịu nén Mặt khác, thể tích có hiệu của bê tông được kiềm chế ít hơn thể tích lõi

bê tông được bao bằng đường tim của cốt thép đai, và được xác định theo hình dạng và khoáng cách cốt dai Vùng bê tông bị kiềm chế có hiệu quả có thể miêu tả bằng một vùng của lõi bê tông nơi mà mức độ kiềm chế ứng suất đã được phát triển hoàn toàn

do tác động hiệu ứng vòm,

Đế tránh hiện tượng phá hoại giòn có thể sử dụng loại bê tông cường độ cao (HSC) và đồng thời đế đạt được tính mềm dẻo cao hơn thì có thể giảm khoảng cách giữa các cốt dai Điều này làm tăng thể tích lõi bê tông bị kiềm chế có hiệu quả Tuy nhiên, đồng thời rủi ro của việc phá vỡ sớm lớp bê tông bảo vệ sẽ tăng lên, khi bố trí nhiều cốt đai gần nhau quá sẽ tạo thành một mặt phẳng thẳng đứng tự nhiên có ảnh hưởng chia cắt giữa phần lõi bê tông bị kiềm chế và phần bê tông bảo vệ không bị kiềm chế Điều này có thể thấy trong trường hợp cột bê tông cốt thép với bê tông cường độ thông thường có cốt thép đai bố trí gần nhau Tuy nhiên, trong các thí nghiệm của Claceson (1998) đã cho thấy rằng phá hoại của cột bê tông cốt thép thông thường (NSC) diễn ra dần dần theo trình tự lớp bê tông bảo hộ bên ngoài bị phá vỡ dần dần, trong khi các cột dùng bê tông cường độ cao HSC đã thể hiện sự phá hoại giòn khi ứng suất nén cao dần đến mất ổn định của lớp bê tông bảo hộ

Khác với trường hợp trên, đối với loại cột thép liên hợp bê tông cốt thép bao gồm mặt cắt ống thép rỗng được nhồi đặc bê tông thì ống thép bao ngoài lõi bê tông kiêm

cả hai nhiệm vụ như các cốt thép dọc và cốt thép đai Vì vậy, ứng suất tới hạn của lõi

bê tông đã chịu ánh hưởng của sự kiềm chế bị động do ống thép gây ra Rõ ràng, do không có bê tông bảo vệ nên cũng giảm nguy cơ lõi bê tông bị nứt chẻ Schneider (1998) [13] đã làm các thí nghiệm về cột ngắn chịu tải trọng đứng tâm, với cả hai loại mặt cắt tròn và mặt cắt chữ nhật Ông đã tìm ra rằng cột mặt cắt tròn chịu mức độ kiềm chế lớn hơn so với cột mặt cắt chữ nhật Đó là do bề mặt phẳng bên của cột mặt cắt chữ nhật không đủ cứng để chống lại áp lực thẳng góc với mặt phẳng của chúng cho nên chỉ ở phần trung tâm và các phần góc của mặt cắt, chữ nhật là có hiệu ứng kiềm chế bởi áp lực kiềm chế cao hơn Trái lại mặt cắt tròn có đủ độ cứng chống lại áp lực thẳng góc với thành ống, vì vậy ứng suất kéo có hiệu quả theo chu vi tròn ah, có thể phát triển trong thép để tạo ra áp lực bên phân bổ đều lat, do đó toàn bộ mặt cắt bê

tông sẽ bị kiểm chế có hiệu quả dọc theo chiều dài của cột

Hình 2.8 Tình trạng ứng suất trong ống thép và lõi bê tông

Từ phương trình cân bằng lực tác dụng trong một nửa ống có thể thành lập quan

hệ giữa ứng suất kéo theo chu vi ống và áp lực kiềm chế trong lõi bê tông:

trong đó: fco - cường độ nén không bị kiềm chế:

eco - biến dạng nén dọc trục ứng với cường độ nén và k là hệ số 3 trục

Trong phương trình (2.2& 2.3) có thế nhận xét rằng ứng suất kéo theo chu vi trong ống thép tăng đã khiến cho cường độ nén cao hơn và khả năng biến dạng của bê tông tăng Tăng chiều dày ống thép hoặc giảm kích thước lõi bê tông cũng sẽ cho kết quả tương tự

