3. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
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)
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.
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.
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: + Thiết lập ph−ơng trình xác định chiều dài dây căng hợp lý cho dầm
liên tục;
+ Thiết lập công thức tính mô men dẻo giới hạn của dầm LHT-BT ƯST; + Vận dụng lý thuyết cơ học kết cấu để thành lập công thức tính ứng
suất, chuyển vị trong dầm LHT-BT ƯST;
2.1. Nguyên tắc tính toán dầm liên hợp thép - bê tông ƯST 2.1.1. Đặc điểm làm việc của dầm liên hợp thép -bê tông ƯST 2.1.1. Đặc điểm làm việc của dầm liên hợp thép -bê tông ƯST
Về nguyên lý ứng suất tr−ớc của các loại dầm (dầm thép ƯST, dầm bê tông cốt thép ƯST, dầm LHT-BT ƯST) là giống nhau, tức là tạo ra trong kết cấu ứng suất ng−ợc dấu với ứng suất do tải trọng tính toán gây ra nhằm tăng khả năng chịu lực và giảm biến dạng cuối cùng của kết cấu.
Sự khác biệt giữa dầm LHT-BT ƯST so với dầm thép ƯST hoặc dầm BTCT ƯST là sự phân chia làm hai giai đoạn thi công và giai đoạn sử dụng,
với mỗi giai đoạn đó, tiết diện làm việc của dầm là khác nhau, cụ thể nh− sau: Giai đoạn 1: Giai đoạn thi công.
+ Định vị, lắp dựng dầm thép
+ Tạo ứng suất tr−ớc tại cánh d−ới ở nhịp và cánh trên tại gối dầm. + Ghép ván khuôn, đổ bê tông.
+ Tiết diện làm việc là tiết diện dầm thép ƯST Giai đoạn 2: Giai đoạn sử dụng.
+ Đ−ợc tính từ thời điểm bê tông đông kết đủ c−ờng độ và làm việc liên hợp với dầm thép thông qua các liên kết chốt hàn.
+ Trong giai đoạn này, tiết diện làm việc là tiết diện dầm LHT-BT ƯST. Trong phạm vi luận án, chỉ xét tr−ờng hợp căng tr−ớc và căng 1 lần, do vậy bố trí vị trí neo, chiều dài dây căng sẽ đ−ợc xác định với giá trị tải trọng sử dụng.
2.1.2. Ph−ơng pháp thi công dầm liên hợp thép - bê tông ƯST
Khi thi công dầm LHT-BT ƯST, có 2 ph−ơng pháp thi công là: Sử dụng hệ thanh chống và không sử dụng hệ thanh (gọi tắt là có chống đỡ và không chống đỡ). Với mỗi ph−ơng pháp thi công sẽ có cách tính t−ơng ứng.
Với ph−ơng pháp thi công có chống đỡ, lúc đó trọng l−ợng bê tông −ớt đ−ợc chống đỡ bởi hệ thanh chống. Hệ thanh chống này sau đó sẽ bỏ đi khi bê tông đã cứng. Lúc này trong giai đoạn thi công chỉ cần kiểm tra dầm thép ƯST trong giai đoạn tạo ƯST.
Với ph−ơng pháp thi công không chống đỡ, trong giai đoạn thi công, chỉ riêng dầm thép ƯST phải đ−ợc đảm bảo chịu đ−ợc trọng l−ợng bản thân dầm và toàn bộ tải trọng tôn hình và bê tông −ớt. Dầm thép ƯST sẽ đ−ợc kiểm tra theo 2 giai đoạn: Giai đoạn tạo ƯST và giai đoạn chịu tải thi công.
2.1.3. Đặc điểm tính toán theo ph−ơng pháp thi công
Ph−ơng pháp thi công không chống đỡ, hiệu quả của ƯST đ−ợc thể hiện trong cả giai đoạn thi công và cả giai đoạn sử dụng.
Ph−ơng pháp thi công có sử dụng hệ thanh chống, hiệu quả của ƯST chỉ thể hiện trong giai đoạn sử dụng.
Trong luận án xét đến cả hai ph−ơng pháp thi công, tuy nhiên khi đã sử dụng ƯST nên sử dụng ph−ơng pháp thi công không chống đỡ.
2.1.3.1. Ph−ơng pháp thi công không chống đỡ
• Giai đoạn 1- giai đoạn thi công:
Trình tự thi công nh− sau:
+ Định vị, lắp dựng dầm thép vào kết cấu;
+ Tạo ứng suất tr−ớc tại cánh d−ới ở nhịp và cánh trên tại gối dầm ; + Ghép ván khuôn bản sàn;
+ Đổ bê tông;
Tiết diện làm việc, tải trọng tính toán