Thiết kế sàn bê tông cốt thép trong hệ kết cấu liên kết với cột ống thép nhồi bê tông sử dụng phương pháp khung tương đương

Hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tông CFST sàn phẳng bê tông cốt thép BTCT là giải pháp kết cấu hợp lý cho nhà cao tầng Điều kiện để kết hợp hai loại kết cấu này là liên kết giữa cột và sàn phẳng Với sự có mặt của chi tiết liên kết sẽ ảnh hưởng đến sự phân bố độ cứng của sàn tại vị trí liên kết gây ảnh hưởng đến ứng xử của sàn Hiện nay các phần mềm thiết kế kết cấu như SAP2000 SAFE chưa thể mô phỏng đồng thời liên kết sàn cột CFST để thực hiện phân tích Do đó luận văn đã trình bày cách xác định nội lực sàn phẳng liên kết với cột CFST sử dụng Shear head bằng phương pháp khung tương đương Tác giả đề xuất ảnh hưởng của Shear head đến cấu kiện xoắn của cột tương đương và trình bày cách xác định nội lực trong sàn bằng phương pháp khung tương đương cũng như bằng phần mềm SAP2000 Trên cơ sở lý thuyết phân tích thực hiện ví dụ xác định nội lực sàn bằng phương pháp khung tương đương và phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng SAP2000 cho khung trục giữa Kết quả cho thấy giá trị mô men khi tính toán theo hai trường hợp không chênh lệch nhiều và phương pháp khung tương đương cho kết quả thiên về giá trị an toàn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH TIẾN KHANG

THIẾT KẾ SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG HỆ KẾT CẤU LIÊN KẾT VỚI CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP KHUNG TƯƠNG ĐƯƠNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 85 80 201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC

Đà Nẵng - Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của 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

TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH

Đề tài: THIẾT KẾ SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG HỆ KẾT CẤU

LIÊN KẾT VỚI CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG SỬ DỤNG PHƯƠNG

PHÁP KHUNG TƯƠNG ĐƯƠNG

Học viên: Huỳnh Tiến Khang Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN

Mã số: 85 80 201 - Khóa: K36 Đà Nẵng, Trường Đại Học Bách Khoa – ĐHĐN

Tóm tắt - Hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) - sàn phẳng bê tông cốt thép

(BTCT) là giải pháp kết cấu hợp lý cho nhà cao tầng Điều kiện để kết hợp hai loại kết cấu này là liên kết giữa cột và sàn phẳng Với sự có mặt của chi tiết liên kết sẽ ảnh hưởng đến sự phân bố độ cứng của sàn tại vị trí liên kết gây ảnh hưởng đến ứng xử của sàn Hiện nay, các phần mềm thiết kế kết cấu như SAP2000, SAFE chưa thể mô phỏng đồng thời liên kết sàn - cột CFST để thực hiện phân tích Do đó, luận văn đã trình bày cách xác định nội lực sàn phẳng liên kết với cột CFST sử dụng Shear head bằng phương pháp khung tương đương Tác giả đề xuất ảnh hưởng của Shear head đến cấu kiện xoắn của cột tương đương và trình bày cách xác định nội lực trong sàn bằng phương pháp khung tương đương cũng như bằng phần mềm SAP2000 Trên cơ sở lý thuyết phân tích, thực hiện ví dụ xác định nội lực sàn bằng phương pháp khung tương đương và phương pháp phần tử hữu hạn (sử dụng SAP2000) cho khung trục giữa Kết quả cho thấy giá trị mô men khi tính toán theo hai trường hợp không chênh lệch nhiều và phương pháp khung tương đương cho kết quả thiên về giá trị an toàn

Từ khóa – CFST, Khung tương đương, Sàn phẳng bê tông cốt thép, Cột tương đương, ACI

318-11

Topic: DESIGN OF THE REINFORCED CONCRETE SLAB IN STRUCTURE

CONNECTED WITH CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMN USING

EQUIVALENT FRAME METHOD

Abstract – The structure system include concrete filled steel column (CFST) - reinforced

concrete flat slab (RC) is a reasonable structural solution for tall buildings The conditions for combining these two types of structures are the connection between the column and the floor The presence of connection details will affect the stiffness distribution of the slab at the connection position, affecting the behavior of the slab Currently, structural design software such as SAP2000, SAFE cannot simulate floor - column CFST columns together for analysis Therefore, the thesis presented how to determine the internal force of flat floor associated with CFST column using Shear head by frame equivalent method The author proposes the influence of the Shear head to the torsion structure of the equivalent column and presents how

to determine internal force in the floor by the equivalent frame method as well as by SAP2000 software On the basis of analytical theory, perform the example of determining the internal force of the slab by the equivalent frame method and finite element method (using SAP2000) for the middle frame The results show that the moment value when calculating in two cases is

not much different and the equivalent frame method gives the result in safe values

Keywords – CFST, Frame Equivalent Method, Reinforced concrete flat slab, Equivalent

column, ACI 318-11

MỤC LỤC

TRANG BÌA

LỜI CAM ĐOAN

TRANG TÓM TẮT TIẾT VIỆT VÀ TIẾNG ANH

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết quả dự kiến 2

6 Bố cục đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỘT CFST, SÀN PHẲNG BTCT VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SÀN PHẲNG BTCT 3

1.1 Tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông 3

1.1.1 Khái niệm về cột ống thép nhồi bê tông 3

1.1.2 Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông 6

1.1.3 Khả năng áp dụng 7

1.2 Sàn phẳng bê tông cốt thép 8

1.2.1 Sàn phẳng BTCT thường 9

1.2.2 Sàn phẳng bê tông ứng lực trước 9

1.2.3 Sàn nấm (sàn phẳng có mũ cột) 10

1.3 Tính toán nội lực trong sàn phẳng 11

1.3.1 Phương pháp phân phối trực tiếp 11

1.3.2 Phương pháp khung tương đương 13

1.3.3 Phương pháp phần tử hữu hạn 16

1.4 Kết luận chương 1 17

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP KHUNG TƯƠNG ĐƯƠNG THIẾT KẾ SÀN TRONG HỆ KẾT CẤU KẾT HỢP CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG 18

2.1 Phân tích khung tương đương trong hệ kết cấu kết hợp cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng 18

2.2 Tính toán độ cứng và sự truyền các mô men ngàm 22

2.3 Đặc điểm của dầm bản 24

2.4 Đặc điểm của các cột 25

2.5 Các cấu kiện xoắn và cột tương đương 26

2.6 Sự phân chia mô men cho các dải cột, dải giữa 31

2.7 Thiết kế khung sử dụng phần mềm SAP2000 31

2.8 Thiết kế cốt thép chịu mô men 32

2.9 Kết luận chương 34

CHƯƠNG 3 VÍ DỤ TÍNH TOÁN 35

3.1 Ví dụ thiết kế sàn theo phương pháp khung tương đương 35

3.2 Thiết kế khung sử dụng phần mềm SAP2000 47

3.3 Kết luận chương 3 50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)

BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC

PHẢN BIỆN

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CFST : Concrete filled steel tube (Ống thép nhồi bêtông)

BTCT : Bê tông cốt thép

Rb : Cường độ chịu nén của bêtông

Rs : Cường độ chịu kéo của cốt thép

Ec : Môđun đàn hồi của bêtông

Es : Môđun đàn hồi của cốt thép

Is : Mômen quán tính của tấm thép chịu cắt

Ic : Mômen quán tính của tiết diện bê tông

wu : Tải trọng phân bố đều trên sàn

ho : chiều cao làm việc của sàn

h : Chiều dày sàn

b : Bề rộng dải bản sàn

As : Tổng diện tích cốt thép chịu kéo trên bề rộng b của dải sàn

a : Chiều cao v ng nén bêtông

Mp : Mômen dẻo của tấm thép chịu cắt

Vu : Lực cắt tổng cột tác dụng vào cột

Vn : Lực cắt danh nghĩa tại tiết diện d/2 gồm (BT+tấm thép)

