chuyên đề kết cấu liên hợp thép bê tông

c Tăng độ cứng của kết cấu Điều này thấy rõ đối với các cột liên hợp, kể cả loại có bê tông bọc ngoài hay nhồi bên trong, đều giảm đ ợc độ mảnh của cột thép, tăng ổn định cục bộ cũng nh

Source: http://www.cfcsl.com/en/viaduct-arbizelai-guipuzcoa-spain/

2

§1 - Giíi thiÖu chung vÒ kÕt cÊu liªn hîp

§2 - ThiÕt kÕ Sµn liªn hîp

§3 - ThiÕt kÕ DÇm liªn hîp

5 Source: http://kienviet.net/2015/01/06/zaha-hadid-thiet-ke-tru-so-moi-cua-beeah-lay-cam-hung-tu-nhung-dun-cat

I Lịch sử phát triển của kết cấu liên hợp

• 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 BTCT ” 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 bê tông) hay nằm trong bê tông (KCT bọc bê tông), nên tính chất làm việc, sự t ơng tác giữa bê tông và thép không giống hoàn toàn nh BTCT thông th ờng

a,b - KÕt cÊu thÐp bäc bª t«ngd,e - KÕt cÊu thÐp nhåi bª t«ng

c - KÕt cÊu sµn liªn hîp

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

• Thay thÕ cèt thÐp trßn víi hµm l îng qu¸ lín b»ng c¸c d¹ng

cèt thÐp kh¸c gäi lµ cèt cøng

• Bäc KCT chÞu lùc b»ng bª t«ng b¶o vÖ nh»m t¨ng kh¶ n¨ng

chèng gØ vµ kh¶ n¨ng chÞu löa cña KCT

• Năm 1898, tại Pitsburgh (bang Pennsylvania) một cây cầu khác đ ợc XD với bản mặt cầu bằng bê tông đ ợc đỡ bởi hệ dầm thép

• Năm 1897, một toà nhà tại Pitsburgh có hệ dầm sàn bằng thép bọc bê tông bị hoả hoạn và ng ời ta nhận thấy các dầm không bị ảnh h ởng Từ đó ý t ởng chịu lửa đ ợc đặt ra cho loại

KC này

2 Châu Âu

• Việc sử dụng KCLH lúc đầu cũng xuất phát từ mục đích dùng

bê tông 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 bê tông chỉ mang tính chất bảo

vệ chống ăn mòn cho KCT

• 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

III Ưu điểm của kết cấu liên hợp

a) Tăng khả năng chống ăn mòn của thép

Lớp bê tông 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

b) Khả năng chịu lửa tốt

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

c) Tăng độ cứng của kết cấu

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

d) Khả năng biến dạng của KCLH lớn hơn KC BTCT

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

e) Có thể tạo KC ứng lực tr ớc trong giai đoạn thi công

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

f) 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

IV Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp

• Thế giới

Có nhiều tiêu chuẩn thiết kế KCLH, chẳng hạn DIN1078 của

Đức, SRC Standard của Nhật Bản, Eurocode 4 của Châu

Âu

• Việt Nam

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

Bé tiªu chuÈn Eurocode bao gåm c¸c phÇn

V Vật liệu theo Eurocode 4

1 Bê tông

Các đặc tr ng cơ học của bê tông theo Eurocode 4

Trong KCLH dùng bê tông thông th ờng nh trong KC BTCT,

mác bê tông th ờng dùng là C20/25 - C50/60

C20/25(20) - C ờng độ đối với mẫu trụ (N/mm2)

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

fcm Cường độ chịu nén trung bình của bê tông ở tuổi 28 ngàyng độ chịu nén trung bình của bê tông ở tuổi 28 ngày ch u nén trung bình của bê tông ở tuổi 28 ngàyịu nén trung bình của bê tông ở tuổi 28 ngày

f ck C ờng độ chịu nén đặc tr ng 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 đặc tr ng của bê tông (lấy trị số giới hạn

d ới)

