Kết cấu bê tông cốt thép được sử dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm sau: Giá thành thấp: bê tông được chế tạo chủ yếu từ các vật liệu sẵn có như đá, sỏi, cát… Các vật liệu khác như xi măng,
Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu công nghệ lắp ghép và ứng dụng vào thiết kế kết cấu dầm bê tông lắp ghép theo tiêu chuẩn Châu Âu.
Cách tiếp cận đề tài
Nghiên cứu và áp dụng các tài liệu quốc tế về kết cấu dầm bê tông lắp ghép, bao gồm tiêu chuẩn Eurocode 2 và sách "Precast Concrete Structures" của tác giả Kim S Elliott, cùng với các tài liệu tham khảo khác, nhằm phát triển phương pháp bố trí và tính toán hiệu quả cho kết cấu dầm bê tông lắp ghép.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu tài liệu quốc tế và các bài toán liên quan giúp kiểm chứng và phát triển phương pháp áp dụng cho các công trình trong nước Qua đó, chúng tôi rút ra phương pháp bố trí và tính toán kết cấu dầm bê tông lắp ghép, nhằm áp dụng hiệu quả cho các dự án thực tế trong tương lai.
Dự kiến kết quả đạt được
Hệ thống được lý thuyết tính toán kết cấu dầm bê tông lắp ghép và đưa ra các ví dụ tính toán theo tiêu chuẩn Châu Âu.
Kết cấu nội dung luận văn
Bản luận văn thạc sĩ không chỉ bao gồm phần mở đầu, kết luận kiến nghị và danh mục tài liệu tham khảo, mà còn được cấu trúc thành 3 chương nội dung chính.
Chương 1 : Tổng quan về dầm lắp ghép và tiêu chuẩn Châu Âu về thiết kế kết cấu bê tông
Chương 2 : Cơ sở lý thuyết thiết kế kết cấu dầm bê tông cốt thép lắp ghép theo tiêu chuẩn Châu Âu
Chương 3: Tính toán thiết kế dầm bê tông lắp ghép theo tiêu chuẩn Châu Âu
TỔNG QUAN VỀ DẦM LẮP GHÉP VÀ TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG
Phân loại dầm lắp ghép
Dầm là cấu kiện chính nằm ngang trong hệ kết cấu khung, có tiết diện lăng trụ và khả năng chịu uốn từ 300-800 kNm cùng với khả năng chịu cắt từ 100-500 kN Theo các tiêu chuẩn sản phẩm của Châu Âu, dầm đóng vai trò quan trọng trong cấu trúc xây dựng.
Theo tiêu chuẩn BS EN 13225 (2013), "cấu kiện kết cấu tuyến tính" chỉ áp dụng cho dầm đơn và không mở rộng cho thiết kế dầm trong hệ khung Trong kết cấu bê tông lắp ghép, dầm cần phải chịu được trọng lượng bản thân của các tấm sàn và có khả năng chịu các tổ hợp tải trọng, bao gồm lực xoắn có thể xuất hiện trong giai đoạn xây dựng khi các cấu kiện sàn được đặt về một phía của dầm Do đó, các yêu cầu này cần được xem xét trong thiết kế dầm cũng như thiết kế mối nối giữa dầm và cột.
Dầm được chia thành hai loại: dầm bên trong và dầm bên ngoài Dầm bên trong thường chịu tải trọng đối xứng do có các tấm sàn ở cả hai phía, dẫn đến tiết diện đối xứng như Hình 1.1a Tiêu chuẩn thiết kế yêu cầu tối thiểu hóa chiều cao dầm để tăng không gian tầng và giảm chiều cao phía dưới (downstand) Do đó, dầm bên trong thường được thiết kế để tối ưu hóa tính năng kết cấu Để giảm chiều cao phía dưới, một phần của dầm có thể được lõm vào trong tấm sàn, tạo thành dầm chữ T ngược Dầm bên trong cũng có thể được thiết kế kết hợp với tấm sàn, đóng vai trò như cánh chịu nén.
Dầm bên ngoài (dầm biên) là dầm chịu tải không đối xứng, ví dụ như dầm cao phía ngoài trong Hình 1.2, nơi lực xoắn phát sinh do tải trọng không trùng với trọng tâm của dầm Lực xoắn cần được xem xét trong thiết kế để đảm bảo ổn định Các giới hạn về chiều cao h và bề rộng bw của dầm được quy định trong EN 1992-1-1, mục 5.9, áp dụng cho trường hợp dầm không có đủ giằng bên trong Biến dạng bên phải được giả thiết là l/300 trong quá trình kiểm tra dầm không giằng, với l là tổng chiều dài của dầm Trong kết cấu hoàn thiện, các giằng từ các cấu kiện liên kết, như giằng do các tấm sàn, có thể được tính toán, và ảnh hưởng thứ cấp liên quan đến mất ổn định bên có thể bỏ qua nếu khoảng cách giữa các hạn chế xoắn là đủ.
Trường hợp lâu dài: 𝑙 0𝑡 = 50𝑏 𝑤 /(ℎ/𝑏 𝑤 ) 1 3 và h/𝑏 𝑤 ≤ 2.5 (1.1)
Trường hợp tạm thời: 𝑙 0𝑡 = 70𝑏 𝑤 /(ℎ/𝑏 𝑤 ) 1 3 và h/𝑏 𝑤 ≤ 3.5 (1.2)
Trong trường hợp điển hình với hP0 mm và bw5 mm, dầm sẽ được liên kết bởi các tấm sàn với khoảng cách là lotpx175/((500/175)^{1/3}) \times 10^{-3} = 8.63 m, giá trị này có thể là giới hạn cho một số dầm.
