CHUYÊN đề kết cấu THÉP bê TÔNG LIÊN hợp

kết hợp với cốt thép tròn thông th ờng..., có thể nằm ngoài KCT nhồi bêtông hay nằm trong bêtông KCT bọc bêtông , nên tính chất làm việc, sự t ơng tác giữa bêtông và thép không giống

chuyên đề

kết cấu liên hợp thép - bêtông

Ts Phạm Minh Hà

Bộ môn Kết cấu Thép - Gỗ Khoa Xây dựng - ĐH Kiến trúc Hà Nội

1 Giíi thiÖu chung vÒ kc liªn hîp

April 17, 2024

1.1 Lịch sử phát triển của kCLH

 Sự phát triển của KCLH gắn liền với lịch sử phát triển của KC BTCT vì thực chất KCLH là một dạng đặc biệt của KC BTCT.

 Do tính chất cấu tạo của “cốt thép” khác so với KC khác so với KC BTCT thông th ờng ở chỗ nó có thể là thép hình, thép tấm, thép ống kết hợp với cốt thép tròn thông th ờng , có thể nằm ngoài ( KCT nhồi bêtông ) hay nằm trong bêtông ( KCT bọc bêtông ), nên tính chất làm việc, sự t ơng tác giữa bêtông và thép không giống nh BTCT thông th ờng, do đó việc thiết kế loại KC này mang tính chất hoàn toàn khác.

H×nh 1.1 Mét sè d¹ng tiÕt diÖn KC liªn hîp

a,b - KÕt cÊu thÐp bäc bªt«ng d,e - KÕt cÊu thÐp nhåi bªt«ng

c - KÕt cÊu sµn liªn hîp

April 17, 2024

ViÖc ¸p dông KCLH xuÊt ph¸t tõ 2 ý t ëng sau:

1. Thay thÕ cèt thÐp trßn víi hµm l

îng qu¸ lín b»ng c¸c d¹ng cèt thÐp kh¸c gäi lµ cèt cøng

2. Bäc KCT chÞu lùc b»ng bªt«ng b¶o

vÖ nh»m t¨ng kh¶ n¨ng chèng gØ vµ

kh¶ n¨ng chÞu löa cña KCT

April 17, 2024

Châu Âu:

 Việc sử dụng KCLH lúc đầu cũng xuất phát từ mục đích dùng bêtông bọc KCT để tăng khả năng chống ăn mòn và chịu lửa cho KCT

 Năm 1900 ở Anh đã xuất hiện KCLH (chủ yếu là trong XD cầu) Tuy nhiên khi đó ng

ời ta chỉ coi phần thép là chịu lực trong các

KC này, còn phần bêtông chỉ mang tính chất bảo vệ chống ăn mòn cho KCT.

NhËt B¶n:

cao tÇng (trªn 6 tÇng)

dïng réng r·i trong x©y dùng nhµ cao tÇng (trªn 20 tÇng)

chuÈn thiÕt kÕ KCLH (SRC Standard).

April 17, 2024

Việt Nam:

 Năm 1900 , KCLH đ ợc áp dụng lần đầu tiên trong công trình Phủ Thống sứ Pháp (nay là Bộ LĐTBXH) với KC sàn BTCT và bêtông gạch vỡ đặt trên các dầm thép I định hình.

 Về lý thuyết tính toán, hiện chúng ta cũng đã có một

số nghiên cứu về KCLH của các tác giả nh Lê Đình Tâm, Nguyễn Trâm, Ngô Thế Phong, Phạm Văn Hội

 2004-2006 , Viện Kỹ thuật Xây dựng (Sở Xây dựng

Hà Nội) đã thực hiện đề tài nghiên cứu nhằm mục

đích đ a ra các chỉ dẫn thiết kế KCLH trong nhà cao tầng để áp dụng ở Việt Nam, trên cơ sở Tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 4

1.2 Ưu điểm của kết cấu liên hợp

Lớp bêtông bọc ngoài làm tăng khả năng chống gỉ cho phần KCT bên trong Điều này càng có ý nghĩa

đối với các công trình đ ợc XD ở những vùng khí hậu có độ ẩm cao (khí hậu nhiệt đới) hay ở miền biển, hoặc với các cấu kiện bị tiếp xúc với môi tr ờng ăn mòn mạnh.

Đối với cấu kiện đ ợc bọc bêtông, khả năng chịu lửa của thép đ ợc đảm bảo tốt hơn là với KCT nhồi bêtông.

April 17, 2024

Điều này thấy rõ đối với các cột liên hợp, kể cả loại

có bêtông bọc ngoài hay nhồi bên trong, đều giảm

đ ợc độ mảnh của cột thép, tăng ổn định cục bộ

cũng nh ổn định tổng thể của KCT.

KC BTCT

Đây là u điểm lớn trong việc chịu tải trọng động đất.

thi công

Tăng hiệu quả sử dụng vật liệu, nhất là vật liệu c ờng độ cao.

6. Có thể áp dụng ph ơng pháp thi công hiện

đại

Chẳng hạn thi công cốp pha tr ợt, thi công lắp ghép từ đó tăng đ ợc tốc độ thi công, giảm đ ợc thời gian xây lắp, sớm đ a công trình vào sử dụng.

So với KC BTCT thì l ợng thép dùng trong KCLH lớn hơn, nh ng tốc độ thi công nhanh, giảm đ ợc kích th

ớc tiết diện cấu kiện (tăng không gian sử dụng) nên vẫn đạt hiệu quả kinh tế.

April 17, 2024

1.3 tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp

Có nhiều tiêu chuẩn thiết kế KCLH, chẳng hạn

DIN1078 của Đức, SRC Standard của Nhật Bản,

Eurocode 4 của Châu Âu

Ch a có tiêu chuẩn thiết kế KCLH

Hiện đang dần đ a vào áp dụng bộ tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode nhờ tính đồng bộ và mức độ phổ biến trên thế giới của bộ tiêu chuẩn này

Bảng 1.1 Các đặc tr ng cơ học của

bêtông theo Eurocode 4

April 17, 2024

C20/25 ( 20 ) - c ờng độ đối với mẫu trụ (N/mm 2 ),

( 25 ) - c ờng độ đối với mẫu lập ph ơng;

f ck - c ờng độ chịu nén của mẫu trụ ở tuổi 28 ngày;

f ctm - c ờng độ chịu kéo trung bình ở tuổi 28 ngày;

f ctk.0,05 - c ờng độ chịu kéo của bêtông (lấy trị số giới hạn d ới);

E cm - môđun đàn hồi của bêtông ở tuổi 28 ngày,

lấy trị số trung bình (với cốt liệu đá thạch anh) (với cốt liệu đá vôi, đá sa thạch trị số trong bảng cần giảm đi 10%; với cốt liệu đá bazan cần giảm đi 30%).

C ờng độ chịu nén tính toán của bêtông:

c - hệ số kể đến đặc tính riêng của bêtông, phụ

thuộc vào tổ hợp tải trọng, lấy theo bảng 1.2 d ới

f f







April 17, 2024

C ờng độ chịu kéo tính toán của bêtông:

f ctk.0,05 - giá trị d ới của sức bền đặc tr ng khi kéo,

f f



 . 0 , 05



Bảng 1.2 Hệ số đặc tính riêng của bêtông

 Việc tính toán dẻo chỉ áp dụng với 2 mác S400 và S500

 Môđun đàn hồi của cốt thép E s = 210 kN/mm 2

L u ý: Có thể dùng các đặc tr ng cơ học của thép theo

TCVN trong tính toán KCLH theo Eurocode.