E cm Môđun đàn hồi của bê tông 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%)

a) C ờng độ chịu nén tính toán của bê tông

c - Hệ số kể đến đặc tính riêng của bê tông, phụ thuộc vào tổ hợp tải trọng, lấy theo bảng 1.2 d ới đây

cc - Hệ số chiết giảm c ờng độ do sự tác động lâu dài của tải trọng (tải trọng tác dụng lâu dài có thể làm c ờng độ giảm xuống so với tải trọng tác dụng ngắn hạn) hoặc các hiệu ứng bất lợi có thể xảy ra do cách tác động của tải trọng (có thể lấy bằng 1, th ờng lấy bằng cc = 0,85)

c

ck

cc cd

f f







b) C ờng độ chịu kéo tính toán của bê tông

fctk.0,05 - Giá trị d ới của sức bền đặc tr ng khi kéo, lấy theo bảng 1.1

ct - hệ số kể đến những tác động lâu dài đến sức bền kéo đứt

và các tác động bất lợi của tải trọng (có thể lấy bằng 1)

c

05 , 0 ctk

ct ctd

f f







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

 Môđun đàn hồi của cốt thép Es = 210 kN/mm2

L u ý: Có thể dùng các đặc tr ng cơ học của thép theo TCVN trong tính toán KCLH theo Eurocode

 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

4 Tôn định hình

Dùng các loại thép tôn có giới hạn đàn hồi 220-350 N/mm2

27

Néi dung

I CÊu t¹o

II Sù lµm viÖc III TÝnh to¸n sµn liªn hîp

2 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

Chèt neo

C¸n v÷a bª t«ng

Source: http://www.rewardwalls.com/wp-content/uploads/2011/02/plilot-project-Nov-27-041.jpg

Hµn chèt neo

Source: http://swuk.net/wp-content/uploads/2013/08/BP4-2.jpg

• Bề dày của tôn 0,75-1,5 mm (th ờng dùng loại 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

• Tổng bề dày của sàn h >= 80 mm Bề dày phần bê tông 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

• Kích th ớc của cốt liệu trong bê tông 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

• Với b0 (hình 2.2) là bề rộng trung bình của s ờn tấm tôn (là bề rộng nhỏ nhất nếu tấm tôn có s ờn đóng)

• Bề rộng gối tựa của sàn liên hợp >= 75 mm - với gối tựa thép,

BTCT; >= 100 mm - với gối tựa gạch đá

II 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 bê tông

• Nếu liên kết giữa phần bê tông và thép đảm bảo cho biến dạng tr ợt giữa thép và bê tông ở mặt tiếp xúc bằng nhau thì

gọi là liên kết hoàn toàn giữa bê tông và thép

• Nếu tồn tại sự tr ợt t ơng đối giữa thép và bê tông tại mặt tiếp

xúc thì gọi là liên kết không hoàn toàn

 Có 3 kiểu t ơng tác tại liên kết giữa bê tông và thép

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

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

• T ¬ng t¸c kh«ng hoµn toµn Cã sù tr ît tæng thÓ ë bÒ mÆt

tiÕp xóc nh ng cã giíi h¹n Lùc c¾t däc ® îc truyÒn kh«ng hoµn toµn T¶i träng cùc h¹n cã gi¸ trÞ trung gian Sù ph¸ ho¹i cã thÓ lµ dÎo

 Cã 3 d¹ng liªn kÕt gi÷a thÐp vµ bª t«ng

ra

• Liªn kÕt b»ng neo: lµm viÖc sau khi 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 bª t«ng

• Tr ît côc bé: RÊt nhá, kh«ng thÊy b»ng m¾t th êng, nh ng

lµm ph©n bè l¹i néi lùc liªn kÕt

• Tr ît tæng thÓ: RÊt lín ë bÒ mÆt tiÕp xóc, cã thÓ quan s¸t

thÊy, phô thuéc vµo lo¹i liªn kÕt gi÷a thÐp vµ bª t«ng

 Để hạn chế sự tr ợt giữa 2 loại vật liệu, cần bảo đảm liên kết giữa thép và bê tông bằng 1 hoặc nhiều biện pháp kết hợp sau

• Tạo biến dạng tr ớc cho tấm tôn (gờ nổi hoặc gờ chìm)

• Tôn có s ờn đóng tăng ma sát

• Neo ở đầu sàn bằng chốt hàn hoặc loại liên kết cục bộ khác

• Neo ở đầu sàn bằng cách làm biến dạng các s ờn ở 2 đầu tấm

tôn

Gờ nổi và gờ chìm

Tôn có s ờn đóng

Chèt hµn

vµ ThÐp gãc

BiÕn d¹ng ®Çu t«n

 Có 3 dạng phá hoại sàn liên hợp

• Phá hoại theo tiết diện 1-1: Do mô men ở nhịp, xảy ra với

những sàn có nhịp lớn

xúc thép-bê tông, xảy ra khi liên kết giữa bê tông và thép đạt tới khả năng chịu lực giới hạn