Mặt cắt ngang của dầm thường có hình L để tránh việc đặt ván khuôn tại biên ngoài, với phần phía trên cao được gọi là dầm “tường lửng” Các dầm này thường được sử dụng quanh chu vi công trình, như tạo hàng rào cho bãi đỗ xe “Tường lửng” giúp tạo lớp bao khô xung quanh tòa nhà bằng cách làm tấm chắn thời tiết tạm thời giữa các tầng Dầm biên không có yêu cầu hình dạng đối xứng và chiều cao không bị giới hạn, cho phép thiết kế linh hoạt, mặc dù thường không cần thiết phải thiết kế liên hợp với tấm sàn.
Dầm biên hình L chịu tải trọng sàn không đối xứng Phần của dầm đỡ sàn được gọi là
“phần phía dưới”, và phần thân chính được gọi là “phần phía trên” Có hai loại dầm biên được thể hiện trong Hình 1.4:
Loại I, là loại có phần phía trên rộng và được sử dụng như một phần của tiết diện chịu lực (Hình 1.4b)
Loại II là loại ván khuôn có phần phía trên hẹp, được sử dụng như ván khuôn cố định cho các tấm sàn, và được xem là toàn khối với phần bê tông đổ tại chỗ ở cuối các tấm sàn (Hình 1.4a).
Hình 1.2 Dầm biên cao tường lửng đỡ sàn chữ T ghép
Trong dầm loại I, bề rộng tối thiểu của phần phía trên cần đạt từ 150 đến 175 mm Bề rộng biên được tính bằng tổng chiều dài tấm đỡ sàn chuẩn hóa (75 mm), khoảng dung sai (10 mm) và khoảng để đổ bê tông tại chỗ (50 mm), dẫn đến tổng kích thước là 135 mm Do đó, bề rộng tối thiểu của dầm loại I sẽ khoảng 300 mm.
Bề rộng phía trên của dầm loại II dao động từ 75 đến 100 mm, với bề rộng tối thiểu khoảng 250 mm Chiều cao tối thiểu của dầm thường được xác định dựa trên kích thước của mối nối ở cuối dầm, và chiều cao tối thiểu này sẽ bằng chiều cao của sàn hs công, trong khi chiều cao tối thiểu phía dưới của dầm là 150 mm.
Thiết kế dầm dựa trên các quy tắc của kết cấu bê tông cốt thép và bê tông ứng suất trước, phù hợp với các điều kiện biên và tải trọng cụ thể Các điều kiện biên có thể bao gồm dầm đơn giản hoặc dầm liên tục.
Dầm dạng tưởng lửng biên (dầm cao chữ L) được sử dụng để đỡ các cấu kiện sàn rỗng, bao gồm các phương pháp như sử dụng chốt với đầu cột bằng gỡ đỡ, các lỗ chốt ở cuối dầm, và liên kết tấm hẹp với mặt cột.
Hình 1.4 Dầm biên tiết diện chữ L: (a) liên hợp (trái) và (b) không liên hợp
Nghiên cứu của Elliott và cộng sự (2005) cho thấy gối đỡ nửa cứng có hiệu quả tương đương với gối đỡ cứng hoàn toàn khi cung cấp hệ số cố định lên tới 0.7, với gối có hệ số =0 và ngàm có hệ số =1 Mô men tới hạn tại thời điểm phá hoại được xác định là Mu = -177 và -184 kNm, với hệ số uốn trung bình là 0.108, tương ứng với khoảng 0.65 mô men cân bằng của sức kháng tại vị trí góc xoay giới hạn theo quy định của EN 1992-1-1.
Thí nghiệm cho thấy giá trị Mu thực tế vượt quá 33% so với giá trị dự đoán dựa trên cường độ chảy của thép (fsR0 N/mm²) của thanh phía trên số 3 H16, cho thấy rằng gối đỡ dầm nửa cứng có thể đang được thiết kế quá an toàn.
Hình 1.5 Liên kết dầm liên tục và nửa cứng (Thí nghiệm bởi Elliot và Ferriera tại Đại học Nottingham,Vương quốc Anh)
Thiết kế bê tông lắp ghép khác biệt so với thiết kế bê tông cốt thép toàn khối, khi mà các tiết diện và thanh thép được chuẩn hóa và quyết định từ trước để sản xuất tại nhà máy, đáp ứng nhu cầu của đa số kết cấu công trình Số lượng thanh thép chịu uốn và cắt được tối ưu hóa theo kích thước mỗi dầm Các thiết kế này có thể thay đổi về chiều cao, bề rộng và số lượng thanh thép, với sự hỗ trợ của các chương trình tính đơn giản hoặc bảng tính Các phần tiếp theo sẽ minh họa phương pháp này.
Người thiết kế thường chọn hai loại bê tông chính: bê tông cốt thép thông thường (C32/40) và bê tông ứng suất trước (C40/50 đến C50/60) Đối với thép, loại thép thanh có độ dẻo cao với fykP0 N/mm² được ưa chuộng, trong khi thép cac bon thấp, mặc dù phù hợp, lại kém hấp dẫn do giá thành và độ nhẵn Thép cac bon thấp thường được sử dụng làm chốt liên kết vì tính linh hoạt trong việc uốn cong Ngoài ra, loại thép thanh căng trước, như tao cáp bện từ 7 dây với cường độ fpk = 1750 và 1860 N/mm², không được sử dụng do yêu cầu lực lớn trong dầm.
