3. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
1.4.Vật liệu sử dụng trong dầm liên hợp thép-bê tông ứng suất tr−ớc
1.4.1.1. Quy định của Eurocode 2 và Eurocode 4
Trong kết cấu LHT-BT dùng bê tông thông th−ờng nh− trong kết cấu bê tông cốt thép. Có thể dùng bê tông nặng (bê tông thông th−ờng) với khối l−ợng riêng 1800<ρ≤2500 kg/ m3, hoặc bê tông nhẹ 1600 <ρ≤ 1800 kg/ m3.
Đối với bê tông thông th−ờng theo qui định của Tiêu chuẩn Eurocode 4 về kết cấu liên hợp thì dùng mác bê tông từ C20/25 đến C50/60. Các đặc tr−ng cơ học chính của chúng đ−ợc nêu trong bảng 1.2.
Bảng 1.2. Các đặc tr−ng cơ học của bê tông theo Eurocode 4
Lớp độ bền C20/25 C25/30 C30/37 C35/45 C40/50 C45/55 C50/60 fck (N/mm2) 20 25 30 35 40 45 50 fctm (N/mm2) 2,2 2,6 2,9 3,2 3,5 3,8 4,1 fcm (N/mm2) 28 33 38 43 48 53 58 Ecmx103(N/mm2) 29 30,5 32 33,5 35 36 37 Trong đó:
fck - c−ờng độ chịu nén đặc tr−ng của bê tông mẫu hình trụ ở 28 ngày;
fctm - c−ờng độ chịu kéo trung bình ở 28 ngày;
fcm - c−ờng độ chịu nén trung bình của bê tông mẫu trụ;
ngắn hạn. [4][38] [51]
1.4.1.2. Quy định theo TCXDVN 356:2005
Theo tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế, có thể dùng các loại bê tông cho kết cấu LHT-BT:
Bê tông nặng có khối l−ợng thể tích trung bình từ 2200-2500 kG/m3. Bê tông hạt nhỏ có khối l−ợng thể tích trung bình > 1800 kG/m3. Bê tông nhẹ có cấu trúc đặc và rỗng. [25]
1.4.1.3. So sánh các đặc tr−ng cơ học của bê tông giữa hai tiêu chuẩn Eurocode 4 và TCXDVN 356:2005 Eurocode 4 và TCXDVN 356:2005
Cách thành lập c−ờng độ tiêu chuẩn và c−ờng độ tính toán cho bê tông trong hai tiêu chuẩn EC2; EC4 và TCXDVN 356:2005 có những điểm khác nhau. Nên dựa vào các thông số này để so sánh cấp độ bền (Mác) bê tông giữa hai tiêu chuẩn là khó khăn. Tuy nhiên cả hai tiêu chuẩn đều dựa vào c−ờng độ trung bình của mẫu thí nghiệm để thiết lập các thông số về c−ờng độ dùng cho thiết kế. Các giá trị thí nghiệm của các mẫu đều tồn tại khách quan, không phụ thuộc và các hệ số của ph−ơng pháp tính (an toàn vật liệu, điều kiện làm việc...) theo từng tiêu chuẩn. Vì vậy để so sánh cấp độ bền của các mác bê tông ta dùng trực tiếp giá trị trung bình của các mẫu chịu nén. Để thống nhất với tiêu chuẩn Việt Nam, ta chuyển đổi tất cả các giá trị trung bình của mẫu nén hình trụ của EC4 thành mẫu lăng trụ. Kết quả chuyển đổi tại bảng 1.3.
Bảng 1.3. Giá trị fcm của bê tông ở tuổi 28 ngày theo Eurocode 4
Lớp độ bền C20/25 C25/30 C30/37 C35/45 C40/50 C45/55 C50/60 Mẫu hình trụ 28 33 38 43 48 53 58 fcm N/mm 2 Mẫu lập ph−ơng 35 39,6 46,7 55 60 64,7 69,6
Đối chiếu các số liệu trên (bảng 1.3) với các giá trị c−ờng độ trung bình của các mẫu thử trong TCXDVN 356:2005, một cách gần đúng chấp nhận
đ−ợc (sai số ≤ 1%) ta có thể so sánh t−ơng đ−ơng nh− sau:
Bảng 1.4. Lớp độ bền bê tông giữa Eurocode với TCXDVN 356:2005
Lớp độ bền theo EuroCode 4 Cấp độ theo TCXDVN 356:2005
C20/25 B25 (mác 350)
C25/30 B30 (mác 400)
C30/37 B35 (mác 450)
C35/45 B45 (mác 600)
Nh− vậy cần l−u ý rằng theo qui định của EC4 thì để chế tạo kết cấu liên hợp thép- bê tông chỉ đ−ợc dùng bê tông có mác 350 trở lên theo TVXDVN.