1.4.3 Thép cán

Theo Eurocode, trong KCLH dùng thép cán là thép cácbon thấp mác S235, S275, S355

L u ý:

 ý nghĩa của ký hiệu nh đối với cốt thép ở trên

 Các trị số tiêu chuẩn của giới hạn chảy f y và sức bền kéo

đứt f u của từng mác có trong bảng tra của TC.

 Riêng với tôn định hình cần dùng các loại thép tôn có giới hạn đàn hồi 220-350 N/mm 2

April 17, 2024

2 ThiÕt kÕ sµn liªn hîp

Néi dung

2.1 CÊu t¹o 2.2 Sù lµm viÖc 2.3 TÝnh to¸n sµn liªn hîp

April 17, 2024

2.1 Cấu tạo sàn liên hợp

Sàn liên hợp đ ợc cấu tạo từ các bộ phận sau: (hình 2.1):

 Bản BTCT (đổ tại chỗ)

 Tấm tôn thép định hình (dập nguội)

 Cốt thép (âm)

H×nh 2.1 CÊu t¹o sµn liªn hîp

April 17, 2024

April 17, 2024

T¸c dông cña t«n thÐp

 Lµm sµn c«ng t¸c khi thi c«ng

 Lµm cèppha cho v÷a bª t«ng

 §ãng vai trß cèt thÐp líp d íi chÞu kÐo cña b¶n sµn

0,75-1 mm) Chiều cao tiết diện tôn h p = 40-80

mm Giới hạn đàn hồi của thép tôn ~ 300 N/mm 2

4 Tổng bề dày của sàn h >= 80 mm Bề dày phần bêtông phía trên s ờn tôn h c >= 40 mm (để tránh sự phá hoại giòn và đảm bảo lớp bảo vệ cho cốt thép) Nếu sàn làm việc liên hợp với dầm hoặc đ ợc sử dụng nh vách cứng thì h >= 90 mm , h c >= 50

mm.

5 Kích th ớc của cốt liệu trong bêtông không đ ợc v ợt quá giá trị nhỏ nhất trong các giá trị sau:

0,4 h c , b 0 / 3 , 31,5 mm

tôn (là bề rộng nhỏ nhất nếu tấm tôn có s ờn đóng).

6 Bề rộng gối tựa của sàn liên hợp >= 75 mm - với gối tựa thép, BTCT; >= 100 mm - với gối tựa gạch đá.

April 17, 2024

2.2 Sự làm việc của sàn liên hợp

Khi chịu tải, tấm sàn bị biến dạng uốn và phát sinh lực tr ợt tại bề mặt tiếp xúc giữa thép và bêtông

 Nếu liên kết giữa phần bêtông và thép đảm bảo cho biến dạng tr ợt giữa thép và bêtông ở mặt tiếp xúc bằng nhau thì gọi là liên kết hoàn toàn

giữa bêtông và thép

 Nếu tồn tại sự tr ợt t ơng đối giữa thép và bêtông tại mặt tiếp xúc thì gọi là liên kết không hoàn toàn

Có 3 kiểu t ơng tác tại liên kết

giữa bêtông và thép

1 T ơng tác hoàn toàn. Không có sự tr ợt tổng thể ở bề mặt liên kết Sự truyền lực cắt dọc là hoàn toàn và tải trọng cực hạn là lớn nhất Hiệu ứng liên hợp là hoàn toàn Sự phá hoại

có thể là giòn nếu xảy ra đột ngột hoặc là dẻo nếu xảy ra từ

từ

2 Không có sự t ơng tác. Tr ợt tổng thể ở bề mặt liên kết không bị ngăn cản và không có sự truyền lực cắt dọc Tải trọng cực hạn là nhỏ nhất và hiệu ứng liên hợp rất yếu Sự phá hoại xảy ra từ từ.

3 T ơng tác không hoàn toàn. Có sự tr ợt tổng thể ở bề mặt tiếp xúc nh ng có giới hạn Lực cắt dọc đ ợc truyền không hoàn toàn Tải trọng cực hạn có giá trị trung gian Sự phá hoại có thể là dẻo.