Tiêu chuẩn thiết kế châu âu và định hướng áp dụng
1.2.1 Tình hình áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu tại Việt Nam và định hướng hội nhập
Hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam đã được hình thành qua nhiều năm, chủ yếu dựa trên các tiêu chuẩn của Liên Xô, Anh Quốc, Hoa Kỳ, ISO và Trung Quốc Sự phát triển này xuất phát từ nhu cầu thực tế qua các thời kỳ, nhưng chưa có sự đồng bộ ngay từ đầu Trong bối cảnh hội nhập kinh tế toàn cầu, ngành Xây dựng cần dỡ bỏ rào cản kỹ thuật và xây dựng một hệ thống tiêu chuẩn đồng bộ, hiện đại, hài hòa, tiệm cận với tiêu chuẩn quốc tế, nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hội nhập với các nước trong khu vực và thế giới.
Trong những năm qua đã diễn ra một số sự kiện và những nội dung cam kết quan trọng của Việt Nam trong quá trình hội nhập:
Khu vực mậu dịch tự do ASEAN AFTA đã đề ra các chương trình nhằm dỡ bỏ rào cản kỹ thuật, trong đó yêu cầu các nước thành viên, bao gồm Việt Nam từ ngày 28/7/1995, phải hài hòa tiêu chuẩn quốc gia dựa trên sự so sánh và chấp thuận các tiêu chuẩn quốc tế ở ba mức độ: đồng nhất, tương đương và không tương đương.
Vào ngày 26/01/1999, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định 06/1999/QĐ-TTg phê duyệt Nghị định thư thực hiện cam kết đầu tiên trong khuôn khổ Hiệp định khung về hợp tác dịch vụ ASEAN Cam kết này bao gồm việc xoá bỏ các rào cản như giấy phép xây dựng và chứng nhận, đồng thời xây dựng các tiêu chuẩn và quy chuẩn hài hoà Để thực hiện AFTA, bên cạnh việc loại bỏ hàng rào thuế quan, còn cần chú trọng đến các tiêu chuẩn kỹ thuật.
Vào tháng 11/1992, Hội nghị Bộ trưởng Kinh tế các nước ASEAN tại Manila đã thành lập Uỷ ban tư vấn về tiêu chuẩn và chất lượng của ASEAN (ACCSQ) Từ tháng 3/1998, ACCSQ có 4 nhóm công tác: Nhóm WG1 xây dựng các Hiệp định thừa nhận lẫn nhau (MRA); Nhóm WG2 quản lý và công nhận, hợp lý hoá các văn bản pháp quy và quy định kỹ thuật liên quan đến 20 nhóm sản phẩm ưu tiên; Nhóm WG3 tập trung vào tiêu chuẩn và đánh giá sự phù hợp, hợp tác trong tiêu chuẩn hoá quốc tế và chứng nhận sản phẩm; Nhóm WG4 chuyên về thông tin tiêu chuẩn và sự phù hợp, cùng xuất bản tập chí Tiêu chuẩn và Chất lượng ASEAN.
Tổ chức Thương mại Thế giới (WTO) được thành lập vào năm 1995 và hiện nay có 150 quốc gia thành viên WTO sở hữu ba công cụ pháp lý chính, trong đó có Hiệp định chung về thuế quan (GATT).
Quy trình biên soạn, chấp thuận và áp dụng tiêu chuẩn được áp dụng cho tất cả các nước thành viên, nhấn mạnh rằng thương mại toàn cầu cần tới những tiêu chuẩn toàn cầu Vào ngày 14/10/1997, ISO, IEC, ITU và WTO đã gửi thông điệp quan trọng đến các nước thành viên về tầm quan trọng của tiêu chuẩn quốc tế.
1.2.2 Tổng quan về hệ thống tiêu chuẩn Châu Âu
Eurocode là bộ tiêu chuẩn thiết kế kết cấu công trình được áp dụng tại các nước Liên minh Châu Âu và ngày càng được nhiều quốc gia trên thế giới áp dụng Trong bối cảnh hội nhập hiện nay, việc rà soát và xây dựng hệ thống tiêu chuẩn xây dựng hiện đại, đồng bộ và phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế là nhiệm vụ quan trọng của ngành xây dựng.
Hệ thống tiêu chuẩn Eurocodes là bộ tiêu chuẩn kết cấu do Tiểu ban kỹ thuật CEN/TC250 biên soạn, được Uỷ ban Tiêu chuẩn hoá Châu Âu (CEN) ban hành, nhằm áp dụng chung cho các quốc gia trong Liên minh châu Âu (EU).
Năm 1975, Uỷ ban Liên minh châu Âu đã khởi xướng một chương trình hành động nhằm loại bỏ rào cản kỹ thuật trong thương mại và hài hoà các quy định kỹ thuật trong lĩnh vực xây dựng Chương trình này đã dẫn đến việc hình thành một loạt quy tắc kỹ thuật hài hoà, thay thế cho các tiêu chuẩn quốc gia của các nước thành viên Đến giữa năm 1980, tiêu chuẩn đầu tiên về kết cấu công trình thuộc hệ thống Eurocodes đã được ra mắt, và hiện nay, hệ thống này đã phát triển thành 10 tiêu chuẩn chính, được chia thành 4 nhóm.