Về các chỉ tiêu cơ lý khác nh− mô đun đàn hồi, hệ số dãn nở nhiệt, hệ số Poát-xông nh− nhau cho cả hai tiêu chuẩn. [4] [25] [38]
1.4.2. Cốt thép thanh
1.4.2.1. Quy định của Eurocode 4
Tiêu chuẩn Châu Âu EN 10080 3 đã đ−a ra ba mác thép dùng cho kết cấu liên hợp: S220; S400 và S500, các con số ở ký hiệu chỉ giới hạn đàn hồi của từng loại fsk (N/ mm2). Mác S220 là thép tròn trơn cán nóng, các mác S400 và S500 là thép thanh tròn và có gai (kể cả l−ới thép hàn) cho tính ma sát lớn. Trong phạm vi luận án chỉ tính toán dẻo ở mức cho phép chủ yếu đối với các mác thép S400, S500 loại có tính dẻo dai lớn: theo qui định của Eurocode 2 nếu fs(u) là c−ờng độ kéo đứt của thép và εsk(u)
là biến dạng t−ơng đối khi bị đứt thì yêu cầu về tính dẻo dai nh− sau:
08 , 1 f f và 5% sk ) u ( s (u) sk > > ε (1.1) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong đó: fsk - giới hạn đàn hồi đặc tr−ng khi kéo của thép thanh
fu- giá trị c−ờng độ kéo đứt của thép thanh.
đơn giản tính toán, trong kết cấu liên hợp cho phép lấy giá trị của Es là giá trị của Ea = 210 kN/ mm2 của thép kết cấu [38] [51].
1.4.2.2. Quy định theo TCXDVN 356:2005
TCXDVN qui định dùng thép thanh cho kết cấu bê tông cốt thép, giá trị c−ờng độ chịu kéo tiêu chuẩn Rsn và c−ờng độ chịu kéo tính toán khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ hai Rs,ser, nêu tại bảng 1.5.
Bảng 1.5. Thép thanh dùng cho kết cấu BTCT theo TCXDVN 356:2005 Nhóm cốt thép thanh Giá trị Rsn và Rs,ser (MPa)
C I (A-I) C II (A-II) C III (A-III) C IV (A-IV) A-V A-VI A-VII 235 295 390 590 788 980 1175
Có thể thấy rằng các đặc tr−ng cơ học nh− giới hạn chảy, mô đun đàn hồi, tính dẻo... về cơ bản giống nh− thép của Eurocode. Khi thiết kế có thể có quy định sử dụng các loại thép này và lấy giá trị giới hạn đàn hồi làm cơ sở để tính toán theo các công thức của EC 4 [38] [51].
1.4.3. Thép kết cấu
1.4.3.1. Quy định theo Eurocode 4
Trong tiêu chuẩn EC4 trình bầy cách tính toán các kết cấu liên hợp đ−ợc sản xuất từ thép mác thông th−ờng S235, S275 và S355, xác định trong tiêu chuẩn EN 10025 và EN 10113 . Để có các giá trị tiêu chuẩn của giới hạn đàn hồi fy và c−ờng độ kéo đứt fu của các cấu kiện bằng thép cán nóng phụ thuộc vào chiều dầy, đã thành lập các bảng tra. [4]
1.4.3.2. Quy định theo TCVN 5709 - 1993
Theo TCVN 5709 – 1993 - Thép cán nóng dùng cho xây dựng, các chỉ tiêu cơ học của các loại thép cácbon cán nóng có thể sử dụng trong kết cấu xây dựng nêu ở bảng 1.6.