Vc : Khả năng chịu cắt danh nghĩa của bê tông sàn

S : Mômen tĩnh của một nửa tiết diện chữ nhật tấm thép

fv : Cường độ tính toán về cắt của vật liệu tấm thép

fws : Cường độ tính toán chịu cắt quy ước của thép cơ bản

βf : Hệ số chiều sâu nóng chảy trên tiết diện qua đường hàn

βs : Hệ số chiều sâu nóng chảy trên tiết diện qua thép cơ bản

Awf : Diện tích tính toán của tiết diện đường hàn ứng với tiết diện 1

Aws : Diện tích tính toán của tiết diện đường hàn ứng với tiết diện 2

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Hệ số phân bố mô men cho bản 23

Bảng 2.2 Hệ số độ cứng và hệ số truyền cho các cột 23

Bảng 2.3 Mô men dải cột 31

Bảng 3.1 Thông số hình học của thép hình H100×100 37

Bảng 3.2 Hệ số phân bố mô men cho bản 39

Bảng 3.3 Hệ số độ cứng và hệ số truyền cho các cột 41

Bảng 3.4 Phân phối mô men 43

Bảng 3.5 Bảng phân phối mô men cho dải cột và dải nhịp khung trục 4 45

Bảng 3.6 Bảng tính toán cốt thép cho dải cột và dải nhịp 46

Bảng 3.7 Bảng so sánh mô men khung tương đương so với SAP2000 50

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tông 3

Hình 1.2 Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tông 4

Hình 1.3 Cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép 4

Hình 1.4 Cột CFST được bao bê tông (Concrete-encased CFST) 5

Hình 1.5 Cột CFST tăng cường kết cấu thép và cốt thép gia cường 5

Hình 1.6 CFST với sườn tăng cứng 6

Hình 1.7 Một số tiết diện tổ hợp từ cột CFST 6

Hình 1.8 Ví dụ về công trình được xây dựng bằng kết cấu CFST 8

Hình 1.9 Sàn phẳng bê tông cốt thép 9

Hình 1.10 Sàn bê tông ứng lực trước 10

Hình 1.11 Sàn nấm 11

Hình 1.12 Sơ đồ dãy cột và dãy nhịp 13

Hình 1.13 Sơ đồ khung tương đương 14

Hình 1.14 Cột tương đương 15

Hình 1.15 Thiết kế sàn sử dụng phần mềm SAFE 16

Hình 2.1 Khảo sát công trình sử dụng hệ kết cấu cột CFST- sàn phẳng BTCT 18

Hình 2.2 Liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép 19

Hình 2.3 Liên kết cột CFST – sàn phẳng BTCT sử dụng Shear head 19

Hình 2.4 Xác định khung tương đương, dải nhịp và dải cột 21

Hình 2.5 Xác định v ng ảnh hưởng của shear head đến độ cứng của sàn 21

Hình 2.6 Sự biến thiên độ cứng dọc theo nhịp 22

Hình 2.7 Tính giá trị EI đối với sàn phẳng BTCT liên kết cột CFST 25

Hình 2.8 Tính toán độ cứng của cột Kc 26

Hình 2.9 Khung cột và dầm 26

Hình 2.10 Hoạt động của khung và sự xoắn của cấu kiện biên 27

Hình 2.11 Xác định Kt 28

Hình 2.12 Các cấu kiện chịu xoắn 29

Hình 2.13 Sự phân chia cấu kiện để xác định C 30

Hình 2.14 Xác định C cho trường hợp tiết diện xoắn có Shear head 30

Hình 2.15 Mô hình khung tương đương d ng cho phân tích phần mềm SAP2000 32

Hình 2.16 Tiết diện tính toán đoạn 1-2 32

Hình 2.17 Tiết diện tính toán đoạn 2-3 32

Hình 3.1 Mặt bằng sàn 35

Hình 3.2 Các chi tiết liên kết cột CFST – sàn phẳng BTCT 36

Hình 3.3 Quy đổi chu vi tới hạn của Shear head 37

Hình 3.4 Mô tả khung tương đương trục 4 38

Hình 3.5 Các cấu kiện chịu xoắn liên kết cho cột biên 39

Hình 3.6 Các cấu kiện chịu xoắn liên kết cho cột giữa 42

Hình 3.7 Các hệ số phân bố độ cứng 42

Hình 3.8 Biểu đồ mô men khi tính theo khung tương đương 44

Hình 3.9 Biểu đồ mô men phân phối cho dải cột (bc = 4500mm) 45

Hình 3.10 Biểu đồ mô men phân phối cho dải nhịp (bnh = 4500mm) 46

Hình 3.11 Bố trí côt thép cho khung tương đương 47

Hình 3.12 Mô hình khung tương đương sử dụng SAP2000 49

Hình 3.13 Biểu đồ mô men khung tương đương sử dụng SAP2000 49

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, các công trình nhà cao tầng ở Việt Nam vẫn chủ yếu sử dụng các kết cấu truyền thống là kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép Một giải pháp kết cấu mới và hợp lý sẽ đem lại ý nghĩa lớn về mặt kĩ thuật và hiệu quả sử dụng cho công trình Hệ kết cấu kết hợp giữa cột ống thép nhồi bê tông (CFST) và sàn phẳng bê tông cốt thép là giải pháp hiệu quả thay thế cho kết cấu truyền thống vì những ưu điểm vượt trội về mặt kỹ thuật và thi công của cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép như:

+ Với cột CFST: sự bố trí của thép và bê tông trong mặt cắt ngang tối ưu hóa cường độ và độ cứng của tiết diện Thép nằm ở chu vi bên ngoài, nơi nó làm việc hiệu quả nhất trong việc chịu kéo và chống lại mô men uốn Độ cứng của cột CFST được tăng cường đáng kể vì thép có mô đun đàn hồi lớn hơn nhiều so với bê tông và nằm xa trọng tâm, nơi nó đóng góp lớn nhất vào mô men quán tính Bê tông tạo thành một lõi lý tưởng để chịu được tải trọng nén và nó làm trì hoãn, ngăn chặn sự vênh cục bộ của ống thép, đặc biệt là trong các cột CFST hình chữ nhật Về mặt công nghệ cột ống thép nhồi bê tông dễ thi công, không cần hệ thống coffa nên rút ngắn được thời gian thi công xây dựng công trình

+ Kết cấu sàn phẳng được xem là giải pháp sàn hợp lý vì nó làm giảm được chiều cao tầng, tăng số tầng sử dụng cũng như thuận tiện cho thi công đẩy nhanh tiến