- Nhóm 1 - Cơ sở thiết kế kết cấu: EN 1990 (Eurocode 0);
Bảng 1.1 Danh mục hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Eurocodes
- Nhóm 2 - Các tác động lên kết cấu công trình: EN 1991 (Eurocode 1);
- Nhóm 3 - Các yêu cầu thiết kế cụ thể cho từng loại kết cấu: EN 1992 ữ EN 1996 và
EN 1999 (Eurocode 2 ữ Eurocode 6 và Eurocode 9);
- Nhóm 4 - Thiết kế địa kỹ thuật và kháng chấn cho công trình: EN 1997 và EN 1998 (Eurocode 7 và Eurocode 8)
Tiêu chuẩn Eurocodes được phân chia thành nhiều phần, mỗi phần quy định các yêu cầu cụ thể cho từng loại kết cấu Danh mục các phần của hệ thống tiêu chuẩn Eurocodes được trình bày trong bảng 1.1.
Trong hệ thống tiêu chuẩn Eurocodes, có các tiêu chuẩn trích dẫn được áp dụng đồng thời, quy định việc đánh giá chất lượng sản phẩm xây dựng, phương pháp thử, quy trình thi công và quản lý chất lượng Hiện nay, Bộ Xây dựng đang chỉ đạo thực hiện chuyển đổi các tiêu chuẩn này thành tiêu chuẩn Việt Nam.
Kể từ năm 1990, hệ thống tiêu chuẩn Eurocodes đã được áp dụng tại các nước thành viên nhằm thu thập ý kiến về những khó khăn trong quá trình sử dụng.
2015 hệ thống này sẽ được hoàn chỉnh và bắt đầu chính thức bắt buộc áp dụng Trong quá trình áp dụng CEN đã đưa ra nguyên tắc chuyển đổi [1, 2]:
- Nguyên tắc chung của hệ thống tiêu chuẩn được chấp nhận và chuyển dịch nguyên văn toàn bộ nội dung;
- Các thông số chính của hệ thống tiêu chuẩn được nghiên cứu lựa chọn phù hợp với điều kiện từng nước và đưa vào các Phụ lục Quốc gia;
- Số hiệu tiêu chuẩn Eurocode được giữ nguyên và bổ sung mã hiệu Quốc gia của các nước thành viên lên trước ví dụ như BS EN 1990; NF EN 1991
1.2.3 Định hướng áp dụng tiêu chuẩn Châu Âu tại Việt Nam
Cuối năm 2010, ông Nguyễn Trung Hòa, Vụ trưởng Vụ Khoa học Công nghệ Môi trường, dẫn đầu đoàn đại biểu Bộ Xây dựng thăm Viện Tiêu chuẩn Anh, nơi đoàn được giới thiệu về hệ thống tiêu chuẩn Eurocodes và định hướng phát triển của nó tại Châu Âu.
- Nội dung cơ bản của hệ thống tiêu chuẩn Eurocodes;
- Nguyên tắc chuyển đổi, áp dụng hệ thống tiêu chuẩn Eurocodes tại các nước thành viên;
- Định hướng phát triển của hệ thống tiêu chuẩn Eurocodes
Hệ thống tiêu chuẩn Eurocodes được áp dụng sẽ mang lại những ưu thế sau đây:
Để đảm bảo độ bền, ổn định, khả năng chịu lửa và tuổi thọ của công trình, cần thiết lập các tiêu chí và phương pháp thiết kế chung phù hợp.
(2) Đưa ra cách hiểu thống nhất về thiết kế giữa chủ đầu tư, người thiết kế, nhà thầu, nhà quản lý ;
(6) tăng cường sự hợp tác chặt chẽ giữa các tổ hức, cá nhân trong và ngoài nước trong hoạt động xây dựng
Quyết định số 198/QĐ-TTg ngày 09/02/2018 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Đề án hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn và quy chuẩn kỹ thuật xây dựng tại Việt Nam, với mục tiêu tổng quát là nâng cao chất lượng và tính đồng bộ của các tiêu chuẩn, quy chuẩn này.
+ Đồng bộ, đầy đủ, đáp ứng yêu cầu quản lý nhà nước và các hoạt động trong xây dựng;
+ Đảm bảo an toàn trong xây dựng; chống thất thoát lãng phí;
+ Khuyến khích áp dụng các công nghệ tiên tiến, nâng cao năng suất lao động;
+ Hướng tới các tiêu chí xanh, tiết kiệm tài nguyên, năng lượng;
+ Bảo vệ môi trường, phát triển bền vững, bảo vệ an ninh quốc gia
Tình hình áp dụng kết cấu bê tông lắp ghép tại Việt Nam
Công nghệ xây dựng từ các cấu kiện tấm lớn lắp ghép đã được nghiên cứu và áp dụng tại Việt Nam từ cuối thập niên 1960, phát triển mạnh mẽ trong thập niên 70 Ban đầu, hệ kết cấu này sử dụng khung dầm gác các tấm sàn đúc sẵn, sau đó đã hình thành nhiều khu chung cư lớn như Giảng Võ, Thành Công, Kim Liên, Thanh Xuân, Nghĩa Đô tại Hà Nội, cùng với một số khu nhà ở tại TP Hải Phòng, Việt Trì, Thanh Hóa, Nghệ An.