Bảng 1.6. Các chỉ tiêu cơ học của thép các bon cán nóng theo TCVN 5709 Giới hạn chảy,N/mm2
cho độ dầy, mm
Độ dãn dài % cho độ dầy, mm Mác thép Độ bền kéo N/mm2 ≤ 20 >20 đến 40 > 40 đến 100 ≤ 20 >20 đến 40 > 40 đến 100 XCT34 XCT38 XCT42 XCT52 340-440 380-500 420-520 520-620 220 240 260 360 210 230 250 350 200 220 240 350 32 26 23 22 31 25 23 22 29 23 22 21 Đối chiếu các loại thép trong hai tiêu chuẩn và theo qui định của Eurocode 4 nên dùng thép Việt Nam có các mác từ XCT38 trở lên [4].
1.4.4. Tôn định hình của sàn liên hợp
Chỉ nêu ra ở đây các tôn định hình phù hợp với Tiêu chuẩn Châu Âu EN 10147, với các giá trị tiêu chuẩn của giới hạn đàn hồi của vật liệu thép cơ bản fyp từ 220 đến 350 N/ mm2. Nói chung chiều dầy của các tấm tôn này từ 0,7 đến 1,5 mm, mỗi mặt đều đ−ợc bảo vệ chống ăn mòn bởi 1 lớp kẽm dầy khoảng 0,02 mm (mạ kẽm nóng); có thể sơn bổ sung sau mạ kẽm.
Nh− vậy khi thiết kế sàn liên hợp ở Việt Nam cần chọn các loại tôn thoả mãn các yêu cầu nêu ở trên. Trên thế giới hiện nay, có rất nhiều công ty sản xuất loại tôn này. D−ới đây là một số loại tôn điển hình của một số nhà sản xuất.
Bảng 1.7: Một số dạng tôn hình của Steel Deck Institute (SDI) Kích th−ớc một số loại
tấm tôn hình Tên loại tôn Chiều dầy Trọng l−ợng
38 x305mm 50x305mm 76x305mm Composite 0,7mm đến 1,5mm 0,08KN/m2 đến 0,16KN/m2 50x305mm Composite 0,7mm đến 1,5mm 0,08KN/m2 đến 0,16KN/m2 38x152mm Composite 0,7mm đến 1,5mm 0,08KN/m2 đến 0,16KN/m2 76 x 204mm Composite 0,7mm đến 1,5mm 0,08KN/m2 đến 0,16KN/m2
1.4.5. Dây (thanh) căng
Vật liệu làm dây căng có thể dùng 3 loại: Cốt thép thanh, bó sợi và dây cáp. • Dây căng làm bằng cốt thép thanh
Cốt thép thanh làm bằng thép c−ờng độ cao, dây căng bằng cốt thép thanh rất dễ cấu tạo, chế tạo đơn giản và ít bị ăn mòn. Nh−ng c−ờng độ tính toán t−ơng đối thấp (có kéo tr−ớc:40-60kN/cm2), có độ dài hạn chế nên phải hàn, làm giảm cục bộ độ bền của thép.
• Dây căng làm bằng bó sợi thép
Dây căng bằng bó sợi thép c−ờng độ cao có thể chế tạo theo tiết diện hình ống hay tiết diện đặc. Khi dùng ph−ơng pháp căng liên tục bó sợi làm thành tiết diện tròn hay chữ nhật gồm một hay nhiều hàng sợi. Bó sợi căng
liên tục có nh−ợc điểm là khi một sợi bị đứt thì cả bó cũng mất khả năng chịu lực. Sợi thép th−ờng dùng là loại đ−ờng kính 3-5mm. Sợi đ−ờng kính nhỏ quá dễ bị ăn mòn và bị tác động cơ học, ng−ợc lại đ−ờng kính lớn quá sẽ có c−ờng độ thấp và khó gia công. Bó thép đặc có lợi hơn bó tiết diện hình ống, vì bó hình ống căng bằng kích tác dụng kẹp chỉ đặt đ−ợc 12-18-24 sợi, nội lực tính toán tối đa (khi d=5mm) chỉ vào khoảng 450kN, hơn nữa khả năng chống ăn mòn cũng kém tiết diện đặc.
