Khả năng chịu lực và ứng xử của dầm liên hợp thép bê tông thép sử dụng liên kết kháng cắt kiểu perfobond

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------ ĐÀO DUY KIÊN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ ỨNG XỬ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP –BÊTƠNG CỐT THÉP SỬ DỤNG LIÊN KẾT KHÁNG CẮT KIỂU PERFOBOND... Nhằm đánh giá đúng khả năng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-
 -

ĐÀO DUY KIÊN

KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ ỨNG XỬ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP –BÊTƠNG CỐT THÉP SỬ DỤNG LIÊN KẾT KHÁNG

CẮT KIỂU PERFOBOND

CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP

MÃ SỐ NGÀNH : 60 58 20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2013

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM Ngày … tháng … năm …

Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ gồm: 1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ………

- -o0o -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: ĐÀO DUY KIÊN Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 07-11-1985 Nơi sinh: BÌNH ĐỊNH

Chuyên ngành: Xây Dựng Dân Dụng – Công Nghiệp MSHV: 11210237

Khóa: 2011

1- TÊN ĐỀ TÀI:

“Đánh giá khả năng chịu lực và ứng xử của dầm liên hợp thép – bêtông cốt thép

sử dụng liên kết kháng cắt kiểu Perfobond.”

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

• Phân tích sự truyền lực của liên kết cắt trong dầm, thiết kế khả năng kháng cắt liên kết phần bê tông và thép trong dầm

• Đánh giá khả năng chịu lực và ứng xử của dầm composite bêtông-thép sử dụng liên kết cắt kiểu Perfobond

• Xây dựng mô hình 3D phân tích ứng xử của liên kết bằng phần mềm Ansys

• Dự kiến các kết quả sẽ đạt được, từ đó đề xuất khả năng ứng dụng của loại liên kết này trong thời gian tới

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21 – 01 – 2013

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 21 – 6 – 2013

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS LÊ VĂN PHƯỚC NHÂN

TS BÙI ĐỨC VINH Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Tp HCM, ngày tháng năm CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

TRƯỞNG BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Với đề tài luận văn theo hướng thực nghiệm, trong quá trình thực hiện tôi đã gặp rất nhiều trở ngại tưởng chừng bản thân mình không thể vượt qua Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến những người đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua

Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Văn Phước Nhân

và thầy Bùi Đức Vinh, thầy đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn, chia sẻ cho tôi những kinh nghiệm quý báu trong quá trình thí nghiệm cũng như hướng dẫn cho tôi những kiến thức để có thể hoàn thành tốt luận văn của mình

Chương trình thí nghiệm đòi hỏi nhiều công đoạn cũng như máy móc thiết bị phức tạp, bản thân tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các nhân viên phòng thí nghiệm thuộc công ty Hoàng Vinh T.R.C.C, tôi vô cùng biết ơn và sẽ nhớ mãi quãng thời gian tôi được học tập và làm việc tại công ty Với những kiến thức tích lũy được tôi hy vọng sẽ giúp ích cho mình trong công tác chuyên môn sau này Đồng thời tôi xin gửi lời cảm ơn đến Công ty Xây dựng Việt Nguyên (thuộc Tổng công ty Xây dựng số 1) đã tài trợ cho tôi một phần kinh phí thực hiện đề tài này

Xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô bạn bè, những người đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập tại trường

Quá trình học tập tuy gặp nhiều khó khăn nhưng tôi luôn nhận được sự quan tâm, yêu thương từ phía gia đình Gia đình luôn bên tôi, là nguồn hỗ trợ đắc lực cho tôi trong suốt thời gian qua Lời cảm ơn chân thành nhất được gửi tới cha mẹ, vợ và

em trai tôi đã quan tâm giúp đỡ động viên tôi

Xin chân thành cảm ơn!

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nghiên cứu sức kháng cắt của dầm liên hợp sử dụng liên kết perfobond đã và đang được tiến hành rộng rãi dưới hình thức thực nghiệm push – out test Việc nghiên cứu sự làm việc của dầm liên hợp với kích thước thực khi dùng liên kết chốt, thép góc, thép chữ U, perfobond dạng kín đã được một số tác giả thực hiện Tuy nhiên dầm liên hợp sử dụng liên kết kháng cắt kiểu perfobond có dạng chữ “Ʊ” vẫn chưa được quan tâm Nhằm đánh giá đúng khả năng chịu lực và phân tích ứng xử của dầm liên hợp thép – bê tông, chương trình thực nghiệm được tiến hành trên 3 mẫu dầm liên hợp với kích thước thực, các dầm có sự khác biệt về kích thước bản sàn bêtông, cấp độ bền của bêtông, hàm lượng cốt thép bố trí trong liên kết nhằm khảo sát ảnh hưởng của những yếu tố này đến khả năng làm việc của dầm Nghiên cứu ứng xử của dầm liên hợp thông qua các đại lượng: khả năng chịu tải của dầm,