• Phá hoại theo tiết diện 3-3: Do lực cắt ở khu vực gần gối

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

6 Thiết kế cấu kiện

7 Thiết kế chi tiết

Thép 2 Thép 2

2737…

Cơ kết cấu Thép 2

Thép 1 Thép 1

III TÝnh to¸n sµn liªn hîp

trong giai ®o¹n thi c«ng

 Độ cứng t ơng đối: coi là độ cứng sàn không đổi trên toàn bộ chiều dài Độ cứng sàn tôn đ ợc tính cho bề rộng 1đơn vị

 Liên kết giữa các đoạn dầm là liên kết cứng

 Dầm đỡ sàn đ ợc coi là gối tựa khớp

L

• Hoạt tải thi công Gồm trọng l ợng công nhân, trọng l ợng thiết

bị đổ bê tông có kể đến sự va chạm hoặc rung động khi thi công) Theo Eurocode 4, hoạt tải thi công lấy là 1,5 kN/m2trong phạm vi diện tích bất kỳ 3x3 m ở vùng giữa bản sàn, phần diện tích còn lại lấy tải trọng là 0,75 kN/m2 Nếu diện tích bản sàn nhỏ hơn 3x3m thì lấy cho toàn bộ diện tích

Xác định mô men nhịp Xác định mô men gối

 Tôn sóng là cấu kiện thành mỏng, loại tiết diện 4 (mất ổn

định ngay tại giai đoạn đàn hồi)

 Ph ơng pháp xác định nội lực là đàn hồi tuyến tính

 Coi độ cứng là không đổi dọc chiều dài tấm tôn (bỏ qua sự thay đổi độ cứng do mất ổn định cục bộ của phần chịu nén)

2 Thiết kế cấu kiện

a) Các giả thiết khi tính toán

• Thỏa mãn giả thiết biến dạng phẳng

• ở TTGH, một phần tiết diện tôn bị mất ổn định nên bị bỏ qua, phần còn lại đều đạt đến giới hạn chảy

b) Công thức cơ bản

 Kiểm tra khả năng chịu uốn

 Kiểm tra độ võng

RdM

M 

] [





c) Tiết diện hiệu quả và mô men giới hạn

 Tôn sóng là cấu kiện thành mỏng, tuân thủ Eurocode 3

• Có những phần mất ổn định do nén Vì thế dùng tiết diện hiệu

quả (không dùng toàn bộ tiết diện tôn)

 Xét cánh nén dầm thép trong thép 1

• Nếu v ợt quá giá trị trên cánh dầm sẽ mất ổn định

• Công thức này coi ứng suất trong cánh dầm bằng c ờng độ f

f

E2

1t

bf

f 0

• Tr ờng hợp ứng suất trong cánh dầm là 

• Đặt

• Vậy, cánh dầm không mất ổn định khi

mép ngoài b0f sẽ mất ổn định, phải bỏ đi Phần còn lại dùng đ

bf

f 0

f

kEt

bf

f 0







kEt

bf

bkE

t

bb

b

f

f 0 f

u 0 f

0

u 0

b1

f

u 0







pd

pd pd

122

,

01

b 

c ứng suất nén trên tiết – ứng suất nén trên tiết

diện hiệu quả Ban đầu tính với toàn bộ tiết diện, sau lặp đến khi đ ợc tiết diện hiệu quả cuối cùng

com = ac

k = 0,4 – Hệ số ổn định

 Khi kể đến độ cứng tăng thêm do đ ờng viền tôn sóng

• Độ mảnh thành mỏng và độ mảnh cho phép

• Hệ số giảm bề rộng cánh

• Bề rộng cánh còn lại (bề rộng cánh hiệu quả)

• Khi toàn bộ thành mỏng là hiệu quả,

b052,

pd

16

,0

18,01

22,01

pu

pd pu

pd pd

b052,

pu

673,

0

pd 



673,

 Chi tiết s ờn cứng

• Nếu độ cứng s ờn cứng thỏa mãn điều kiện

thì coi s ờn cứng phân thành mỏng thành nhiều phần riêng

Is – Mô men quán tính s ờn cứng

As - Diện tích hiệu quả của s ờn cứng

bp – Bề rộng lớn nhất trong hai thành mỏng hai bên s ờn

3 p

2 y 2

s

s

t

bE

f016,

0A

• Nếu độ cứng s ờn cứng không thỏa mãn điều kiện trên cần

gộp hai thành mỏng hai bên s ờn cứng thành một

• Cần kể độ cứng hiệu quả của s ờn cứng vào tiết diện

 Toàn bộ diện tích và mô men quán tính hiệu quả bằng tổng các diện tích và mô men quán tính thành phần hiệu quả