• Dây căng làm bằng dây cáp
Cấu kiện căng làm bằng dây cáp thích hợp nhất đối với kết cấu kim loại ứng suất tr−ớc. Dây cáp xoắn chế tạo sẵn từ nhà máy cho nên tiện dùng chắc chắn và không cần thiết bị riêng để gia công. Tiết diện dây cáp có thể là một nhánh có lõi và nhiều nhánh hoặc tiết diện kín (cáp bọc) có khả năng chống ăn mòn cao. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Dây cáp chế tạo bằng sợi thép c−ờng độ cao, đ−ờng kính từ 0,4-3mm, c−ờng độ giới hạn 130-260kN/cm2. Đ−ờng kính dây cáp có thể đến 65mm, lực đứt cực đại trên 4000kN. Loại dây cáp tròn có thể lấy c−ờng độ tính toán bằng 65% ứng suất phá hoại trung bình, với dây cáp bọc kẽm lấy bằng 60%. Nh−ợc điểm của dây cáp là giá cao, vật liệu hiếm và mô đun đàn hồi t−ơng đối thấp.
Khi xuất x−ởng, mô đun đàn hồi của cáp chỉ đạt khoảng 0,9 đến
1,2.104kN/cm2. Sau khi kéo tr−ớc với lực cao hơn lực tính toán khoảng 10- 15% có thể nâng cao mô đun đàn hồi lên 1,6-1,8.104kN/cm2 [5][31].
1.4.6. Chốt liên kết
Các liên kết và cốt thép ngang phân bố dọc theo mặt tiếp xúc giữa bê tông và thép phải có khả năng truyền lực dọc giữa tấm đan và thép hình, không xét đến lực ma sát giữa chúng. Trong kết cấu dầm liên hợp th−ờng sử dụng các dạng liên kết sau: chốt hàn có mũ, thép góc hàn, thanh cứng, móc... [4],[38],[40],[51].
phổ biến nhất do kỹ thuật chế tạo, lắp đặt nhanh, khả năng chịu lực tốt về mọi h−ớng theo trục của chốt [40].
Thảo luận các nội dung đạt đ−ợc trong Ch−ơng 1
- Giới thiệu quá trình phát triển của lý thuyết tính toán và những ứng dụng của kết cấu liên hợp thép - bê tông trên thế giới và ở Việt Nam;
- Những −u điểm của kết cấu liên hợp thép - bê tông về khả năng chịu lực, thời gian thi công, ứng dụng vào các công trình nhịp lớn, cao tầng. Ngoài ra cũng có một số nh−ợc điểm nh− công nghệ chế tạo phức tạp,... Riêng ở Việt Nam, giá thành thép còn cao, ảnh h−ởng đến giá thành công trình;
- Một số công trình tại Việt Nam đã sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông; tiêu chuẩn thiết kế biên dịch từ Eurocode 4 cũng sắp công bố. Do đó cần có các công trình nghiên cứu trong n−ớc để có những hiểu biết đầy đủ và ứng dụng hiệu quả hơn;
- Các nghiên cứu ứng dụng ứng suất tr−ớc vào kết cấu dầm liên hợp thép - bê tông trong công trình dân dụng gần đây mới bắt đầu, phần lớn các nghiên cứu đó đều là những thực nghiệm;
- Các vật liệu cơ bản để chế tạo kết cấu dầm liên hợp thép - bê tông ứng suất tr−ớc đều sẵn có trên thị tr−ờng Việt Nam;
Nội dung cụ thể nghiên cứu của luận án:
1. Về lý thuyết:
- Nghiên cứu, phân tích sự làm việc của dầm liên hợp thép - bê tông ứng suất tr−ớc, phân chia các giai đoạn làm việc (thi công và sử dụng)
- Thiết lập ph−ơng trình xác định chiều dài hợp lý của dây căng trong dầm liên tục; Công thức tính mô men dẻo giới hạn của dầm; ứng suất, chuyển vị; liên kết của dầm liên hợp thép - bê tông ứng suất tr−ớc;
- Lập ch−ơng trình máy tính để khảo sát, thiết kế, tính toán dầm liên hợp thép - bê tông ứng suất tr−ớc;
2. Về thực nghiệm
- Thí nghiệm kết cấu dầm liên hợp thép - bê tông ứng suất tr−ớc trên mô hình lớn để kiểm chứng lý thuyết tính toán;
- Thí nghiệm kết cấu dầm liên hợp thép - bê tông để so sánh với dầm liên hợp thép - bê tông ứng suất tr−ớc
Ch−ơng 2: Tính toán dầm liên hợp thép - bê tông ứng suất tr−ớc
Nội dung của Ch−ơng 2 là thiết lập các công thức cơ bản, trình tự tính toán dầm liên hợp thép - bê tông ứng suất tr−ớc (LHT-BT ƯST) dạng đơn giản và liên tục.