độ võng của dầm, sự trượt tương đối tại mặt tiếp xúc giữa bản bêtông và dầm thép, biến dạng của bản bêtông và thép hình, biến dạng của thép làm liên kết perfobond Đồng thời để bổ sung những kết quả mà thực nghiệm chưa có điều kiện thực hiện chương trình mô phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm ANSYS cũng được

sử dụng trong khảo sát này Mô hình dầm liên hợp được mô phỏng tương tự như thực nghiệm để nghiên cứu ứng xử của dầm liên hợp Kết quả mô phỏng khá tương đồng so với kết quả phân tích từ thực nghiệm, điều đó cho thấy độ tin cậy và tính khả thi của phương pháp mô phỏng

Ngoài ra, kết quả nghiên cứu cũng được so sánh với những nghiên cứu trước đây

về dầm liên hợp sử dụng các loại liên kết khác nhằm tìm ra những ưu và nhược điểm của dầm liên hợp đang khảo sát, từ đó đề xuất khả năng ứng dụng của loại liên kết này trong thời gian tới

Từ khóa: Kết cấu liên hợp, liên kết perfobond, perfobond hở

THESIS ABSTRACT

The study of the shear strength of beams used perfobond conects has been conducting extensive experimental form of push - out test The research work of the beams with the actual size when using key conects, angle steel, U steel, sealed perfobond as some authors have done However conjugate beam using shear links perfobond shaped style "Ʊ" still not interested In order to properly assess the bearing capacity and analyze the behavior of steel beams - concrete, experimental program was conducted on 3 samples beams with real size, the difference in beam size version concrete floor, concrete level of durability, function reinforcement of links arranged in order to address the impact of these factors work to the capabilities

of the beams Beam study of complex behavior through quantities: the load bearing capacity of the beams, deflection of beams, the relative sliding at the contact surface between the concrete and steel beams, the deformation of concrete and steel, deformation of steel perfobond link

At the same time, to supplement the experimental results that have not made conditional simulation program using the finite element software ANSYS is also used in this study Conjugate beam model is similar to the simulation experiments

to study the behavior of the beams The simulation results are quite similar compared to the results from the empirical analysis, which indicates the reliability and feasibility of the simulation method

In addition, the research results are also compared with previous studies using beams of different types link to find out the pros and cons of the beams are combined survey, which suggest a possible Applications of this kind of links in the future

Keywords: composite structure, perfobond, Creshbond

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS.Lê Văn Phước Nhân và TS Bùi Đức Vinh

Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Học viên

Đào Duy Kiên

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU xi

CHƯƠNG 1:GIỚI THIỆU 1

1.1 Giới thiệu chung về kết cấu liên hợp bê tông-thép 1

1.2 Động lực cho nghiên cứu 7

1.3 Mục tiêu và giới hạn của đề tài 10

1.3.1 Mục tiêu của đề tài 10

1.3.2 Giới hạn của đề tài 10

1.4 Phương pháp nghiên cứu 10

1.4.1 Khảo sát về mặt lý thuyết 11

1.4.2 Khảo sát bằng thực nghiệm 12

1.4.3 Khảo sát bằng mô hình phần tử hữu hạn 12

1.5 Ý nghĩa của đề tài 12

1.5.1 Ý nghĩa thực tiễn 12

1.5.2 Ý nghĩa khoa học 13

1.6 Cấu trúc luận văn 13

CHƯƠNG 2:TỔNG QUAN 14

2.1 Ứng xử của dầm liên hợp thép – bêtông cốt thép 14

2.2 Trình tự thiết kế dầm theo Eurocode 4 17

2.2.1 Kiểm tra theo trạng thái giới hạn về cường độ 18

2.2.1.1 Điều kiện an toàn 18

2.2.1.2 Chiều rộng hiệu dụng của tấm đan 19

2.2.1.3 Trường hợp tiết diện chịu mômen dương 20

2.2.1.4 Khả năng chịu cắt của tiết diện 23

a) Tiết diện chịu lực cắt 23

b) Tiết diện chịu đồng thời lực cắt và mômen 24

2.2.2 Tính toán theo trạng thái giới hạn sử dụng của dầm liên hợp……… 24

2.2.2.1 Kiểm tra độ võng 24

a) Tính toán độ võng của dầm đơn giản 26

b) Tính toán độ võng của dầm liên tục 26

2.2.2.2 Sự hình thành vết nứt trong bê tông 28

2.3 Liên kết kháng cắt trong dầm liên hợp thép – bêtông cốt thép 30

2.4 Liên kết kháng cắt kiểu perfobond 35

2.5 Dầm liên hợp với liên kết cắt kiển perprobond 39

2.6 Mô phỏng phần tử hữu hạn dầm liên hợp 40

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM 42

3.1 Giới thiệu 42

3.2 Nguyên lý và mô hình thí nghiệm 44

3.2.1 Nguyên lý thí nghiệm xác định khả năng chịu lực 44

3.2.2 Mô hình mẫu thí nghiệm 44

3.3 Thí nghiệm xác định các thông số của vật liệu đầu vào 47

3.3.1 Bê tông 47

3.3.1.1 Thí nghiệm xác định cường độ bêtông 47

3.3.1.2 Thí nghiệm xác định đường quan hệ ứng suất – biến dạng 49

3.3.1.3 Thí nghiệm uốn dầm RILEM 52

3.3.2 Thép và cốt thép 56

3.4 Chương trình thí nghiệm 57

3.4.1 Nhóm mẫu và mục tiêu khảo sát 57

3.4.2 Mẫu thí nghiệm 58

3.4.3 Chế tạo mẫu và chuẩn bị thiết bị thí nghiệm 62

3.4.3.1 Gia công thép 62

3.4.3.2 Công tác ván khuôn và đổ bê tông 64

3.4.3.3 Lắp đặt thiết bị thí nghiệm 67

3.4.4 Sơ đồ gia tải và quy trình thí nghiệm 71

3.5 Kết quả thí nghiệm 72

3.5.1 Nhận xét chung 72

3.5.2 Đánh giá độ võng của dầm 73

3.5.2.1 Đánh giá chung 73

3.5.2.2 So sánh độ võng giữa các mẫu 76

3.5.3 Đánh giá sự trượt giữa dầm thép và sàn bê tông 77

3.5.3.1 Đánh giá chung 77

3.5.3.2 So sánh sự trượt giữa các mẫu 81

3.5.4 Biến dạng của bản bê tông 82

3.5.4.1 Đánh giá chung 82

3.5.4.2 So sánh biến dạng bản bê tông giữa các mẫu 84

3.5.5 Biến dạng của dầm thép hình 85

3.5.5.1 Đánh giá chung 85

3.5.5.2 So sánh giữa các mẫu 87

3.5.6 Biến dạng của thép tấm perfobond 89

3.5.6.1 Đánh giá chung 89

3.5.6.2 So sánh biến dạng tấm thép perfobond của các mẫu 91

3.5.7 Dạng phá hoại của dầm thép 91

3.6 Kết luận 94

3.6.1 Ảnh hưởng của mac bê tông 94

3.6.2 Ảnh hưởng của cốt thép trong liên kết 95

3.6.3 Ảnh hưởng của tấm thép làm perfobond 95

3.6.4 Đánh giá khả năng sử dụng của liên kết perfobond 95

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG PHẦN TỬ HỮU HẠN 96

4.1 Giới thiệu 96

4.2 Mô hình vật liệu 97

4.2.1 Mô hình vật liệu cho dầm thép hình và cốt thép 97

4.2.2 Mô hình vật liệu cho bê tông 98

4.3 Mô hình hình học cho các phần tử 99

4.3.1 Dầm thép 99

4.3.2 Mô hình cốt thép 100

4.3.3 Mô hình cho sàn bê tông 100

4.3.4 Mô hình gối đỡ và tấm đặt lực 101

4.3.5 Liên kết Perfobond 102

4.4 Mô hình phần tử hữu hạn cho thí nghiệm 103

4.4.1 Mô hình hình học mẫu thí nghiệm 103

4.4.2 Chia lưới phần tử 103

4.4.3 Điều kiện biên 103

4.5 Kết quả phân tích phần tử hữu 106

4.5.1 Chuyển vị của dầm theo phương X, Y (UX, UY) 106

4.5.2 Sự phân bố ứng suất trong dầm 109

4.6 So sánh giữa mô phỏng và thực nghiệm 111

4.6.1 Độ võng giữa dầm 112

4.6.2 Sự trượt tương đối giữa bản bê tông và dầm thép 113

4.6.3 Biến dạng của bản bê tông 114

4.6.4 Biến dạng của dầm thép 115

4.7 Kết luận 118

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 119

5.1- Kết luận 119

5.1.1- Kết quả thí nghiệm, các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm việc của dầm liên hợp 119

5.1.1.1 Ảnh hưởng của mac bê tông 119

5.1.1.2 Ảnh hưởng của cốt thép trong liên kết 120

5.1.1.3 Ảnh hưởng của tấm thép làm perfobond 120

5.1.1.4 Đánh giá khả năng sử dụng của liên kết perfobond 120

5.1.2- Mô phỏng phần tử hữu hạn cho thí nghiệm 121

5.2- Hướng phát triển của đề tài 121

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

DANH MỤC HÌNH VẼ

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Hình 1.1: Các dạng của kết cấu liên hợp 1

Hình 1.2: Kết cấu sàn liên hợp sử dụng tấm tôn sóng 1

Hình 1.3: Citibank Duisburg (Duisburg – Germany) 4

Hình 1.4: Parking deck “DEZ” (Innsbruck- Austria) 4

Hình 1.5: Karl-Heine footbridge in Leipzig-Germany 5

Hình 1.6: Millennium Tower Vienna (Austria) 5

Hình 1.7: Cầu vượt Ngã tư Hàng Xanh 6

Hình 1.8: Cầu vượt Ngã tư Thủ Đức 7

Hình 1.9: Cầu vượt Ngã tư Láng Hạ 7

Hình 1.10: Công trình sử dụng liên kết kháng cắt bằng đinh tán 8

Hình 1.11: Rib perfobond 9

Hình 1.12: T perfobond 9

Hình 1.13: C perfobond 9

Hình 1.14: Crestbond 9

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Hình 2.1: Ảnh hưởng của liên kết đến sự làm việc của dầm liên hợp 14

Hình 2.2: Các giai đoạn làm việc của dầm liên hợp 15

Hình 2.3: Ứng xử của dầm liên hợp trong giai đoạn 3b 16

Hình 2.4: Quan hệ giữa lực và trượt giai đoạn 3a 16

Hình 2.5: Quan hệ giữa lực và trượt giai đoạn 3b 17

Hình 2.6: Quan hệ giữa lực và trượt giai đoạn 3c 17

Hình 2.7 Chiều rộng hiệu dụng của tấm đan tương ứng với một dầm 19

Hình 2.8 Nhịp tương đương để xác định chiều rộng hiệu dụng của tấm đan 20

Hình 2.9 Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hoà đi qua tấm đan (mômen uốn dương) 21

Hình 2.10 Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hoà đi qua bản cánh dầm thép

(mômen uốn dương) 21

Hình 2.11 Biểu đồ ứng suất khi trục trung hoà đi qua bản bụng dầm thép (mômen uốn dương) 22

Hình 2.12 Sự tương tác giữa lực cắt và mômen uốn 25

Hình 2.13 Phương pháp đơn giản để kiểm tra độ võng 27

Hình 2.14: Biểu đồ ứng suất – biến dạng 31

Hình 2.15: Ảnh hưởng của lực cắt lên liên kết trong kết cấu liên hợp 31

Hình 2.16: Các trường hợp tương tác trong dầm liên hợp 32

Hình 2.17: Biểu đồ quan hệ giữa lực và độ dai của liên kết 33

Hình 2.18: Các loại liên kết chống cắt 33

Hình 2.19: Các loại liên kết Perfobond 35

Hình 2.20: Dầm với liên kết Perfobond được hàn bên trên 36

Hình 2.21: Bố trí thép sàn 36

Hình 2.22: Liên kết Perfobond sau khi hoàn thành 36

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM Hình 3.1: Mặt cắt dọc của ½ mẫu 45