Do ống thép cũng chịu tải trọng dọc trục, sự kiềm chế bị động trong cột ống thép nhồi bê tông (CFST) phụ thuộc không chỉ vào biến dạng bên của lõi bê tông, mà còn phụ thuộc vào sự giãn nở bên của ống thép Sự khác nhau về đặc trưng giãn nở của hai loại vật liệu có ảnh hướng lớn đến trạng thái cơ học của cột CFST Hơn nữa, do tổ hợp của ứng suất nén dọc trục và ứng suất kéo bên hông, ống thép sẽ ở trong trạng thái ứng suất hai trục, theo tiêu chuẩn giới hạn Von Mises sẽ làm giảm giới hạn đàn hồi trong hướng chu vi Vì vậy, áp lực kiềm chế trong lõi bê tông không thể được ước lượng sớm, bởi vì nó phụ thuộc vào quan hệ giữa ứng suất nén dọc trục at với ứng suất kéo

(2.1)

(2.2) (2.3)

theo chu vi ah mà đại lượng này thay đổi trong quá trình chịu tải

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 Tính toán khả năng chịu lực cột ống thép nhồi bê tông

a Nhận xét chung

Kết cấu ống thép nhồi bê tông được nghiên cứu, áp dụng xuất phát từ ý tưởng lợi dụng các đặc tính liên hợp của hai loại vật liệu bê tông và thép để cải thiện khả năng chịu nén và uốn của kết cấu Kết cấu vỏ thép tạo ra hiệu ứng bó hay kiềm chế bê tông (concrete confinenment) và đồng thời tăng cường khả năng chịu uốn cục bộ của thép, tạo ra sự cùng làm việc (liên hợp) giữa hai thành phần vật liệu này Để tính toán khả năng làm việc liên hợp của mặt cắt ống thép nhồi bê tông, các nước trên thế giới đã nghiên cứu biên soạn nhiều quy trình, quy phạm, tiêu chuẩn thiết kế Tuy nhiên, các công thức tính toán khả năng chịu lực nén và chịu uốn của kết cấu đưa ra bởi các tiêu chuẩn này đều có các sự khác nhau Cho đến nay, Việt Nam chưa ban hành Tiêu chuẩn thiết kế chính thức cho loại kết cấu ống thép nhồi bê tông này

Tại Mỹ, các quy định tính toán cho kết cấu loại này được đề cập lần đầu tiên trong “Các yêu cầu của tiêu chuẩn xây dựng đối với bê tông cốt thép” do viện bê tông Mỹ ấn hành năm 1963 [Building Code Requirements for Reinforced Concrete, ACI 1963]và sau đó trong “Tiêu chuẩn thiết kế nhà kết cấu thép theo hệ số tải trọng

và hệ số sức kháng” do Viện thép xây dựng ấn hành lần thứ nhất năm 1986 (Load and resistance factor design LRFD speccification for structure steel buildings, AISC LRFD 1986)

Ở Bắc Mỹ, nhiều công trình nhà đã được thiết kế có hàng cột ống thép nhồi bê tông (Viest và các cộng sự 1997) [14] Lúc đầu, các thiết kế này được tiến hành dựa trên các nguyên tắc thiết kế công trình cơ bản và có thể thiên về các phương pháp tính toán an toàn do chưa có các quy định cụ thể của Tiêu chuẩn Tại Canada, các yêu cầu thiết kế đối với loại kết cấu này đã được đề cập trong Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép theo trạng thái giới hạn (Limit States Design of Steel Structures, CAN/CSAS 16.1-M94)

Liên quan đến các công trình cầu có sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông, các quy định trong Tiêu chuẩn LRFD 1994 do AASHTO ấn hành năm 1994 đưa ra các công thức tính toán cấu kiện nén tương tự như kiến nghị của AISC nhưng không đề cập đến các điều kiện giới hạn đối với vật liệu hay kích thước hình học của mặt cắt như của AISC Tại Canada, cấu kiện loại này được đề cập trong Tiêu chuẩn thiết

kế cầu đường bộ ấn hành năm 1988 (CSA standard for thi design of highway bridges, CAN/CSA-S6-88, CSA 1988), cũng như trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu Ontario ấn hành năm 1991 Các lần xuất bản sau này của các cơ quan trên như AISC LRFD 1999 và CAN/CSAS 16.1-M94, các công thức tính toán kết cấu ống thép nhồi

bê tông đã được đề cập đầy đủ Tại châu Âu, các nội dung kiểm toán tương tự được