Để thiết lập các công thức cơ bản của dầm LHT-BT ƯST, ngoài các kiến thức cơ học cần kết hợp hai nội dung lý thuyết cơ sở là dầm thép ƯST và dầm liên hợp thép - bê tông (LHT-BT).
Trong kết cấu thép ƯST, xác định chiều dài dây căng trong dầm đơn giản đ−ợc h−ớng dẫn sử dụng d−ới dạng bảng tra. Có thể tìm thấy các bảng này trong các tài liệu của Belenya [31], Đỗ Quốc Sam, Đoàn Định Kiến [18], Phạm Văn Hội, Nguyễn Quang Viên [5].
Hiện nay trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp, về mặt lý thuyết, trong phạm vi các tài liệu đã tham khảo, mặc dù đã cố gắng tìm kiếm nh−ng ch−a thấy các nghiên cứu về kết cấu dầm LHT-BT ƯST. Trong lĩnh vực xây dựng cầu, các tác giả Lê Đình Tâm [19], Nguyễn Nh− Khải, Nguyễn Bình Hà [14] đã đề cập đến những −u điểm và khả năng ứng dụng của loại kết cấu này.
Để mở rộng khả năng sử dụng ƯST về mặt lý thuyết, trong ch−ơng 2 tác giả đã thiết lập đ−ợc ph−ơng trình dạng đa thức bậc 2 đối với tọa độ đặt neo ƯST, để xác định chiều dài dây căng hợp lý trong dầm liên tục. Ph−ơng trình này có thể áp dụng đối với dầm thép ƯST và dầm LHT-BT ƯST dạng liên tục.
Trong tính toán dầm thép ƯST, các tác giả Belenya [31], Đỗ Quốc Sam, Đoàn Định Kiến [18] đều thống nhất quan điểm an toàn là dây căng luôn làm việc đàn hồi ngay cả trong tr−ờng hợp cho phép một số tiết diện dầm phát triển đến biến dạng dẻo.
tính toán, tác giả đã thiết lập công thức tính mô men uốn dẻo giới hạn [M]ghd
(gọi tắt là mô men dẻo giới hạn) của dầm LHT-BT ƯST, giá trị của mô men dẻo giới hạn thể hiện khả năng chịu mô men ngoại lực lớn nhất của dầm LHT- BT ƯST và đ−ợc sử dụng để kiểm tra khả năng chịu lực của dầm LHT-BT ƯST theo trạng thái giới hạn phá hoại.
Công thức tính mô men dẻo giới hạn của dầm LHT-BT ƯST đ−ợc tác giả thiết lập với tr−ờng hợp tổng quát của dầm thép dạng chữ I có hai cánh không bằng nhau. Đây cũng là cơ sở để lựa chọn hợp lý tiết diện dầm thép tổ hợp. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Với công thức đã lập, khi cho hai cánh bằng nhau và diện tích dây căng bằng không, ta sẽ nhận đ−ợc công thức có trong EC4 cho dầm LHT-BT.
Khi kiểm tra dầm LHT-BT ƯST theo trạng thái giới hạn sử dụng, tác giả vận dụng các lý thuyết cơ học kết cấu, áp dụng vào dầm LHT-BT ƯST để thành lập các công thức kiểm tra ứng suất, độ võng của dầm LHT-BT ƯST.
Nh− vậy nội dung công việc tác giả đã thực hiện trong Ch−ơng 2 gồm: