Nội dung

1 PHẦN MỞ ĐẦU * Lý do chọn đề tài: - Kết cấu liên hợp thép bêtông là kết cấu sử dụng thép hình kết hợp với bêtông để làm kết cấu chịu lực cho công trình; - Kết cấu liên hợp thép - bêtông có những ưu điểm về mặt chịu lực là: + Khả năng chịu lực và độ tin cậy cao: Kết cấu liên hợp thép – bêtông đã tận dụng được các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lý của cả hai loại vật liệu, vật liệu thép và vật liệu bêtông. + Công năng sử dụng hiệu quả: bản sàn liên hợp có chiều dày mỏng hơn, dầm liên hợp có thể vượt nhịp lớn hơn, cột liên hợp có tiết diện mảnh hơn, các kết cấu liên hợp có thể chịu được nhiệt độ cao hơn với thời gian dài hơn. + Hiệu quả kinh tế: So với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu thép thuần túy thì việc sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép – bêtông sẽ có hiệu quả kinh tế cao hơn, giảm được trọng lượng thép khoảng 10 - 15%. - Bên cạnh các ưu điểm đó, kết cấu liên hợp thép bêtông còn có ưu điểm về khả năng chịu cháy so với kết cấu thép do bêtông còn đóng vai trò làm lớp vật liệu bảo vệ, làm chậm quá trình tăng và truyền nhiệt trong kết cấu thép. Với các ưu điểm nêu trên, kết cấu liên hợp thép - bêtông ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng. -Việc xác định khả năng chịu lực của kết cấu liên hợp trong điều kiện cháy là phức tạp do phải kể đến sự biến dạng do nhiệt, sự thay đổi các tính chất cơ lý của vật liệu khi nhiệt độ tăng cao. Tiêu chuẩn Việt Nam chưa có chỉ dẫn tính toán, chỉ có tiêu chuẩn nước ngoài có chỉ dẫn như Eurocodes, tiêu chuẩn Canada, New Ziland… nhưng chỉ tính toán cho các cấu kiện đơn giản và phải dùng nhiều giả thiết đơn giản hóa thiên về an toàn. 2 - Do kiến thức về kết cấu trong điều kiện cháy còn chưa được công bố nhiều nhất là tài liệu tiếng Việt, luận văn này trình bày rõ một số phương pháp tính toán khả năng chịu lực của kết cấu liên hợp thép - bêtông trong điều kiện cháy, qua ứng dụng tính toán, đưa ra các nhận xét, khuyến nghị. * Mục đích nghiên cứu: Nêu rõ một số phương pháp xác định khả năng chịu lực của kết cấu liên hợp thép – bêtông trong điều kiện cháy, ứng dụng tính toán để có kết quả đưa ra các nhận xét, khuyến nghị. * Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là kết cấu liên hợp thép- bêtông trong điều kiện cháy. Phạm vi nghiên cứu là phương pháp tính toán cho một số cấu kiện cơ bản và kết cấu khung phẳng. * Phương pháp nghiên cứu: Trong luận văn dùng phương pháp tổng hợp, nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng thực hành tính toán, qua đó đưa ra các nhận xét khuyến nghị. * Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Đề tài trình bày những kiến thức mới (chưa công bố nhiều tại Việt Nam) về kết cấu trong điều kiện cháy. Những kiến thức này là cần thiết cho các sinh viên, kỹ sư, cán bộ làm về ngành xây dựng. * Cấu trúc luận văn: Luận văn gồm có 3 chương: Chương 1: Tổng quan về ứng xử của kết cấu liên hợp thép – bêtông trong điều kiện cháy Chương 2: Xác định khả năng chịu lực của kết cấu liên hợp thép – bêtông trong điều kiện cháy Chương 3: Ví dụ tính toán 3 NỘI DUNG CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊTÔNG TRONG ĐIỀU KIỆN CHÁY 1.1. Giới thiệu về kết cấu liên hợp thép – bêtông Kết cấu liên hợp thép – bêtông là kết cấu mà thép chịu lực có dạng tấm, thép hình, thép ống kết hợp với kết cấu bêtông. Nó có thể nằm ngoài bêtông (gọi là thép nhồi bêtông) hay nằm trong bêtông (gọi là kết cấu thép bọc bêtông) hoặc là cùng nhau làm việc. Các giải pháp cấu tạo thường được sử dụng đối với loại cấu kiện kết cấu cột liên hợp là thép định hình, thép tổ hợp hàn dạng chữ H được bọc bêtông một phần hoặc toàn bộ, hoặc thép ống được nhồi đầy bêtông hoặc bêtông cốt thép. Hình 1.1: Một số kiểu tiết diện cột [9] Đối với cấu kiện sàn liên hợp thì giải pháp sử dụng thường là bản sàn bêtông cốt thép được đặt lên trên dầm thép hình chữ I. Ngoài ra các tấm tôn thép sóng được đặt ở mặt dưới của bản sàn bêtông, nằm giữa bản sàn bêtông và dầm thép hình để đóng vai trò vừa là cốt thép chịu kéo trong quá trình sử dụng đồng thời là ván khuôn đỡ bêtông tươi trong quá trình thi công. 4 Bản sàn bêtông Cốt thép sàn Dầm thép Hình 1.2: Kết cấu sàn liên hợp sử dụng tấm tôn sóng [6] * Ưu điểm của kết cấu liên hợp thép – bêtông a. Khả năng chịu lực và độ tin cậy cao [6] Kết cấu liên hợp thép – bêtông đã tận dụng được các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lý của cả hai loại vật liệu, vật liệu thép và vật liệu bêtông. Vật liệu thép có cường độ chịu kéo và nén cao, khả năng cho phép biến dạng dẻo lớn, độ tin cậy, độ an toàn chịu lực cao nhưng khả năng chịu lửa kém và giá thành lại cao. Trong khi đó vật liệu bêtông mặc dù chỉ có cường độ chịu nén tương đối nhưng lại có tính chịu lửa tốt, giá thành rẻ và được sử dụng phổ biến. Như vậy, so với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu bêtông cốt thép thuần túy thì việc sử dụng kết cấu liên hợp thép – bêtông sẽ đảm bảo khả năng chịu lực và nâng cao độ tin cậy của kết cấu, do bao gồm khả năng chịu lực của cả hai thành phần kết cấu thép hình và bêtông cốt thép cùng kết hợp tham gia chịu lực. b. Công năng sử dụng hiệu quả [6] Đối với các công trình nhà nhiều tầng, khi chiều cao nhà càng cao và nhịp khung càng lớn thì nội lực dọc trục trong cột và mômen trong dầm càng lớn; lực dọc trong cột có thể lên đến 3000T đối với công trình nhà cao hơn 30 tầng. Như vậy, nếu chỉ sử dụng giải pháp kết cấu bêtông cốt thép thông thường thì kích thước tiết diện yêu cầu của cột là rất lớn, vì thực tế cấp độ bền của bêtông sử dụng phổ biến cho xây dựng nhà nhiều tầng ở Việt Nam 5 hiện nay vào khoảng B25 đến B40, tương ứng với cường độ chịu nén tính toán khoảng 155 đến 215 daN/cm2. Chẳng hạn khi sử dụng giải pháp kết cấu bêtông cốt thép thuần túy thì kích thước tiết diện cột yêu cầu cho nhà cao 40 tầng xây dựng ở Hà Nội là khoảng 1,5m x 1,5m; tuy nhiên kích thước này có thể giảm xuống còn khoảng 1m x 1m khi sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép – bêtông. Như vậy, việc ứng dụng giải pháp kết