Giai đoạn 1970 – 1980 chứng kiến sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ xây dựng lắp ghép, nhưng cũng bộc lộ nhiều vấn đề nghiêm trọng Việc áp dụng công nghệ này diễn ra ào ạt theo kiểu “phong trào”, trong khi kiểm soát chất lượng xây dựng bị lỏng lẻo Công tác bảo trì gần như không được thực hiện, dẫn đến tình trạng xuống cấp nghiêm trọng của hầu hết các khu nhà lắp ghép, mặc dù mới chỉ qua một phần tư tuổi thọ mong muốn, tạo nên hình ảnh “xấu xí” trong mắt cư dân.
Kết cấu bê tông lắp ghép đã được sử dụng tại Việt Nam từ những năm 60-70, đặc biệt trong các công trình nhà chung cư Sự phổ biến của bê tông lắp ghép đã dẫn đến sự ra đời của nhiều công ty sản xuất cấu kiện lắp ghép như Công ty bê tông Xuân Mai, Công ty Bảo Quân, và Công ty Amacao, chứng minh cho sự hữu ích và phát triển của công nghệ này Mặc dù đã tồn tại lâu dài, Việt Nam vẫn chưa có tiêu chuẩn thiết kế cho bê tông lắp ghép, do đó, việc nghiên cứu các tiêu chuẩn từ các nước tiên tiến như Châu Âu và Vương quốc Anh là rất cần thiết.
Bê tông lắp ghép đúc sẵn, đặc biệt là dầm bê tông lắp ghép, không phải là vật liệu xây dựng mới, mà đã được nghiên cứu từ lâu trên thế giới Cấu kiện bê tông đúc sẵn giúp giải quyết vấn đề thời gian xây dựng và giảm tải trọng cho hệ khung dầm trong các tòa nhà cao tầng.
Sự ưu việt của công nghệ xây dựng lắp ghép cần được khai thác trong chương trình phát triển nhà ở cho nhân dân Để phát triển loại nhà này, cần đầu tư nghiên cứu khoa học nghiêm túc về các vấn đề liên quan Đặc biệt, để đa dạng hóa công nghệ lắp ghép tấm lớn, cần tìm ra giải pháp cho tiêu chuẩn tính toán, kiến trúc, kết cấu, mối nối, công nghệ thi công, và hệ thống trang thiết bị kỹ thuật Nghiên cứu các tiêu chuẩn từ các nước tiên tiến như Châu Âu và Vương quốc Anh là rất cần thiết để đảm bảo tính hiệu quả và bền vững của công trình.
Nếu đáp ứng đầy đủ các điều kiện cần thiết, sản phẩm này sẽ có tiềm năng phát triển mạnh mẽ Sự hợp tác giữa nhà đầu tư, nhà sản xuất và nhà khoa học là yếu tố then chốt cho sự tiến bộ của công nghệ này trong tương lai.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ KẾT CẤU DẦM BTCT LẮP GHÉP
Lý thuyết tính toán dầm bê tông cốt thép lắp ghép
Xây dựng lắp ghép dựa trên các đặc tính của dầm đơn cơ bản, với các tiết diện cụ thể và mẫu gia cường chịu uốn, chịu cắt Các yêu cầu cần thiết sẽ được tính toán kỹ lưỡng.
1 Sức kháng mômen giới hạn
2 Sức kháng cắt giới hạn
5 Độ cứng uốn (= giới hạn biến dạng)
Số lượng thanh thép được cắt dựa trên phân bố mô men và lực cắt thiết kế Hình 2.1a&b minh họa các mẫu gia cường điển hình cho dầm chữ L, loại dầm này sẽ được sử dụng để mô tả quy trình thiết kế trong các phần tiếp theo.
Hình 2.1 (a) Chi tiết thép gia cường cho dầm lắp ghép chữ L; (b) Chi tiết mặt cắt thực của dầm biên (Courtesy of Creagh Concrete, Bắc Irelad)
2.1.1 Sức kháng mômen giới hạn
Dầm này được thiết kế để sử dụng với nhiều loại cấu kiện sàn, bao gồm sàn lõi rỗng, sàn chữ I và sàn bằng ván Trong quá trình tính toán, thép thanh ở đỉnh của đế dầm được bỏ qua Nếu giả thiết chiều cao tới trục trung hòa (NA) là X > hs, thì
Kiểm tra điều kiện của X là X < 0.6d cho các mặt cắt tiết diện gia cường đơn lẻ Giới hạn 0.6d không được nêu rõ trong EN 1992-1-1 và thường bị nhầm lẫn với giá trị 0.45d cho tiết diện không bị giới hạn góc xoay.
Theo mục [5.5(4) EN 1992-1-1], nếu mức độ tái phân bố mô men = và xu = chiều cao trục trung hòa tại trạng thái giới hạn sau khi tái phân bố, thì
Theo phụ lục quốc gia (NAD), hệ số k1 được xác định là 0.4, trong khi k2 được tính bằng công thức k2 = (0.6 + 0.0014/εcu²) = 1.0 Hệ số tái phân bố môn men d có giá trị bằng 1, do đó xu/d ≤ 0.6 Đối với bê tông có fck > 50 đến 90 N/mm², hạng mục 0.8X sẽ được thay thế bằng [0.8 - (fck - 50)/400]X.
Quay lại với phân tích tiết diện:
Nếu Fc1 < Fs thì X < hs, tiết diện là chữ nhật là z = min {d-0.4X;0.5d} (2.7)
Giới hạn 0.95d không được quy định trong các tiêu chuẩn Châu Âu, nhưng được áp dụng trong [BS 8110] nhằm đảm bảo chiều cao vùng nén không vượt quá giá trị cho phép.
(d – 0.95d)/0.5 = 0.1d – kích thước thô của hạt cốt liệu lớn
Nếu X > 0.6d, thì dầm phải được gia cường gấp đôi, hoặc giá trị As giảm tới mức gia cường đơn
Việc thêm thép vùng nén A's ở đỉnh dầm thường không thực tiễn do giới hạn khoảng cách giữa các thanh thép Thay vào đó, nên gia tăng sức kháng vùng nén của bê tông bằng cách đổ bê tông tại chỗ ở cuối các tấm sàn, dẫn đến loại dầm thứ II.
Dầm này chỉ thích hợp với các loại sàn cho phép liên kết toàn khối tại chỗ, như sàn lõi rỗng và sàn bằng ván, không phù hợp với sàn chữ I Để tối ưu hóa kinh tế và đạt được mômen MR lớn nhất, cường độ bê tông tại chỗ cần tương tự như cường độ bê tông của dầm, có thể nhỏ hơn, ví dụ fck = 30 N/mm² Bề rộng hiệu dụng beff của vùng nén được tính bằng bề rộng dầm trừ chiều dài đỡ sàn, thường lấy là 75 mm nhưng có thể lớn hơn Việc tính toán đã được trình bày trong công thức 5.5, trong đó bw được thay thế bởi beff và fck là cường độ bê tông tại chỗ fcki, không phải của dầm lắp ghép.
2.1.2 Tính As và A’s từ mô men thiết kế MEd Đây là việc tính toán ngược lại với các phần trước và đôi khi được sử dụng cho thiết
X=(d-z)/0.4 (2.17) Nếu 0.8X0.206, z sẽ được giới hạn tới giá trị (1-0.4x0.6)d=0.76d
Thép ở vùng nén A ’ s được công thêm vào khả năng chịu mô men của tiết diện, và tiết diện được đặt cốt kép:
2.1.3 Sức kháng cắt giới hạn
Thiết kế cắt theo quy trình chuẩn hóa cho tiết diện bê tông cốt thép xác định sức kháng cắt tới hạn bằng tổng sức kháng bê tông và khả năng tới hạn của các cốt đai chịu cắt Phương pháp độ nghiêng thanh chống thay đổi (VSI) trong [EN 1992-1-1] kết hợp ba biến số trong một hàm đơn, khác với [BS 8110] khi mặt cắt nghiên được lấy bằng E o đối với phương nằm ngang Sự ảnh hưởng của bê tông và bề rộng thân dầm tới mối quan hệ giữa ứng suất uốn và cắt làm cho vết nứt do cắt bị nghiên [EN 1992-1-1] cho phép lấy từ 22.5 o đến 45 o, hoặc cot từ 1.0 đến 2.5, như thể hiện trong mô hình dàn Hình 6.5 Giả thiết cách tay đòn giữa phần đỉnh và đáy dàn là z=0.9d là hợp lý khi mô men uốn nhỏ, nhưng không đúng khi cả mô men và lực cắt đều lớn trong dầm côn sơn.
Trong dầm chữ L, bề rộng hữu dụng của thân dầm bv trong tính toán chịu cắt phụ thuộc vào vị trí của trục trung hòa Nếu trục trung hòa nằm ở phía trên, thì bv bằng bề rộng phần phía trên của dầm Ngược lại, nếu trục trung hòa nằm ở phần đế, tiết diện tới hạn có thể nằm ở cả phía trên và phần đế, do đó cả hai trường hợp này cần được xem xét trong tính toán.
Hình 2.3 Thép (đai) chịu cắt giữa dầm chữ L và bản sàn
Bề rộng phía trên bv được sử dụng trong các tính toán chịu cắt, trong khi b được áp dụng cho tham số tương tự trong tính toán chịu uốn, chỉ quan tâm đến giá trị lớn nhất Do VEd và I là hằng số, chúng ta cần xác định giá trị lớn nhất của S/b.
Tại vị trí đỉnh của phần đế dầm,
Hình 2.4 Ứng suất cắt trên tiết diện dầm chữ L: (a) khi X < hf; (b) khi X > hf; (c) khi
X > hf nhưng ứng suất cắt lớn nhất nằm ở chân của phần phía trên của dầm
Tại vị trí trục trung hòa,
Khi lấy X=0.6d là giới hạn, thì công thức 2.21 sẽ viết lại cho vị trí trục trung hòa là s 0.18 2 (1 b v ) s (0.6 0.5 ) s d h d h b = − − b − (2.24)
Bảng 2.1 Giá trị của s bd / 2 tại phía trên của chân dầm
Bảng 2.2 Giá trị của s bd / 2 tại trục trung hòa v / b b h s / d = 0.1 h d s / = 0.2 h s / d = 0.3 h d s / = 0.4 h s / d = 0.5 h d s / = 0.6
Với các giá trị của bw, b, hs và d, ta có thể tính giá trị lớn nhất của S/b Công thức 2.22 và 2.24 có thể được đơn giản hóa bằng cách xem xét tỷ số hs/d và bv/b Các giá trị tới hạn được in đậm trong bảng tính giúp xác định vị trí tiết diện cắt tới hạn cần xem xét Nhìn chung, tiết diện cắt tới hạn nghiêm trọng như thanh cốt thép chính neo ở gối và một số tấm sàn sẽ không có cốt thép gia cường chịu cắt Tuy nhiên, các tiết diện này cần được kiểm tra VRd,c.
Cốt thép Asl được xác định tại vị trí vượt quá chiều dài liên kết lbd cộng với chiều d của tiết diện đang xem xét Nếu cốt thép vượt quá chiều dài liên kết lbd ra ngoài mặt phẳng gối đỡ, thì lực cắt sẽ được tính từ mặt phẳng gối đỡ đến chiều d.
6.2.2.(1) V Rd c , =0.12 (k f ck 100A sl /bd) 1/3 bd (2.25) Nhưng V Rd c , min0.035k 3/2 f bd ck (2.26)
Nếu VEd > VRd,c, cốt thép gia cường chịu cắt cần được bố trí đúng vị trí trong tiết diện Các cốt đai chịu cắt sẽ được đặt ở phần trên của dầm và cũng cần có ở phần đế để chịu lực gối đỡ biên Cốt đai chịu cắt sẽ được cung cấp ở phần trên hoặc phần đế dầm tùy thuộc vào vị trí bề rộng hiệu dụng Thiết kế cốt đai chịu cắt cũng phải tính đến yêu cầu chịu xoắn của phản lực gối đỡ biên.
Lý thuyết tính toán dầm bê tông cốt thép bán lắp ghép
Dầm bê tông cốt thép lắp ghép có thể kết hợp với các loại tấm sàn như cấu kiện sàn lõi rỗng và sàn tấm ván thông qua cơ chế cắt bề mặt ghép nối và bê tông cốt thép đổ tại chỗ Các thép đai nhô ra ở phần phía trên của dầm được thiết kế theo quy định EN 1992-1-1, với chiều dài móc vào trong phải ≥5, giúp giữ cốt thép đúng vị trí và cung cấp khả năng chịu mô men âm Cốt đai dạng đóng được neo vào trong dầm lắp ghép và được bố trí trong các lồng trước khi dựng lắp Thông thường, chỉ các dầm phía trong được thiết kế kết hợp bán lắp ghép, trong khi các dầm biên hiếm khi được tăng cường theo kiểu này.
Cường độ bê tông toàn khối đổ tại chỗ liên kết là 20 hoặc 35 N/mm² Việc sử dụng dầm bán lắp ghép mang lại lợi ích chính là tăng cường độ kháng uốn và độ cứng, giúp giảm độ võng Tuy nhiên, cần xem xét đến việc gia tăng chi phí và trách nhiệm thiết kế, đặc biệt khi các bản sàn được thiết kế bởi các đơn vị khác nhau Do đó, dầm bê tông cốt thép bán lắp ghép ít được sử dụng hơn so với dầm bán lắp ghép ứng suất trước, vốn có nhiều lợi ích hơn.
Hình 2.7 Cốt thép chịu uốn và cắt trong mặt cắt chữ nhật căng ứng suất trước
Hình 2.8 Dầm bán lắp ghép với khả năng chịu mô men âm dọc theo ống ngoài cột
Hình 2.9 Cốt thép chịu cắt bề mặt tiếp xúc trong dầm bán lắp ghép:
Chốt đơn và lỗ rãnh trong cấu kiện sàn lõi rỗng (HCU) đóng vai trò quan trọng trong việc gia tăng độ bền và ổn định của kết cấu Móc đai được sử dụng trong các lỗ rãnh trên mặt vát của HCU giúp cải thiện khả năng chịu lực Ngoài ra, móc đai ở phần đỉnh của nửa trên của sàn cũng góp phần quan trọng trong việc phân bổ tải trọng và tăng cường tính toàn vẹn của cấu trúc.
Cần gia cường cốt thép cho bê tông đổ tại chỗ đạt cường độ thiết kế 0.567fcki Trong các cấu kiện lõi rỗng, các rãnh trên đỉnh được di chuyển 500 mm để đặt thanh thép buộc, thường có đường kính 10 hoặc 12 mm và cường độ fyk = 500 N/mm² Các thanh thép này có thể là thép lỏng hoặc thép uốn nhô ra từ dầm Chúng có vai trò quan trọng trong việc tạo ra sàn cứng và ổn định thép buộc, với diện tích thép chiếm 0.2% diện tích ngang được coi là an toàn Ví dụ, thép H2 với khoảng cách 300 mm cho sàn dày 200 mm Các nhà sản xuất tấm sàn cần được tư vấn về tính khả thi thi công, vì các cấu kiện mở có thể không ổn định.
Cuối các cấu kiện lõi rỗng có thể được cắt vát với độ phần cuối là nghiêp để tạo chỗ cho bê tông tại chỗ đổ vào, thường có kích thước 250 mm chiều dài x 80 đến 120 mm chiều cao Nhà sản xuất sẽ cung cấp chi tiết chính xác cho kích thước này Không phải tất cả các lõi rỗng sẽ được để mở dạng rãnh, và các kết quả thí nghiệm cho thấy cấu kiện mở tại 300 mm tâm là đủ.