 Mô men giới hạn

Weff – Mô men kháng uốn hiệu quả (từ tiết diện hiệu quả)

ap

eff yp

Rd

Wf

 Tiết diện tính toán (tiết diện thực) cần chú ý

• Tiết diện thực tính theo chiều dày thực của tôn bằng cách trừ

đi bề dày của phần mạ kẽm (khoảng 0,04mm)

• Tiết diện thực của các s ờn cứng ngang

• Tiết diện hiệu quả sau khi trừ phần mất ổn định cục bộ, nh đã

tính ở trên, đối với các phần chịu nén

 Kiểm tra độ võng của sàn liên hợp

• Giai đoạn thi công





k = 1,0 - với tấm tôn tựa đơn giản trên 2 gối

k = 0,49 - với tấm tôn liên tục 2 nhịp bằng nhau

k = 0,52 - với tấm tôn liên tục 3 nhịp bằng nhau

k = 0,41 - với tấm tôn liên tục 4 nhịp bằng nhau

eff

4EI

pL384

5k





IV TÝnh to¸n sµn liªn hîp

trong giai ®o¹n sö dông

 Độ cứng t ơng đối

 Có thể coi độ cứng là không đổi (không kể đến vết nứt bê tông) hoặc thay đổi

 Khi tải trọng phân bố đều trên sàn, bề rộng tính toán b là chiều rộng của sàn B

 Khi tải trọng tập trung trên sàn

o Bề rộng chịu tải (bm) lớn hơn bề rộng đặt tải q trên mặt sàn (bp)

o Bề rộng tính toán bem hoặc bev rộng hơn bề rộng chịu tải bm

• Khi tính c t d c và u nắt dọc và uốn ọc và uốn ốn

Với các nhịp đơn giản và các nhịp bên ngoài của sàn liên tục

Với các nhịp bên trong sàn liên tục

2b

bL  p  p

L5,0

bL  p  p

• Cã thÓ bè trÝ theo cÊu t¹o nÕu t¶i träng sö dông kh«ng v ît qu¸

7,5kN víi t¶i träng tËp trung vµ 5kN/m 2 víi t¶i träng ph©n bè

• Hµm l îng cèt thÐp (so víi tiÕt diÖn bª t«ng trªn s ên t«n) tèi

thiÓu lµ 0,2%

• ChiÒu dµi neo nhá nhÊt ph¶I ® îc dù kiÕn trªn bÒ réng tÝnh to¸n

 Liên kết giữa các đoạn dầm là liên kết cứng

 Dầm đỡ sàn đ ợc coi là gối tựa khớp

 Tải trọng

• Trọng l ợng sàn (tôn, bê tông, cốt thép)

• Trọng l ợng vật liệu hoàn thiện (vữa lót, gạch lát )

• Hoạt tải sử dụng

• Phản lực thay đổi do dỡ bỏ các thanh chống tạm (nếu có)

• Tác động của khí hậu (nhiệt độ, gió )

• Tác dụng của từ biến, co ngót, chuyển vị gối tựa…

q

R dx

M

2 0 0

 Ph ơng pháp đàn hồi tuyến tính có kể đến vết nứt của bê tông

• Giảm độ cứng sàn tại các tiết diện hình thành vết nứt

• Vì thế không giảm và không phân bố lại mô men

• Cách thực hiện t ơng tự phần dầm liên hợp

 Ph ơng pháp phân tích dẻo

• Cho xuất hiện khớp dẻo đến khi phá hoại

• Cần kiểm tra khả năng xoay của tiết diện có đủ lớn để hình

thành khớp dẻo không

• Chỉ có thể áp dụng cho trạng thái giới hạn về c ờng độ

• Cách thực hiện t ơng tự phần dầm liên hợp

• Dựa trên khái niệm khớp dẻo

• Tăng dần tải trọng đến khi hình thành đủ khớp dẻo và phá

Rd plMM

pl

2

1L

pL

xM

2

xLx

p0

d

dM

Rd pl 0

2 u

0 0

2 u Rd

.

2

1L

p

2 u Rd

pl

pM

2 u 0

Rd pl Rd

pl

0

21

11

2 2 0 d

Rd pl Sd

Sd

M

MM

M

• Gi¸ trÞ α0 trªn lµ cho pu (t¶i träng g©y ra tr¹ng th¸i giíi h¹n)

• Víi t¶i träng pd bÊt kú, nÕu coi tû lÖ gi÷a m« men gèi vµ nhÞp