cấu liên hợp sẽ tạo cho công trình gọn nhẹ và tăng không gian sử dụng. c. Hiệu quả kinh tế [6] So với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu thép thuần túy thì việc sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép – bêtông sẽ có hiệu quả kinh tế cao hơn, giảm được trọng lượng thép khoảng 10 - 15%. Nếu so sánh với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu bêtông cốt thép thuần túy thì giải pháp kết cấu liên hợp giảm được trọng lượng của công trình khoảng 10-20%, dẫn đến giảm được kết cấu móng. Do vậy mặc dù lượng thép dùng trong kết cấu liên hợp là nhiều hơn một chút nhưng tổng chi phí xây dựng công trình có thể vẫn giảm, đồng thời tăng nhanh được thời gian thi công để sớm đưa công trình vào sử dụng và quay vòng vốn. * Nhược điểm của kết cấu liên hợp thép – bêtông [9] Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm nổi bật thì kết cấu liên hợp thép – bêtông đòi hỏi sự gắn kết giữa hai vật liệu bêtông và cốt thép, chính vì vậy việc tính toán phức tạp hơn, đòi hỏi thời gian tính toán nhiều hơn, chi phí gia công và chế tạo các liên kết sẽ tăng. 6 1.2. Thiết kế kết cấu liên hợp thép – bêtông trong điều kiện nhiệt độ thường [6] Quy trình thiết kế kết cấu liên hợp thép – bêtông nhìn chung cũng giống như các loại cấu kiện khác, được thực hiện theo các bước chính sau: - Lựa chọn sơ bộ hình dạng và kích thước của các tiết diện cấu kiện kết cấu chính (bản sàn, dầm, cột, giằng đứng) và cấu tạo nút khung liên kết (khớp, nửa cứng, cứng), cấu kiện cột cần đảm bảo không được quá mảnh. Bước này thực hiện chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của người thiết kế và kết quả tính toán sơ bộ. - Tiến hành phân tích hệ kết cấu nhằm xác định nội lực và biến dạng của các cấu kiện kết cấu dầm, cột, nút khung ứng với từng trường hợp tổ hợp tải trọng gây nguy hiểm cho kết cấu công trình. Khi phân tích hệ kết cấu thì bản sàn có thể được tính toán riêng rẽ, nhưng một phần bề rộng của tiết diện bản sàn cần được kể đến để tham gia làm việc cùng với dầm sàn. - Xác định khả năng chịu lực của các cấu kiện kết cấu đã chọn và kiểm tra trạng thái giới hạn về chịu lực và biến dạng. 1.2.1. Sàn liên hợp thép – bêtông Sàn liên hợp thường gồm các tấm tôn đặt ở mặt dưới, bên trên nó là lưới cốt thép và bêtông đổ tại chỗ. Tấm tôn được cấu tạo theo nhiều hình dạng khác nhau có các sườn nổi làm tăng độ cứng uốn và giảm trọng lượng của bản sàn, tăng khả năng truyền lực giữa bêtông và tấm tôn, ngăn cản chuyển vị của dầm thép trong quá trình lắp dựng. Các chốt liên kết được hàn sẵn với tấm tôn để tăng khả năng chịu cắt giữa tấm tôn và bản bêtông. Tổng chiều dày của bản sàn liên hợp ≥ 80mm có thể đến 180mm, tùy theo yêu cầu chịu tải trọng và khả năng chịu lửa cho bản sàn. Chiều dày của phần bêtông nằm trên sóng tôn yêu cầu lớn hơn 40mm để nhằm bảo vệ cốt thép và đảm 7 bảo khả năng chịu lực. Nhịp của bản sàn từ 2,5m đến 4m có thể lên đến 7m khi sử dụng các cột trụ chống đỡ trong quá trình thi công. Sàn liên hợp cần được thiết kế đảm bảo đủ khả