độ xây dựng, thuận lợi cho việc bố trí đường ống thiết bị kĩ thuật, dễ dàng thông gió

và linh hoạt bố trí mặt bằng

Như vậy, hệ kết cấu sàn phẳng và cột ống thép nhồi bê tông ph hợp để sử dụng làm kết cấu cho nhà cao tầng Hiện nay, các nghiên cứu về liên kết sàn - cột đã được thực hiện Tuy nhiên, việc ứng dụng vào thực tế vẫn còn khó khăn vì chưa có các hướng dẫn thiết kế chi tiết Sự có mặt của chi tiết liên kết sẽ ảnh hưởng đến sự phân bố độ cứng của sàn gây khó khăn cho tính toán thiết kế sàn Hơn nữa, các phần mềm thiết kế kết cấu như SAP2000 chưa thể mô phỏng đồng thời liên kết sàn - cột CFST để thực hiện phân tích Do đó, luận văn sẽ nghiên cứu giải pháp thiết kế sàn

theo hướng thực hành Đấy là lý do để thực hiện đề tài: “Thiết kế sàn bê tông cốt

thép trong hệ kết cấu liên kết với cột ống thép nhồi bê tông sử dụng phương pháp khung tương đương”

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu tổng quan về cột CFST, sàn phẳng , các phương pháp thiết kế sàn phẳng bê tông cốt thép

- Nghiên cứu thiết kế sàn phẳng bê tông cốt thép theo phương pháp khung tương đương có xét đến ảnh hưởng của liên kết cột ống thép nhồi bê tông – sàn

phẳng BTCT

- Thực hiện tính toán thiết kế sàn phẳng theo phương pháp khung tương đương trong hệ kết cấu cột CFST – sàn phẳng BTCT

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Hệ kết cấu kết hợp cột CFST với sàn phẳng bê tông cốt thép

- Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế sàn phẳng BTCT theo phương pháp khung tương đương cho khung trục giữa có xét đến chi tiết liên kết cột CFST – sàn

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết thiết kế sàn phẳng bê tông cốt thép sử dụng khung tương đương trong hệ kết cấu kết hợp cột CFST – sàn phẳng BTCT sử dụng chi tiết liên kết Shear head

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Phương pháp khung tương đương thiết kế sàn trong hệ kết cấu kết

hợp cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép

Chương 3: Ví dụ tính toán

Kết luận và kiến nghị

Danh mục tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỘT CFST, SÀN PHẲNG BTCT VÀ

CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ SÀN PHẲNG BTCT

1.1 Tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông

1.1.1 Khái niệm về cột ống thép nhồi bê tông

Cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube - CFST) là một kết cấu liên hợp gồm vỏ ống thép và lõi bê tông c ng làm việc chung với nhau (Hình 1.1)

Hình 1.1 Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tông

Đối với bê tông, cường độ chịu nén lớn hơn rất nhiều so với cường độ chịu kéo

và cường độ chịu nén của bê tông sẽ được tăng lên khi bê tông bị hạn chế nở hông Đối với kết cấu thép, cường độ chịu kéo cao nhưng dễ bị mất ổn định cục bộ dưới tải trọng nén Trong loại kết cấu cột CFST, cốt thép và bê tông được sử dụng kết hợp để

có thể phát huy hết bản chất tự nhiên và các đặc điểm nổi trội tạo ra kết cấu có nhiều

ưu điểm Loại kết cấu này hiện đang được nghiên cứu áp dụng cho công trình nhà, xưởng, các công trình cầu đường ở Việt Nam

Cột ống thép nhồi bê tông về mặt cấu tạo rất đa dạng Dưới đây là một số dạng cấu tạo cho họ cột này:

Dạng tiết diện phổ biến nhất của cột CFST là tiết diện mà bê tông được nhồi vào phần rỗng bên trong ống thép có dạng hình tròn (Circular Hollow Section - CHS), hay cột có tiết diện rỗng hình vuông (Square Hollow Section - SHS) hoặc cột

có tiết diện rỗng hình chữ nhật (Rectangular Hollow Section - RHS) Đối với tiết diện CHS sự hạn chế biến dạng ngang của lõi bê tông là lớn nhất và bất ổn định cục

bộ hầu như xuất hiện đối với tiết diện hình vuông và chữ nhật Tuy nhiên cột CFST với các tiết diện SHS và RHS vẫn tiếp tục được sử dụng nhiều trong xây dựng với những ưu điểm riêng của nó Những dạng tiết diện ngang khác cũng được sử dụng cho mục đích nghệ thuật như dạng đa giác, dạng elip… (Hình 1.2)

Hình 1.2 Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tơng

Một dạng khác của cột CFST là cột cĩ tiết diện với hai lớp ống thép trong và ngồi được gọi là cột ống thép nhồi bê tơng với hai lớp ống thép Tiết diện cột bao gồm ống thép trong và ống thép ngồi, bê tơng được nhồi vào giữa hai ống thép (Hình 1.3) Với cấu tạo mặt cắt như thế này, cột sẽ cĩ độ cứng chống uốn lớn, cường

độ cao, khả năng chống cháy tốt hơn và tránh được sự bất ổn định đối với cấu kiện khi chịu tác động của áp lực bên ngồi Dạng cột này cĩ thể là lựa chọn tối ưu khi thiết kế những cấu kiện với tiết diện ngang lớn

Hình 1.3 Cột ống thép nhồi bê tơng với hai lớp ống thép

Một trường hợp khác của kết cấu CFST là sử dụng bê tơng cốt thép truyền thống để bao bọc CFST như Hình 1.4 Cấu tạo tiết diện gồm ống thép bên trong được lắp đặt trước tiếp theo là lắp đặt các hệ thép gia cường, lớp bê tơng bên trong và bên ngồi được đổ sau đĩ Việc nhồi bê tơng vào trong ống sẽ làm tăng tối đa khả năng giam hãm bê tơng nâng cao cường độ tới hạn của tiết diện Bê tơng cốt thép bao bọc bên ngồi tạo thành một lớp chống cháy cho lõi bên trong, do đĩ khả năng chống cháy của loại cột này được tăng đáng kể so với cột CFST truyền thống Ngồi ra, loại cột này cịn cĩ khả năng kháng bất ổn định cục bộ, chống ăn mịn đối với ống thép rất tốt và dễ liên kết với những dầm bê tơng cốt thép hoặc dầm thép trong hệ kết cấu

Lõi bêtông Lõi bêtông Lõi bêtông

Ống thép Ống thép Ống thép Ống thép Ống thép

Lõi bêtông Lõi bêtông Lõi bêtông

Lõi bêtông

cơng trình

Hình 1.4 Cột CFST được bao bê tơng (Concrete-encased CFST)

Kết cấu thép và kết cấu thép gia cường luơn luơn được sử dụng để tăng sức kháng tải của cấu kiện CFST mơ tả ở Hình 1.5 Mặt cắt kết cấu thép đĩng gĩp lớn vào khả năng chịu lực của cột mà khơng làm thay đổi dạng tiết diện cột Sự đĩng gĩp đến khả năng chịu lực của cột cĩ thể được xem xét như khả năng kết hợp của kết cấu thép với những phần của cột CFST

Hình 1.5 Cột CFST tăng cường kết cấu thép và cốt thép gia cường

Trong cột CFST thơng thường, bất ổn định cục bộ của ống thép thơng thường xuất hiện sau khi tiết diện liên hợp đạt đến cường độ tới hạn Điều này cĩ thể là một vấn đề quan trọng cho sự phát triển và ứng dụng ống thành mỏng với thép cường độ cao Những sườn tăng cứng ngang và dọc cĩ thể được hàn vào ống thép để cải thiện cường độ và độ dẻo của cột liên hợp Đối với cột cĩ tiết diện ngang lớn, các sườn tăng cứng cĩ thể hàn vào mặt trong của ống Các thanh nối cũng cĩ thể được hàn nối các sườn gia cường như Hình 1.6 Hiệu quả của sườn tăng cứng trong việc trì hỗn bất ổn định cục bộ của ống thép đã được kiểm tra bằng những nghiên cứu thực nghiệm

Ống thép Bêtông

Cốt thép mềm

Cốt thép mềm

Ống thép Bêtông

Cốt thép mềm

Ống thép Ống thép

Lõi bêtông Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

Cốt thép hình

Lõi bêtông Cốt thép mềm

Hình 1.6 CFST với sườn tăng cứng

Ngồi ra, với các kết cấu yêu cầu khả năng chịu lực lớn, độ cứng lớn cĩ thể tổ hợp các cột CFST riêng lẻ thành các dạng kết cấu CFST tổ hợp để phát huy các ƣu điểm của kết cấu thép bê tơng liên hợp nhƣ Hình 1.7 a,b,c hay kết hợp cùng với kết cấu bê tơng cốt thép (Hình 1.7d) tạo ra mặt cắt liên hợp cho cột trụ, những vịm trong cầu Những loại tiết diện này cũng đã đƣợc sử dụng cho các kết cấu nhà cao tầng cũng nhƣ kết cấu cầu ở Trung Quốc

CFST

Tấm thép Bêtông

CFST

Mối hàn CFST

CFST

cục bộ của ống thép đặc biệt các cấu kiện có tiết diện hình vuông hoặc chữ nhật Ngoài ra, ống thép cản trở biến dạng nở hông của lõi bê tông làm tăng cường độ chịu nén và độ dẻo dai đối với cấu kiện CFST;

Việc nhồi bê tông vào trong ống thép làm nâng cao độ chống ăn mòn bên trong ống thép, làm giảm độ mảnh, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả năng chống móp méo của vỏ ống thép khi va đập;

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 hay kết cấu thép thông thường Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi

bê tông nhỏ hơn so với kết cấu bê tông do đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn đồng thời làm giảm tải trọng xuống móng 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 (tỉ lệ N/X có thể lấy nhỏ hơn) và sẽ dễ dàng đạt chất lượng bê tông cao hơn [1]

b Nhược điểm

Một cấu kiện CFST bao gồm hai vật liệu với sự khác nhau về đường cong ứng suất-biến dạng và ứng xử cũng có sự khác biệt rõ rệt Sự tương tác giữa hai vật liệu này đặt ra một bài toán khó trong việc xác định thuộc tính kết hợp như mô men quán tính, môdul đàn hồi;

Cơ chế phá hoại cấu kiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng, chiều dài, đường kính, chiều dày ống thép, cường độ thép và cường độ bê tông cùng với các thông số về sự kết dính giữa hai mặt tiếp xúc của vật liệu thép và bê tông, sự giam hãm của bê tông ứng suất dư, hiện tượng từ biến, sự co ngót và các dạng tải trọng làm phức tạp thêm sự phân tích và thiết kế đối với cấu kiện CFST [2];

Một hạn chế nữa ảnh hưởng đến việc sử dụng rộng rãi loại kết cấu này đó là cấu tạo liên kết giữa cột CFST và sàn bê tông cốt thép, dầm bê tông cốt thép hay dầm thép Các ứng xử, cơ chế làm việc, trạng thái phá hoại liên kết chưa được hiểu rõ do

đó gây ra không ít những khó khăn cho tính toán thiết kế cấu tạo liên kết;

Hiện nay, các hạn chế tồn tại của loại kết cấu CFST tiếp tục được nghiên cứu

để dần hoàn thiện các yêu cầu về mặt cấu tạo, lý thuyết tính toán cũng như nhận thức sâu hơn về ứng xử của loại kết cấu này

1.1.3 h n ng áp dụng

Kết cấu ống thép nhồi bê tông được ứng dụng rộng rãi cho rất nhiều lĩnh vực như nhà dân dụng và công nghiệp, cầu đường, giàn khoan dầu

Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, loại kết cấu này được áp dụng khá nhiều cho cấu kiện chịu lực chính như hệ móng cọc, các cột đ của toà nhà cao tầng Hiện nay, việc xây dựng cầu qua các sông rộng và sâu, có nhu cầu lưu thông đường thu lớn và điều kiện địa chất phức tạp đang đòi hỏi phải sử dụng các loại nhịp lớn khẩu độ hàng trăm mét Với các kích thước như vậy, cấu kiện sẽ nặng và trở thành một nguyên nhân làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu, làm tăng chi phí xây dựng cũng như tạo thêm nhiều phức tạp cho việc vận chuyển, lắp ráp, thi công kết cấu Với việc sử dụng kết cấu CFST cho cấu kiện chịu lực nén chính như vòm chính của cầu vòm, thanh mạ cong trong cầu dàn, hệ móng cọc của kết cấu trụ, thân trụ sẽ đáp ứng được yêu cầu về chịu lực cao, độ cứng lớn vừa đáp ứng được việc giảm trọng lượng bản thân kết cấu

Hình 1.8 d về công trình được ây dựng b ng kết cấu CFST

Trong lĩnh vực xây dựng dầu khí, năm 1989 tại 2 dàn khoan dầu ở biển Đen

và biển Azov của Liên Xô đã sử dụng cấu kiện mặt cắt rỗng tổ hợp 2 loại vật liệu thép - bêtông làm các trụ đ chính của dàn khoan, nhờ đó giảm được 30% lượng thép so với dầm khoan bằng thép c ng loại; hơn nữa, phần rỗng còn được d ng để lắp các thiết bị công nghệ và cáp thông tin

1.2 Sàn phẳng bê tông cốt thép

Với xu hướng phát triển của công nghệ cũng như yêu cầu về mặt kiến trúc, thẩm

mỹ kinh tế cho công trình thì hệ kết cấu sàn sườn truyền thống dần dần được thay thế bởi hệ sàn phẳng không dầm với nhiều ưu điểm nổi trội như tạo ra không gian sử dụng linh hoạt, dễ dàng cho việc bố trí không gian sử dụng ph hợp với công năng của công trình, giảm số lượng cột, chiều cao thông thu hợp lý, dễ dàng đáp ứng các yêu cầu bố trí hệ kĩ thuật Dưới đây sẽ giới thiệu tổng quan về một số loại sàn phẳng được sử dụng ở Việt Nam

1.2.1 Sàn phẳng BTCT thường

Là hệ thống chịu lực theo một hoặc hai phương được kê trực tiếp lên cột hoặc tường chịu lực như Hình 1.10 Nó là một trong những dạng kết cấu sàn phổ biến nhất trong các tòa nhà Điểm đặc biệt của loại sàn này là chiều dày không đổi hoặc gần như không đổi tạo ra mặt phẳng phía dưới của sàn dẫn tới sự đơn giản trong việc làm cốt pha và thi công Sàn này cho phép linh hoạt trong việc tạo vách ngăn và có thể không cần phải sử dụng trần giả Nhịp kinh tế của sàn phẳng với tải trọng từ nhỏ tới trung bình thường bị giới hạn bởi việc kiểm soát độ võng dài hạn và có thể cần phải tạo độ vồng tường hợp lý (không quá lớn) hoặc sử dụng sàn bê tông ứng lực trước Nhịp kinh tế đối với sàn phẳng BTCT là 6m đến 8m Nhịp L của sàn phẳng BTCT xấp xỉ 28D đối với nhịp đơn, 30D đối với nhịp biên và 32D đối với nhịp trong của sàn nhiều nhịp trong đó D là chiều dày sàn

Hình 1.9 Sàn phẳng bê tông cốt thép

Ưu điểm:

+ Cốt pha đơn giản, thi công nhanh;

+ Tạo không gian linh hoạt, dễ dàng bố trí mặt bằng;

+ Không dầm, tạo khoảng thông thủy lớn ở dưới sàn;

+ Chiều dày kết cấu nhỏ và từ đó giảm được chiều cao tầng

Nhược điểm:

+ Nhịp trung bình, khả năng chịu tải ngang hạn chế;

+ Cần có cốt thép chống chọc thủng ở xung quanh cột hoặc cột cần có kích thước lớn hơn;

+ Cần kiểm soát độ võng dài hạn;

1.2.2 Sàn phẳng bê tông ứng lực trước

Trong cấu kiện bê tông ứng lực trước, bằng cách đặt vào một lực nén trước tạo bởi lực kéo cốt thép, nhờ tính đàn hồi, cốt thép có xu hướng co lại tạo nên lực nén trước và gây ra ứng lực trước trong bê tông Ứng suất nén trước trong bê tông sẽ triệt

tiêu hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng sử dụng gây ra Do đó, khả năng chịu kéo của bê tông được nâng cao và hạn chế sự phát triển vết nứt Ứng lực trước chính

là việc tạo cho kết cấu một cách có chủ ý các ứng suất tạm thời nhằm tăng cường sự làm việc của vật liệu trong các điều kiện sử dụng khác nhau Trước khi cấu kiện chịu tải trọng sử dụng, cốt thép đã bị căng trước còn bê tông đã bị nén trước [3]

Trong bê tông ứng lực trước do có thể khống chế sự xuất hiện khe nứt bằng lực căng trước nên cần thiết và có thể d ng cốt thép cường độ cao Mặt khác để có thể giảm được kích thước tiết diện và từ đó giảm trọng lượng bản thân của cấu kiện, đồng thời tăng ứng suất tập trung ở v ng neo cần phải sử dụng bê tông cường độ cao

Bê tông ứng lực trước đã trở thành một sự kết hợp lý tưởng giữa hai loại vật liệu hiện đại có cường độ cao [3]

Sử dụng sàn bê tông ứng lực trước có nhiều ưu điểm như có khả năng vượt nhịp lớn, khả năng chịu uốn, chịu cắt cao hơn so với sàn bê tông cốt thép thường có c ng tiết diện, hạn chế được biến dạng, khe nứt, tăng độ bền của kết cấu, do sử dụng được vật liệu có cường độ cao nên giảm được kích thước tiết diện, tiết kiệm được khối lượng vật liệu, làm giảm trọng lượng bản thân, giảm chi phí cho nền móng …

Hình 1.10 Sàn bê tông ứng lực trước

Về lý thuyết tính toán, nhiều tổ chức và quốc gia trên thế giới đã nghiên cứu và cho ra đời các tiêu chuẩn, quy phạm về bê tông ứng lực trước như tiêu chuẩn FIP của Liên đoàn quốc tế về bê tông ứng lực trước; Tiêu chuẩn AASHTO cho cầu đường, tiêu chuẩn ACI cho xây dựng dân dụng của Mỹ; Quy phạm Eurocode của khối liên hiệp châu Âu; Tiêu chuẩn Anh BS; Quy phạm BPEL của Pháp; Quy phạm CHII của Liên Xô (cũ)… Các tiêu chuẩn, quy phạm kể trên không ngừng được cải tiến, hoàn thiện và luôn được sửa đổi, cập nhật từ hai đến bốn năm một lần Tại Việt Nam tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 cũng đã có những chỉ dẫn để thiết kế loại kết cấu này

1.2.3 Sàn nấm (sàn phẳng có mũ cột)

Sàn nấm là sàn không có dầm, bản sàn dựa trực tiếp trên cột D ng sàn nấm sẽ giảm được chiều cao kết cấu, việc làm ván khuôn đơn giản và dễ dàng bố trí cốt thép

Sàn nấm có có mặt dưới phẳng nên việc chiếu sáng và thông gió tốt hơn sàn có dầm Ngoài ra việc ngăn chia các phòng trên mặt sàn cũng sẽ linh hoạt và rất thích hợp với các bức tường ngăn di động

Khi chịu tải trọng thẳng đứng, bản sàn có thể bị phá lõm vì cắt theo kiểu bị cột đâm thủng Để tăng cường khả năng chịu cắt, có thể tạo ra mũ cột hoặc tạo bản đứng cột có chiều dày lớn hơn

Bản có chiều dày lớn hơn trên đầu cột còn có tác dụng tăng cường khả năng chịu momen, vì ở tiết diện sát đến cột, momen uốn trong bản đạt giá trị lớn nhất Chiều rộng nhịp thích hợp với sàn nấm, thường là 4m đến 8m đối với bê tông cột thép thường, khi nhịp của bản từ 7m trở lên nên có cốt thép ứng lại trước để có thể giảm chiều dày bản và giảm độ võng

Hình 1.11 Sàn nấm

1.3 Tính toán nội lực trong sàn phẳng

Để phân tích sàn, tính toán nội lực, ứng suất trong sàn có thể sử dụng ba phương pháp thông dụng sau:

1.3.1 Phương pháp phân phối trực tiếp

Trong tính toán bản sàn theo phương pháp này, momen uốn M0 của từng ô bản được phân phối cho các miền momen âm và dương dựa trên bảng tra các hệ số được lập sẵn Phương pháp này mang tính ứng dụng cao, dễ sử dụng và đơn giản Tuy nhiên phạm vi sử dụng bị hạn chế

a Phương pháp phân phối trực tiếp theo tiêu chuẩn ACI318-11[4]

Để đảm bảo khả năng chịu uốn của sàn ở trạng thái giới hạn đủ để chịu được momen âm và momen dương do tải trọng bất lợi nhất gây ra cần có các điều kiện sau:

+ Phải có ít nhất 03 nhịp liên tục theo mỗi phương;

+ Các nhịp phải đều nhau Theo từng phương, các nhịp kề nhau không được chênh nhau quá 1/3 chiều dài nhịp lớn hơn;

+ Tất cả tải trọng đều là tải trọng đứng, hoạt tải phải là tải phân bố đều và nhỏ

hơn 02 lần tĩnh tải;

+ Các ô sàn phải là hình chữ nhật, t lệ nhịp dài và nhịp ngắn không quá 2; + Cột không lệch vị trí quá 10% khoảng cách các đường tim cột của các cột kế tiếp nhau theo mỗi phương

b Quy trình tính toán:

- Xác định momen tổng cộng: do tải tính toán M0:

2 2

8

o

w l l M

Trong đó: wu – tải trọng phân bố; l2 – bề rộng dầm – bản; ln – chiều dài thông thủy của nhịp, được tính bằng khoảng cách 02 mặt trong gối tựa nhưng không nhỏ hơn 0,65l1 (l1 – khoảng cách tâm 02 gối tựa)

- Phân phối momen cho các ô bản:

+ Đối với các nhịp trong, M0 được phấn phối 65% cho momen âm và 35% cho momen dương Giá trị này xấp xỉ như dầm ngàm hai đầu chịu tải trọng phân bố dựa trên giả thiết góc xoay của các điểm liên kết phía trong là không đáng kể Tiết diện tới hạn đối với momen âm là tiết diện tại vị trí mặt gối tựa (cột, tường, mũ cột) của bản sàn Với cột tròn, tiết diện tới hạn đối với momen âm nằm tại vị trí cạnh hình vuông tương đương