April 17, 2024

Cã 3 d¹ng liªn kÕt gi÷a thÐp vµ bªt«ng

lo¹i t«n.

tr ît côc bé nhá x¶y ra .

xuÊt hiÖn sù tr ît côc bé vµ phô thuéc vµo h×nh d¹ng bÒ mÆt liªn kÕt.

Cã 2 d¹ng tr ît ë bÒ mÆt tiÕp xóc

gi÷a thÐp víi bªt«ng

m¾t th êng, nh ng lµm ph©n bè l¹i néi lùc liªn kÕt.

cã thÓ quan s¸t thÊy, phô thuéc vµo lo¹i liªn kÕt gi÷a thÐp vµ bªt«ng.

April 17, 2024

Để hạn chế sự tr ợt giữa 2 loại vật liệu, cần bảo

đảm liên kết giữa thép và bêtông bằng 1 hoặc nhiều biện pháp kết hợp sau ( hình 2.3):

 Tạo biến dạng tr ớc cho tấm tôn (gờ nổi hoặc gờ chìm) - Hình 2.3.a;

 Tôn có s ờn đóng tăng ma sát - Hình 2.3.b;

 Neo ở đầu sàn bằng chốt hàn hoặc loại liên kết cục bộ khác - Hình 2.3.c;

 Neo ở đầu sàn bằng cách làm biến dạng các s

ờn ở 2 đầu tấm tôn - Hình 2.3.d

H×nh 2.3.a T¹o biÕn d¹ng tr íc cho tÊm t«n

(b»ng gê næi hoÆc gê ch×m)

April 17, 2024

Hình 2.3.b Tôn có s ờn đóng

H×nh 2.3.c Neo ®Çu sµn b»ng

chèt hµn vµ thÐp gãc

April 17, 2024

H×nh 2.3.d Neo ë ®Çu sµn b»ng c¸ch lµm

biÕn d¹ng c¸c s ên ë 2 ®Çu tÊm t«n

Có 3 dạng phá hoại sàn liên hợp

(hình 2.4)

sàn có nhịp lớn ;

thép-bêtông, xảy ra khi liên kết giữa bêtông và thép đạt tới khả năng chịu lực giới hạn ;

xảy ra với những sàn có nhịp nhỏ, bề dày lớn, chịu tải trọng sàn lớn.

I III

II

Hình 2.4 Dạng phá hoại sàn liên hợp

April 17, 2024

2.3 TÝnh to¸n sµn liªn hîp

Nội dung

2.3.1 Các giả thiết tính toán

2.3.2 Tải trọng

2.3.3 Các điều kiện kiểm tra

2.3.3.1 Kiểm tra dạng phá hoại I

(Khả năng chịu uốn) 2.3.3.2 Kiểm tra dạng phá hoại II (Khả năng chịu cắt theo ph ơng ngang) 2.3.3.2 Kiểm tra dạng phá hoại III

(Khả năng chịu cắt theo ph ơng đứng) 2.3.3.4 Kiểm tra độ võng của sàn liên hợp

April 17, 2024

2.3.1 Các giả thiết tính toán

 Sau khi uốn tiết diện vẫn phẳng, để có thể áp dụng các giả thiết của SBVL.

 Không có sự tr ợt giữa bêtông và thép, các chốt liên kết vẫn còn nguyên khả năng chịu lực khi CK bị phá hoại (sàn không bị phá hoại theo tiết diện II-II).

 Biến dạng do uốn trên 1 mặt cắt ngang tỷ lệ với khoảng cách đến trục trung hoà.

 ở TTGH chịu lực, toàn bộ diện tích tiết diện của phần thép đều đạt đến giới hạn chảy ứ ng suất trong phần bêtông ở vùng nén đạt đến c ờng độ tính toán.

 Bỏ qua khả năng chịu lực của phần bêtông chịu kéo.