năng chịu lực trong suốt giai đoạn thi công và giai đoạn sử dụng khi bêtông đông cứng. Tấm tôn đóng vai trò là ván khuôn trong quá trình thi công cần được tính toán chịu các loại tải trọng do trọng lượng bản thân bêtông khi ướt, lưới cốt thép, các thiết bị đổ bêtông và người thao tác, …Sàn liên hợp cần được kiểm tra tại các vị trí nguy hiểm có thể xảy ra phá hoại do mômen uốn lớn nhất, do bị trượt dọc và trượt ngang tại các mặt tiếp xúc giữa tấm tôn và bêtông. 1.2.2. Dầm liên hợp thép – bêtông a. Giải pháp dầm liên hợp đơn giản và liên tục: Giải pháp cấu tạo dầm liên hợp đơn giản do chỉ có mômen dương nên có các ưu điểm sau so với dầm liên hợp liên tục: - Vùng chịu ứng suất nén dọc trục của bản bụng dầm là rất ít; đồng thời bản cánh nén được liên kết với bản sàn bêtông cốt thép hoặc bản thép; do vậy khả năng chịu lực của dầm không phụ thuộc bởi điều kiện mất ổn định của dầm thép; - Bản bụng chịu ứng suất nhỏ hơn nên có thể tạo các lỗ ở bản bụng; - Mômen uốn và lực cắt trong dầm được xác định đơn giản và không ảnh hưởng do bêtông nứt, từ biến và lão hóa; - Bản sàn bêtông hầu như không chịu kéo, mômen trong cột nhỏ hơn nếu có các hệ giằng và vách cứng chịu tải trọng ngang; - Không có ảnh hưởng giữa các nhịp dầm, phân tích nội lực trong hệ kết cấu nhanh hơn; Tuy nhiên, dầm liên hợp đơn giản có các nhược điểm sau: độ võng ở giữa nhịp dầm và bề rộng khe nứt ở gối lớn; chiều cao tiết diện dầm yêu cầu lớn hơn. 8 b. Tiết diện tính toán dầm liên hợp Tiết diện dầm liên hợp có dạng chữ T gồm tiết diện của dầm thép hình và của bản sàn bêtông cốt thép. Thực tế khi chịu tải trọng, mặt cắt ngang của dầm liên hợp không còn duy trì được phẳng, vì ứng suất nén do mômen uốn phân bố không đều theo bề rộng của phần bản sàn bêtông (hình 1.3). Do vậy bề rộng tính toán của phần bản sàn bêtông, beff có thể được xác định theo giả thuyết cân bằng, diện tích đa giác ACDEF bằng GHJK và coi như ứng suất lớn nhất phân bố trên toàn bề rộng tính toán beff. Tỷ số beff / B có giá trị nhỏ hơn 1, phụ thuộc vào nhịp dầm, điều kiện liên kết ở hai đầu dầm, loại tải trọng tác dụng,... Bề rộng tính toán, beff ở tiết diện giữa nhịp dầm là lớn hơn so với ở gần gối dầm. Tuy nhiên, để đơn giản trong phân tích tính toán kết cấu, bề rộng beff cho toàn bộ tiết diện của dầm được lấy giống nhau theo tiết diện ở giữa nhịp đối với dầm có các gối tựa ở hai đầu hoặc theo tiết diện gần gối tựa đối với dầm conxôn. Hình 1.3: Bề rộng tính toán của dầm liên hợp [6] Trường hợp có sử dụng tấm tôn sóng định hình (đặt vuông góc với nhịp dầm) thì chỉ kể đến phần bêtông nằm trên sườn của tấm tôn là chịu lực nén, bỏ qua tấm tôn định hình và phần bêtông nằm trong sườn. 9 c. Phân loại tiết diện dầm liên hợp Bản bụng và bản cánh nén của dầm thép có thể bị mất ổn định cục bộ, phụ thuộc vào độ mảnh của chúng hw /tw và b0f / tf. Trong thực hành thiết kế, tuỳ theo cấu tạo tiết diện dầm thép (được bọc bêtông một phần, hoàn toàn, hoặc không bọc bêtông) và tỷ số hw /tw và b0f / tf, tiết diện dầm liên hợp được phân thành