+ Đối với các nhịp biên, lực chỉ tác dụng lên một phía nên sẽ gây momen không cân bằng Góc xoay sẽ làm giảm momen âm và tăng momen dương ở giữa nhịp và gối trong đầu tiên Độ lớn góc xoay cột biên phụ thuộc độ cứng cột tương đương Nếu độ cứng cột lớn so với độ cứng của dầm – bản, cột sẽ ngăn cản góc xoay của biên ngoài của sàn và đóng vai trò như liên kết ngàm, t lệ phân phối momen tương tự như các nhịp trong (65% gối và 35% nhịp) Ngược lại, nếu độ cứng cột không đủ lớn, cột đóng vai trò như gối cố định Lúc này, momen gối ngoài bằng 0, momen giữa nhịp bằng 0,63M0, momen tại gối trong đầu tiên bằng 0,75M0 Nếu sàn không có dầm biên, t lệ phân phối lần lượt cho các tiết diện trên sẽ là 0,26M0, 0,5M0, 0,7M0 Nếu sàn có dầm biên: 0,3M0, 0,5M0, 0,7M0

c Phân phối momen cho các dãy nhịp và dãy cột:

- Sau khi phân phối momen cho các ô bản, cần phân phối momen cho các dãy nhịp và dãy cột của ô bản

Hình 1.12 Sơ đồ dãy cột và dãy nhịp

- Sự phân phối momen âm và dương cho các dãy cột phụ thuộc vào t số l2/l1

và α l2/l1, với sàn không dầm α = 0 Sau khi phân phối momen cho dãy cột, lượng momen còn lại sẽ phân phối cho dãy nhịp:

+ Đối với momen dương: 60% sẽ phân phối cho dãy cột;

+ Đối với momen âm: Nhịp giữa: 75% phân phối cho dãy cột; Nhịp biên: Sự phân phối momen phụ thuộc l2/l1, α l2/l1, độ cứng chống xoắn của dầm biên βt

2

cb t

1.3.2 Phương pháp khung tương đương

Vì lực cắt và momen uốn trong sàn do tải trọng thẳng đứng tác dụng lên từng sàn nên có thể phân tích độc lập từng sàn Phương pháp này được d ng để xác định

1

1 1

nội lực cho sàn, số nhịp bất kỳ, nhịp có thể đều hoặc không đều Tưởng tượng cắt toàn bộ sàn dọc theo đường tim của sàn, tạo thành khung theo cả 2 phương, gọi là khung tương đương [5]

Hình 1.13 Sơ đồ khung tương đương

Khung tương đương có phần tử cột bao gồm 02 cột ở tầng trên và tầng dưới kế tiếp nhau của sàn và phần tử dầm có chiều rộng tính từ tâm 02 nhịp kế tiếp nhau,

chiều cao bằng chiều dày sàn Cột giả thiết ngàm 02 đầu

a Momen quán t nh của dầm – bản:

- Thay đổi dọc theo trục dầm – bản do ảnh hưởng của kích thước các bộ phận kết cấu cột, mũ cột và bản mũ cột (nếu có)

- Độ cứng của bản sàn tại vị trí cột hoặc trong phạm vi mũ cột có thể xem như cứng tuyệt đối, tại gần vị trí với mũ cột hoặc cột, độ cứng của dầm – bản nhỏ hơn

Từ tim cột đến mặt cột hoặc mép mũ cột, momen quán tính của dầm – bản lấy bằng momen quán tính tại mặt cột hoặc mặt mũ cột chia cho (1-c2/l2)2, trong đó c2 là kích thước của cột hoặc mũ cột, l2 là kích thước nhịp theo phương đang xét

b Cột tương đương:

- Trong khung tương đương, đối với sàn không dầm, toàn bộ phần momen trong sàn giữa các cạnh cột và dầm – bản sẽ truyền thông qua lực xoắn Để mô tả phản ứng của kết cấu đối với sự truyền momen giữa sàn và cột do uốn và xoắn, giả thiết cột có cánh tay đòn về phía của cột Cánh tay đòn sẽ truyền momen từ sàn vào cột thông qua xoắn Cột phía trên và phía dưới sàn c ng với cánh tay đòn này coi như một cấu kiện, gọi là cột tương đương

Cột cĩ tiết diện khơng đổi: kc = 4

Ic – chiều dài cột tính từ tâm sàn tầng dưới đến tâm sàn tầng trên

Kt – độ cứng chống xoắn của cánh tay địn

3

9(1 c / )

cs t

E C K

c T nh tốn khung tương đương:

- Cĩ thể sử dụng máy tính với các chương trình tính tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn để xác định momen trong khung tương đương

d Cốt thép chịu momen uốn trong bản sàn:

h

h s

Cánh tay đòn

Bề rộng dầm -bản

Cốt thép trong bản sàn 2 phương được tính toán theo cấu kiện chịu uốn với momen uốn tính toán được xác định ở mỗi phương

1.3.3 Phương pháp phần tử hữu hạn

- Phương pháp này là công cụ hữu ích để giải các bài toán từ đơn giản đến phức tạp Phương pháp này chia vật thể biến dạng thành nhiều phần tử có kích thước hữu hạn gọi là phần tử hữu hạn Các phần tử liên kết với nhau bởi các nút Các phần tử vẫn là liên tục trong phạm vi của nó, nhưng có hình dạng đơn giản nên cho phép nghiên cứu dễ dàng hơn dựa trên cơ sở của một số quy luật về sự phân bố chuyển vị

và nội lực Kết cấu liên tục được chia thành một số hữu hạn các miền hoặc các kết cấu con có kích thước càng nhỏ càng tốt nhưng phải hữu hạn Các miền hoặc các kết cấu con gọi là phần tử hữu hạn Chúng có thể có dạng hình học và kích thước khác nhau, tính chất vật liệu được giả thiết không thay đổi trong mỗi phần tử nhưng có thể thay đổi từ phần tử này sang phần tử khác

- Phương trình cân bằng của toàn hệ kết cấu được suy ra bằng cách phối hợp các phương trình cân bằng của các phần tử hữu hạn riêng rẽ sao cho vẫn đảm bảo được tính liên tục của toàn bộ kết cấu Cuối c ng, căn cứ vào điều kiện biên, giải hệ phương trình cân bằng tổng thể để xác định giá trị của các thành phần chuyển vị Các thành phần này d ng để tính ứng suất và biến dạng

Hình 1.15 Thiết kế sàn sử d ng phần mềm SAFE

Như đã biết, sự kết hợp hai loại kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép và cột ống thép nhồi bê tông cho kết cấu nhà cao tầng sẽ đem lại hiệu quả cao về mặt kinh tế, kỹ thuật Các vấn đề về liên kết giữa hai kết cấu đã được nghiên cứu Tuy nhiên, cơ chế ứng xử của liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép phức tạp và chưa được hiểu rõ Với sự có mặt của chi tiết liên kết sẽ ảnh hưởng đến

sự phân bố độ cứng của sàn tại vị trí liên kết do đó cần có những phân tích để xác định sự phân bố độ cứng cũng như nội lực của các cấu kiện Phần trên đây đã trình bày các phương thức thiết kế sàn phẳng BTCT liên kết với cột BTCT và chưa có nghiên cứu về việc tính sàn trong hệ kết cấu cột CFST – sàn phẳng BTCT Do đó, cần có những nghiên cứu để thiết kế sàn trong trường hợp này nhằm ứng dụng hệ kết cấu này vào thực tế xây dựng hiện nay

1.4 Kết luận chương 1

Hiện nay, việc sử dụng cột ống thép nhồi bê tông với sàn bê tông cốt thép ngày càng phổ biến Với sự kết hợp giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT tạo ra hệ thống kết cấu tối ưu hơn, hiệu quả hơn Điều kiện để kết hợp hai loại kết cấu này là vấn đề liên kết giữa cột và sàn phẳng Hiện nay, các nghiên cứu về liên kết giữa cột CFST với sàn phẳng BTCT đã được các tác giả nghiên cứu Tuy nhiên, với sự có mặt của chi tiết liên kết sẽ ảnh hưởng đến sự phân bố độ cứng của sàn tại vị trí liên kết gây khó khăn cho tính toán thiết kế sàn Hơn nữa, các phần mềm thiết kế kết cấu như SAP2000 chưa thể mô phỏng đồng thời liên kết sàn - cột CFST để thực hiện phân tích Do đó, luận văn sẽ nghiên cứu giải pháp thiết kế sàn theo hướng thực hành bằng việc sử dụng phương pháp khung tương đương cho hệ kết cấu kết hợp này và từ đó

đề xuất việc xác định nội lực trong sàn sử dụng phần mềm SAP2000 Những nôi dung này sẽ được trình bày cụ thể trong chương 2 của luận văn

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP KHUNG TƯƠNG ĐƯƠNG THIẾT KẾ SÀN

TRONG HỆ KẾT CẤU KẾT HỢP CỘT ỐNG THÉP NHỒI

BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG

Như đã phân tích trong chương 1, hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tông - sàn phẳng BTCT là giải pháp kết cấu hợp lý cho nhà cao tầng Điều kiện để kết hợp hai loại kết cấu này là vấn đề liên kết giữa cột và sàn phẳng Do đó, với sự có mặt của chi tiết liên kết sẽ ảnh hưởng đến sự phân bố độ cứng của sàn tại vị trí liên kết gây ảnh hưởng đến ứng xử của sàn khác với sàn phẳng BTCT Hơn nữa, các phần mềm thiết kế kết cấu như SAP2000, SAFE chưa thể mô phỏng đồng thời liên kết sàn - cột CFST để thực hiện phân tích Với các phương pháp thiết kế sàn hiện nay, phương pháp khung tương đương là hợp lý cho việc xác định nội lực sàn khi chịu tải trọng đứng và có thể áp dụng được cho hệ kết hợp cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng Trong chương 2 sẽ trình bày cách xác định nội lực sàn phẳng liên kết với cột CFST

sử dụng Shear head bằng phương pháp khung tương đương và đề xuất việc xác định nội lực trong sàn sử dụng phần mềm SAP2000

2.1 Phân tích khung tương đương trong hệ kết cấu kết hợp cột ống thép nhồi bê

tông với sàn phẳng

Hình 2.1 Khảo sát công trình sử d ng hệ kết cấu cột CFST- sàn phẳng BTCT

Trong hệ kết cấu cột CFST và sàn phẳng BTCT thì liên kết đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cho các cấu kiện phát huy hết khả năng làm việc, bảo vệ cho công trình không bị sụp đổ Do đó, liên kết phải được thiết kế để đảm bảo các yêu cầu về đảm bảo cường độ, độ cứng và ổn định cục bộ liên kết, đảm bảo liên kết giữa cột và sàn tạo thành nút cứng và thuận tiện cho thi công Hiện nay, các nghiên cứu về liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT được các tác giả nghiên cứu nhìn chung đảm bảo được yêu cầu đặt ra (Hình 2.2)

Hình 2.2 Liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép [6][7]

Qua tìm hiểu các kiểu liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT, trong luận văn này tác giả sẽ sử dụng kiểu liên kết d ng Shear head để nghiên cứu Shear head là chi tiết liên kết đảm bảo tính liên tục giữa sàn và cột CFST, cấu tạo của nó là các thép hình chữ H hoặc I được hàn trực tiếp vào thành ống thép, tùy theo yêu cầu về độ cứng và khả năng chống cắt thủng mà nó có kích thước và chiều dài khác nhau Trong khi đó, cột ống thép sử dụng ống thép vuông, kích thước ống thỏa mãn điều kiện ổn định cục bộ Trên thân ống có khoét lỗ để đưa cốt thép neo vào cột

Hình 2.3 Liên kết cột CFST – sàn phẳng BTCT sử d ng Shear head

Với mỗi kiểu liên kết sàn – cột CFST thì ứng xử tại liên kết cũng khác nhau do

đó ứng xử của sàn tại vị trí liên kết cũng có những thay đổi so với sàn trong kết cấu

bê tông cốt thép truyền thống do sự phân bố độ cứng trong khu vực này Hiện nay, bên cạnh việc nghiên cứu liên kết thì việc thiết kế sàn cũng còn những băn khoăn do chưa hiểu được ứng xử của vùng liên kết Các phần mềm thiết kế như SAP, SAFE không mô phỏng đồng thời được liên kết giữa cột CFST với sàn phẳng nên việc xác định nội lực sàn chưa thực hiện được cho kết cấu liên hợp này

Như phần tổng quan đã trình bày các phương pháp xác định nội lực sàn phẳng, thì phương pháp khung tương đương được xem là phù hợp cho việc thiết kế sàn vì nó xét đến độ cứng của từng bộ phận Phương pháp này được d ng để xác định nội lực cho sàn, số nhịp bất kỳ, nhịp có thể đều hoặc không đều Tưởng tượng cắt toàn bộ sàn dọc theo đường tim của sàn, tạo thành khung theo cả 2 phương, gọi là khung

l 2

2

Dải nhịp

Khung cột giữa cột biên Khung

Dải nhịp

Khung cột giữa

Hình 2.4 Xác định khung tương đương, dải nhịp và dải cột

Tại vị trí liên kết cột sàn sử dụng shear – head, sự cĩ mặt của shear head đĩng vai trị như một mũ cột lớn và là gối tựa tiếp nhận tải trọng truyền vào cột Do đĩ cần xác định kích thước của mũ cột như sau

Hình 2.5 Xác định vùng ảnh hưởng của shear head đến độ cứng của sàn

Theo ACI 318-11 [4], với chi tiết liên kết sử dụng Shear-head chu vi tiết diện tới hạn được lấy cách mặt cột một đoạn 3/4lv Để đơn giản cho tính tốn, quy đổi chu vi

Dải

cột

Dải nhịp

Dải cột

Khung cộ t biên

Khung cột giư

l v

3 4

c l

l

c

v

3 4

l v

3 4

l

a

c

tới hạn thành mũ cột có tiết diện hình vuông như Hình 2.5 Sự quy đổi dựa trên diện tích tương đương Trên cơ sở này ta thực hiện xác định nội lực trong khung tương đương cho sàn BTCT liên kết với cột CFST như kết cấu bê tông cốt thép bình thường có xét ảnh hưởng sự phân bố độ cứng của từng cấu kiện.