2.3.2 T¶i träng

CÇn xÐt 2 giai ®o¹n chÞu t¶i:

a) Giai ®o¹n thi c«ng

b) Giai ®o¹n sö dông

b¶n sµn, phÇn diÖn tÝch cßn l¹i lÊy t¶i träng lµ

0,75 kN/m 2 NÕu diÖn tÝch b¶n sµn nhá h¬n 3x3m

3 Träng l îng cña VL xÕp t¹m trªn sµn (nÕu cã).

a) Để xác định mômen nhịp b) Để xác định mômen gối

Hình 2.5 Sơ đồ chất hoạt tải thi công

1,5 kN/m2 0,75 0,75 0,75 1,5 kN/m2 0,75

2.3.3 Tính toán

Cần kiểm tra các điều kiện:

(1) Kiểm tra khả năng chịu uốn (dạng phá hoại I)

(2) Kiểm tra khả năng chịu cắt theo ph ơng ngang

(Khả năng liên kết của tôn với bêtông) (dạng phá hoại II)

(3) Kiểm tra khả năng chịu cắt theo ph ơng đứng

(dạng phá hoại III)

(4) Kiểm tra võng

ra khi tôn bị chảy dẻo hoặc khi các thớ bêtông đạt đến giới hạn chịu nén d ới tác dụng của mômen uốn lớn nhất

 Để đơn giản hoá tính toán bỏ qua sự chịu lực của cốt thép lớp d ới (nếu có)

 Giả thiết rằng ở trạng thái giới hạn về chịu lực, ứng suất trong tôn và cốt thép đạt đến giới hạn đàn hồi, ứng suất trong bêtông đạt

đến giới hạn chịu nén.

April 17, 2024

XÐt 3 tr êng hîp sau:

(a) Tr êng hîp 1: Kh¶ n¨ng chÞu lùc cña tiÕt diÖn

trong vïng m«men d ¬ng (Trôc TH n»m trong phÇn bªt«ng phÝa trªn s ên t«n, ph¸ ho¹i theo kh¶ n¨ng chÞu lùc cña t«n)

(b) Tr êng hîp 2: Kh¶ n¨ng chÞu lùc cña tiÕt diÖn

trong vïng m«men d ¬ng (Trôc TH n»m trong s

ên t«n, ph¸ ho¹i theo kh¶ n¨ng chÞu lùc cña bªt«ng)

(c) Tr êng hîp 3: Kh¶ n¨ng chÞu lùc cña tiÕt diÖn

trong vïng chÞu m«men ©m.

(a) Tr ờng hợp 1

Khả năng chịu lực của tiết diện trong vùng mômen d ơng Trục trung hoà nằm trong phần bêtông phía trên s ờn tôn, phá hoại theo khả năng chịu lực của tôn

- Bỏ qua khả năng chịu kéo của bêtông

- Sơ đồ tính nh hình 2.6

April 17, 2024

Hình 2.6 Sơ đồ tính sàn ở nhịp

(Trục TH nằm trong phần bêtông)

§iÒu kiÖn c©n b»ng hîp lùc:

c yp

p

b f

f

A x





85 ,

0



) 2

( ]

ap

yp p

- Bỏ qua khả năng chịu nén của phần bêtông nằm trong sóng tôn

- Để đơn giản hoá tính toán, quy đổi hợp lực của phần tôn thép chịu nén thành mômen Mp, còn hợp lực của phần tôn thép chịu kéo là Np (hình 2.7b)

Hình 2.7 Sơ đồ tính sàn ở nhịp

(Trục TH nằm trong phần tôn)

April 17, 2024

Hợp lực của vùng bêtông chịu nén:

(2.7)

Trị số của mômen phụ thêm M p xác định từ quan hệ gần đúng với mômen dẻo M pa của toàn

bộ tiết diện tôn, xác định bằng thực nghiệm:

(2.8)

c

ck c

cf

f bh

N



85 ,

0



pa ap

yp p

cf pa

f A

N M

, 1

Kho¶ng c¸ch gi÷a N cf vµ N p x® theo c«ng thøc:

(2.9)

cf p

p

c

f A

N e

e e

h h

z



)

( 2

p cf

[

Hình 2.8 Sơ đồ tính sàn ở gối

(Trục TH nằm trong phần tôn)

f A

c

f b

x

N



85 ,

0



Từ điều kiện cân bằng hợp lực theo ph ơng ngang (Ns=Nc ), xác định đ ợc vị trí của trục trung hoà:

(2.13)

Biết x sẽ xác định đ ợc cánh tay đòn z và từ đó xác định đ ợc mômen gối giới hạn:

(2.14)

s c

ck

c sk

s

b f

f

A x





85 ,

0



z

f A

z N

M

s

sk s

April 17, 2024

2.3.3.2 KiÓm tra d¹ng ph¸ ho¹i II

(Kh¶ n¨ng chÞu c¾t theo ph ¬ng ngang)

tÝnh tõ gèi tùa (d¹ng ph¸ ho¹i II).

Điều kiện kiểm tra liên kết giữa thép và bêtông tại mặt tiếp xúc:

(2.15)

Trong đó:

V max - lực cắt ngang tiết diện sàn (th ờng lớn nhất

là tại gối tựa);

[V] LR - khả năng chịu cắt giới hạn của mặt cắt dọc

p p

LR

k bL

A m

bd V

sản xuất cung cấp theo catalô tôn;

L S - chiều dài của mặt cắt dọc, lấy bằng L/4 với tải

trọng phân bố đều trên nhịp; hoặc lấy bằng khoảng cách từ điểm đặt lực tập trung đến gối tựa gần nhất với tải trọng tập trung trên nhịp.

vs - hệ số an toàn, lấy bằng 1,25.

Nếu khả năng chịu cắt dọc của sàn không đủ thì có thể dùng các giải pháp nh bố trí neo

đầu nhịp sàn, làm biến dạng sóng tôn

2.3.3.2 Kiểm tra dạng phá hoại III

(Khả năng chịu cắt theo ph ơng đứng)

Tr ờng hợp sàn liên hợp có bề dày lớn, nhịp nhỏ, chịu tải trọng lớn thì sàn có thể bị phá hoại do lực cắt lớn ở vùng gối tựa, do bêtông

bị nứt nh đối với dầm BTCT thông th ờng Các vết nứt này th ờng nghiêng 1 góc so với mặt trung bình của sàn trong vùng chịu cắt.



1 )

6 , 1

k

b 0 - bề rộng trung bình của s ờn tôn (hình 2.2);

Rd - c ờng độ chịu cắt của bêtông,

A p - phần tiết diện của tôn thép có bề rộng b 0

c

ctk Rd

April 17, 2024

H×nh 2.9 C¸c d¹ng ph¸ ho¹i sµn liªn hîp

phô thuéc vµo nhÞp sµn

2.3.3.4 Kiểm tra độ võng của sàn liên hợp

Cần kiểm tra độ võng của sàn ở 2 giai đoạn:

 Giai đoạn thi công: Độ võng của sàn liên hợp đ ợc tính chịu trọng l ợng bản thân tôn và trọng l ợng của bê tông

ớt, nh ng không kể đến hoạt tải thi công

Độ võng giới hạn của sàn lấy trị số nhỏ hơn trong 2 trị số (L/180 ; 20 mm).

 Giai đoạn sử dụng: Độ võng giới hạn của sàn = L/250 khi tính với tất cả các loại tải trọng tác dụng; = L/300 khi tính với hoạt tải sử dụng và các biến dạng phụ thuộc vào thời gian (từ biến, co ngót, nhiệt độ, gió ); = L/300 trong

tr ờng hợp trên sàn có các cấu kiện dễ gãy hoặc nứt nh gạch lát, vách ngăn