Hình 2.10 Làm dốc phần cuối các cấu kiện lõi rỗng để tạo chỗ đổ bê tông toàn khối quanh các mối nối chịu cắt cho dầm
Sự tương tác hoàn toàn giữa bê tông toàn khối tại vị trí dầm liên kết và cấu kiện sàn lõi rỗng được giả định trong thiết kế Chiều cao của tấm sàn được tính vào thiết kế dầm, trong khi bề rộng ảnh hưởng của cánh được xác định dựa trên chiều dài thực tế của phần cấu kiện sau khi đổ bê tông tại chỗ Đối với cốt thép thanh, chiều dài thép ngang được sử dụng có đường kính 40.4 mm và cường độ fyd = 435 N/mm².
Trong thiết kế sàn dạng ván, thép buộc ngang tự động xuất hiện ở phần đỉnh với tỷ lệ tối thiểu 0.2% Vị trí của thép ngang được xác định chính xác hơn trong sàn lõi rỗng, với lớp bê tông bảo vệ khoảng 50 mm Tương tác giữa sàn đúc sẵn và bê tông tại chỗ được giả định là hoàn toàn Chiều cao toàn bộ của sàn và bề rộng cánh hiệu dụng được tính bằng 1/10 nhịp dầm đơn giản, Lz, trong thiết kế.
Các dầm bán lắp ghép không được thiết kế để chịu lực cắt theo phương đứng, vì cốt thép chỉ được thiết kế cho mặt cắt không kết hợp dạng bán lắp ghép Tuy nhiên, việc tính toán lực cắt do tải trọng đặt vào cần tuân theo mục 4.4.4, trừ khi các thanh thép được đặt ngang giữa phần trên và tấm sàn Trong giai đoạn nén uốn, sức kháng do lực cố kết và ma sát được xem là không ảnh hưởng Sức kháng cắt toàn bộ được đảm bảo bởi các thanh thép, với diện tích chịu cắt là \( \frac{VE_{di}}{0.87f_{yk}} \) Để đạt được giá trị hợp lý cho hệ số ma sát \( \mu \), bề mặt tiếp xúc của dầm cần được làm xù xì hoặc cung cấp các liên kết chịu cắt theo chỉ dẫn của BS EN 1992-1-1 Trong trường hợp này, \( \mu \) có thể được lấy là 0.9, mặc dù bề rộng tiếp xúc thường nhỏ.
Trong dầm có bề rộng 300 mm, ứng suất cắt bề mặt lớn được tạo ra khi chiều cao dầm là 150 mm Để gia cường bề mặt, việc sử dụng các vòng đai hoặc chốt luôn được thực hiện, bất kể giá trị của νEdi, như minh họa trong Hình 2.6 đến 2.8.
2.2.1 Thiết kế uốn cho dầm bê tông cốt thép bán lắp ghép
Thiết kế chịu uốn được thực hiện qua hai giai đoạn, với các ảnh hưởng tổng hợp được thêm vào một cách đàn hồi, mặc dù thiết kế trạng thái giới hạn là dẻo Trong giai đoạn 1, trọng lượng của dầm, cấu kiện sàn và bê tông đổ tại chỗ tại vị trí đỉnh được hỗ trợ bởi mỗi dầm lắp ghép, với diện tích thép yêu cầu là As1 Giai đoạn 2 bắt đầu khi bê tông đổ tại chỗ đạt đủ cường độ, lúc này tĩnh tải được đặt vào, bao gồm tải vận hành, vách ngăn và trần.
Tổng diện tích thép được tính bằng công thức \$A_s = A_{s1} + A_{s2}\$, trong đó \$A_{s2}\$ là diện tích thép do các hoạt tải được mang bởi dầm bán lắp ghép Xem Hình 2.10 để biết thêm chi tiết.
Một thách thức chính trong phương pháp này là phần bê tông ở đoạn 2 Để giải quyết triệt để vấn đề, cần tính đến biến dạng theo thời gian của dầm và xác định ứng suất tương ứng Trong trường hợp này, phương pháp lý tưởng hóa ‘khối ứng suất chữ nhật’ không phù hợp Tuy nhiên, trong hầu hết các trường hợp, chiều cao vùng ứng suất nén ở giai đoạn 2, như thể hiện trong Hình 2.10a, thường nhỏ hơn chiều cao của sàn.
Theo Hình 2.10a, MEd1 là mô men thiết kế giới hạn do trọng lượng của dầm và sàn trước khi bê tông được đổ tại chỗ và đông cứng Nếu cường độ của bê tông lắp ghép là fck, thì các yếu tố này cần được xem xét kỹ lưỡng trong quá trình thiết kế.
Chiều cao trục trung hòa X1 và cánh tay đòn z1 được xác định theo tiêu chuẩn EN 1992-1-1 bằng phương pháp khối ứng suất chữ nhật Cần kiểm tra điều kiện X1 ≤ 0.6d1 và z1 ≤ 0.95d1 Diện tích cốt thép cho giai đoạn 1 sẽ được tính toán dựa trên các thông số này.
Trong đó, \$d_2 = d_1 + h_s\$ và \$b_2\$ là bề rộng của phần bê tông đổ tại chỗ, không bao gồm bề rộng của dầm ở giai đoạn 1 Cánh tay đòn \$z_2\$ và chiều cao trục trung hòa \$X_2\$ được xác định theo các tiêu chuẩn kỹ thuật.
EN 1992-1-1 theo phương pháp khối ứng suất chữ nhật Kiểm tra X2 < hs < 0.6d2 và z2
≤ 0.95d2 Diện tích thép ở giai đoạn 2 được xác định như sau:
A s 2 =M Ed 2 /z 2 0.87f yk (2.57) Sau đó tổng diện tích thép yêu cầu là As = As1 + As2