2.2 Tính toán độ cứng và sự truyền các mô men ngàm

Trong phương pháp phân phối mô men, cần phải tính độ cứng chống uốn K,

hệ số truyền COF, hệ số phân bố DF, và các mô men ngàm FEM cho từng cấu kiện trong kết cấu Đối với cột được ngàm ở các đầu mút, có tải trọng dọc trục không đáng kể, độ cứng chống uốn là

kEI K

Trong đó k = 4 và hệ số truyền ± 0.5, dấu phụ thuộc vào qui ước dấu sử dụng

đối với mô men Đối với một dầm chịu tải đều thì mô men ngàm là wl2/12

Hình 2.6 Sự biến thiên độ cứng dọc theo nhịp

Trong phương pháp khung tương đương, độ cứng của các cấu kiện tăng lên trong vùng liên kết bản và cột được giải thích là do sự thay đổi mặt cắt ngang ở các pannen đầu cột Kết quả là tất cả các cấu kiện có một phần cứng hơn ở mỗi đầu mút như chỉ rõ Hình 2.6

Có một vài phương pháp có sẵn cho việc tính các giá trị k, COF, và các mô men ngàm Thông thường, những giá trị này được tính bằng cách d ng phương pháp tương tự cột do Hardy Cross phát triển Cross đã nhận ra sự tương tự giữa các phương trình d ng để tính ứng suất trong một cột không đối xứng chịu tải trọng dọc trục và các mô men và các phương trình d ng để tính mô men trong dầm ngàm đầu Các bảng và biểu đổ để tính k, COF, và các mô men ngàm được cho trong Bảng 2.1

Bảng 2.1 Hệ số phân bố mô men cho bản

0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,00 M 0,083 0,083 0,083 0,083 0,083 0,083

k 4,000 4,000 4,000 4,000 4,000 4,000 COF 0,500 0,500 0,500 0,500 0,500 0,500 0,05 M 0,083 0,084 0,084 0,084 0,085 0,085

k 4,000 4,047 4,093 4,138 4,181 4,222 COF 0,500 0,503 0,507 0,510 0,513 0,516 0,10 M 0,083 0,084 0,085 0,085 0,086 0,087

k 4,000 4,091 4,182 4,272 4,362 4,449 COF 0,500 0,506 0,513 0,519 0,524 0,530 0,15 M 0,083 0,084 0,085 0,086 0,087 0,088

k 4,000 4,132 4,267 4,403 4,541 4,680 COF 0,500 0,509 0,517 0,526 0,534 0,543 0,20 M 0,083 0,085 0,086 0,087 0,088 0,089

k 4,000 4,170 4,346 4,529 4,717 4,910 COF 0,500 0,511 0,522 0,532 0,543 0,554

Bảng 2.2 Hệ số độ cứng và hệ số truyền cho các cột

1,05 1,10 1,15 1,20 1,25 1,30 1,35 1,40 1,45 0,00 k AB 4,20 4,40 4,60 4,80 5,00 5,20 5,40 5,60 5,80

C AB 0,57 0,65 0,73 0,80 0,87 0,95 1,03 1,10 1,17 0,2 k AB 4,31 4,62 4,95 5,30 5,65 6,02 6,40 6,79 7,20

C AB 0,56 0,62 0,68 0,74 0,80 0,85 0,91 0,96 1,01 0,4 k AB 4,38 4,79 5,22 5,67 6,15 6,65 7,18 7,74 8,32

C AB 0,55 0,60 0,65 0,70 0,74 0,79 0,83 0,87 0,91 0,6 k AB 4,44 4,91 5,42 5,96 6,54 7,15 7,81 8,50 9,23

0,8 k AB 4,49 5,01 5,58 6,19 6,85 7,36 8,31 9,12 9,98

C AB 0,54 0,58 0,61 0,64 0,67 0,70 0,72 0,75 0,77 1,0 k AB 4,52 5,09 5,71 6,38 7,11 7,89 8,73 9,63 10,60

C AB 0,54 0,57 0,60 0,62 0,63 0,67 0,69 0,71 0,73 1,2 k AB 4,55 5,16 5,82 6,54 7,32 8,17 9,08 10,07 11,12

C AB 0,53 0,56 0,59 0,61 0,63 0,65 0,66 0,68 0,69 1,4 k AB 4,58 5,21 5,91 6,68 7,51 8,41 9,38 10,43 11,57

C AB 0,53 0,55 0,58 0,60 0,61 0,63 0,64 0,65 0,66 1,6 k AB 4,6 5,26 5,99 6,79 7,66 8,61 9,64 10,75 11,95

C AB 0,53 0,55 0,57 0,59 0,60 0,61 0,62 0,63 0,64 1,8 k AB 4,62 5,30 6,06 6,89 7,80 8,79 9,87 11,03 12,29

C AB 0,52 0,55 0,56 0,58 0,59 0,60 0,61 0,61 0,62 2,0 k AB 4,63 5,34 6,12 6,98 7,92 8,94 10,06 11,27 12,59

C AB 0,52 0,54 0,56 0,57 0,58 0,59 0,59 0,60 0,60 2,2 k AB 4,65 5,37 6,17 7,05 8,02 9,08 10,24 11,49 12,85

C AB 0,52 0,54 0,55 0,56 0,57 0,58 0,58 0,59 0,59 2,4 k AB 4,66 5,40 6,22 7,12 8,11 9,20 10,39 11,68 13,08

C AB 0,52 0,53 0,55 0,56 0,56 0,57 0,57 0,58 0,58

2.3 Đặc điểm của dầm bản

Các cấu kiện ngang trong khung tương đương được coi như hệ các hệ dầm –bản Các hệ này có thể bao gồm một bản phẳng, một bản có pannen đầu cột, hoặc một bản có dầm chạy song song với khung tương đương Theo ACI318-11 giải thích chúng được mô hình hóa cho sự phân tích

Hình 2.7 Tính giá trị EI đối với sàn phẳng BTCT liên kết cột CFST

Tại vị trí bên ngồi các mối nối hoặc ở đầu cột, mơ men quán tính cĩ thể dựa trên diện tích tồn bộ của bê tơng Những thay đổi của mơ men quán tính dọc theo chiều dài sẽ đƣợc xét đến Đối với bản sử dụng shear head (dạng tiết diện thép hình I hoặc H) liên kết sàn cột CFST thể hiện trong Hình 2.7a, mơ men quán tính tại mặt cắt A-A là cho bản cĩ bề rộng l2 (Hình 2.7c) Tại mặt cắt B-B qua shear head mơ men quán tính là cho bản cĩ mặt cắt ngang thể hiện trong Hình 2.7d

2.4 Đặc điểm của các cột

Trong tính tốn độ cứng và hệ số truyền cho các cột theo ACI318-11 chỉ rõ [5]: + Mơ men quán tính của các cột bất kỳ mặt cắt ngang nào nằm ngồi v ng nối hay đầu cột cĩ thể căn cứ trên diện tích tồn bộ của bê tơng cĩ tính đến những thay đổi của mơ men quán tính thực tế do những thay đổi mặt cắt ngang dọc theo chiều dài cột

a) Khung tương đương với cột CFST - sàn

c) Mặt cắt ngang được sử dụng tính I - Mặt cắt A-A

+ Mơ men quán tính của cột được giả định là vơ c ng lớn trong chiều cao của dầm – bản tại điểm nối

Hình 2.8 T nh tốn độ cứng của cột K c

2.5 Các cấu kiện xoắn và cột tương đương

Khi khung cột và dầm như Hình 2.9 chịu tải các đầu cột và dầm bị quay một gĩc bằng nhau tại vị trí chúng giao nhau Nếu độ cứng uốn cho cả hai cấu kiện được coi là k = M/θ cĩ thể tính được gĩc quay tại mối nối và mơ men đầu mút cho các cấu kiện

Hình 2.9 Khung cột và dầm

Khi một tấm phẳng được liên kết với một cột như Hình 2.10 gĩc quay dải cột bằng gĩc quay dải bản C-D vì dải này được gắn với cột Gĩc quay tại A của dải A-B lớn hơn gĩc quay tại C bởi vì điểm này sự hạn chế bản quay nhỏ hơn Trong thực tế mép của bản bị vặn xoắn giống trong Hình 2.10b do đĩ gĩc quay trung bình của mép bản lớn hơn gĩc quay tại đầu cột

I = 8

E I c c

I = 8

Biểu đồ độ cứng của cột

I = 8

E I c c

I = 8

Biểu đồ độ cứng của cột