bốn loại; tiết diện loại cao nhất là loại 1 có khả năng chống ổn định tốt nhất: - Tiết diện loại 1: cho phép chảy dẻo hoàn toàn và hình thành khớp dẻo khi tiến hành phân tích dẻo; - Tiết diện loại 2: cho phép chảy dẻo nhưng với góc xoay chảy dẻo bị hạn chế do bêtông bị vỡ hoặc bản thép bị mất ổn định; - Tiết diện loại 3: cho phép xuất hiện ứng suất lớn nhất đạt tới giới hạn chảy nhưng tiết diện không được phép chảy dẻo; - Tiết diện loại 4: cho phép hiện tượng mất ổn định cục bộ xảy ra trước khi ứng suất lớn nhất đạt tới giới hạn chảy. Ví dụ, khi bản sàn bêtông cốt thép liên kết chắc chắn với bản cánh nén của dầm thép thì bản cánh nén được coi là loại 1, tuy nhiên, trong quá trình thi công thì dầm thép được coi thuộc loại thấp hơn. Khi trục trung hoà dẻo nằm ở bản sàn bêtông hoặc ở bản cánh trên của dầm thép thì bản bụng của dầm thép được coi là loại 1 hoặc loại 2 tương ứng với liên kết chịu cắt là hoàn toàn hoặc không hoàn toàn. Loại tiết diện dầm liên hợp được xác định theo loại thấp hơn của loại bản bụng và bản cánh nén. d. Phương pháp phân tích xác định nội lực thiết kế Mômen và lực cắt thiết kế trong dầm liên hợp có thể được xác định theo một trong hai phương pháp phân tích hệ kết cấu là: phương pháp phân tích đàn hồi t uyến tính và phương pháp phân tích chảy dẻo. Phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính được áp dụng cho cả 10 bốn loại tiết diện dầm liên hợp. Trong phương pháp phân tích này yêu cầu cần xác định độ cứng uốn EI tương đối giữa các phần tử kết cấu. Các giá trị khác nhau của EI được sử dụng cho từng trường hợp tải trọng tác dụng, cụ thể: (a) Trong giai đoạn thi công khi kết cấu chưa liên hợp thì chỉ sử dụng độ cứ ng EaIa của riêng thép kết cấu; (b) Trong giai đoạn kết cấu đưa vào sử dụng chịu tải trọng tác dụng dài hạn thì sử dụng độ cứng quy đổi EaI trong đó mômen quán tính I được xác định từ tiết diện quy đổi sử dụng hệ số môđun đàn hồi n=Ea /E*c với E*c là môđun đàn hồi tính toán của bêtông; (c) Khi kết cấu chịu tải trọng thay đổi thì sử dụng hệ số n0=Ea /Ecm với Ecm là môđun cát tuyến của bêtông khi chịu tải trọng ngắn hạn; Các giá trị độ cứng trong trường hợp (b) và (c) thay đổi theo dấu của mômen uốn. Thực tế theo chiều dài của dầm, bêtông có thể bị nứt hoặc không nứt. Thường bêtông ở các tiết diện gần gối tựa dầm nứt nhiều hơn so với ở các tiết diện giữa dầm. Để đơn giản có thể áp dụng phương pháp phân tích coi bêtông không nứt cho toàn bộ các tiết diện của dầm, rồi sau đó sử dụng hệ số giảm mômen ở các tiết diện gần gối dầm và tương ứng tăng mômen ở tiết diện giữa nhịp dầm để đảm bảo nguyên tắc cân bằng tĩnh. Phương pháp phân tích dẻo chỉ áp dụng trong trường hợp dầm liên hợp có tiết diện loại 1 tại các vị trí hình thành khớp dẻo và loại 1 hoặc loại 2 ở các tiết diện khác nằm ngoài phạm vi hình thành khớp dẻo. Khả năng xoay dẻo tại khớp dẻo bị hạn chế do bêtông vỡ hoặc thép mất ổn định và phụ thuộc vào kích thước tiết diện, hình dạng biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu, cơ chế hình thành