Hình 3.2: Mặt cắt ngang mẫu thí nghiệm 45

Hình 3.3: Hình dạng và kích thước perfobond 46

Hình 3.4: Thí nghiệm nén mẫu 48

Hình 3.5: Mẫu dùng cho thí nghiệm theo tiêu chuẩn ACI-318-05 49

Hình 3.6: Thí nghiệm đo ứng suất biến dạng của mẫu bê tông 50

Hình 3.7: Mẫu sau khi thí nghiệm 51

Hình 3.8: Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của bêtông 53

Hình 3.9: Mô hình mẫu và sơ đồ bố trí thiết bị đo 54

Hình 3.10: Lắp đặt thí nghiệm 54

Hình 3.11: Mẫu sau khi thí nghiệm 54

Hình 3.12: Biểu đồ quan hệ giữa lực – chuyển vị 55

Hình 3.13: Biểu đồ quan hệ giữa lực – độ mở rộng vết nứt 55

Hình 3.14: Thí nghiệm kéo thép 56

Hình 3.15: Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng 57

Hình 3.16: Cấu tạo Beam1 59

Hình 3.17: Cấu tạo Beam2 60

Hình 3.18: Cấu tạo Beam3 61

Hình 3.19: Gia công cốt thép cho mẫu thí nghiệm 64

Hình 3.20: Lắp ráp ván khuôn 65

Hình 3.21: Ván khuôn sau khi hoàn thành 66

Hình 3.22: Bảo dưỡng mẫu thí nghiệm 66

Hình 3.23: Mô hình mẫu thí nghiệm 68

Hình 3.24: Lắp đặt và thí nghiệm 69

Hình 3.25: Vị trí lắp đặt thiết bị đo 70

Hình 3.26: Chu trình gia tải cho thí nghiệm 71

Hình 3.27: Quan hệ giữa lực-độ võng 74

Hình 3.28: Độ võng qua từng cấp tải 76

Hình 3.29: So sánh độ võng 76

Hình 3.30: Quan hệ giữa lực-trượt 79

Hình 3.31: Trượt qua từng cấp tải 80

Hình 3.32: So sánh sự trượt 81

Hình 3.33: Bố trí cốt thép trong liên kết 81

Hình 3.34: Biến dạng của bản sàn bê tông 83

Hình 3.35: So sánh biến dạng bản bê tông 84

Hình 3.36: Biến dạng của dầm thép hình 86

Hình 3.37: Biến dạng ở bản bê tông và dầm thép 88

Hình 3.38: Biến dạng của Perfobond 90

Hình 3.39: So sánh biến dạng của Perfobond 90

Hình 3.40: Mẫu sau khi thí nghiệm 92

Hình 3.41: Biểu đồ thể hiện biến dạng của dầm qua từng cấp tải 94

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG PHẦN TỬ HỮU HẠN

Hình 4.1: Mô hình vật liệu dùng cho vật liệu thép 97

Hình 4.2: Dạng 3D mặt phá hủy bê tông của Willam và Warnke [28] [30] 98

Hình 4.3: Đường cong ứng suất biến dạng của bê tông khi chịu nén dọc trục 98

Hình 4.4: Mô hình phần tử SHELL181 trong ANSYS 99

Hình 4.5: Mô hình phần tử LINK180 (trái) và REINF264 (phải) 100

Hình 4.6: Mô hình phần tử SOLID65 101

Hình 4.7: Mô hình phần tử SOLID45 101

Hình 4.8: Mô hình phần tử COMBIN39 102

Hình 4.9: Đường cong quan hệ lực – chuyển vị của liên kết 102

Hình 4.10: Mô hình hình học của mẫu dầm liên hợp 103

Hình 4.11: Chia lưới cho cả hệ dầm 104

Hình 4.12: Điều kiện biên tại vị trí giữa dầm 105

Hình 4.13: Điều kiện biên tấm đặt lực 105

Hình 4.14: Điều kiện biên gối tựa 105

Hình 4.15: Độ võng của dầm 107

Hình 4.16 Chuyển vị theo phương X 109

Hình 4.17 Sơ đồ phân bố ứng suất trong dầm 111

Hình 4.18 So sánh chuyển vị giữa dầm 113

Hình 4.19 So sánh sự trượt tương đối giữa bản bê tông và dầm thép 114

Hình 4.20 So sánh biến dạng của bản bê tông 115

Hình 4.21 So sánh biến dạng cánh trên dầm thép 116

Hình 4.22 So sánh biến dạng bụng dầm thép 117

Hình 4.23 So sánh biến dạng cánh dưới dầm thép 118

DANH MỤC BẢNG BIỂU

CHƯƠNG2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

Bảng 2.1 - Ứng suất cho phép lớn nhất trong cốt thép 29

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM Bảng 3.1: Thành phần cấp phối bê tông 47

Bảng 3.2: Kết quả thí nghiệm nén mẫu 48

Bảng 3.3: Kết quả thí nghiệm quan hệ ứng suất – biến dạng 51

Bảng 3.4: Kết quả thí nghiệm dầm Rilem 56

Bảng 3.5: Kết quả thí nghiệm kéo thép 57

Bảng 3.6: Mô tả mẫu thí nghiệm 58

Bảng 3.7: Kết quả thí nghiệm 72

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG PHẦN TỬ HỮU HẠN Bảng 4.1: Thông số vật liệu thép 97

Bảng 4.2: Thông số vật liệu bê tông 99

Bảng 4.3: Kết quả mô phỏng 106

Bảng 4.4: So sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng 112

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Giới thiệu chung về kết cấu liên hợp bê tông-thép

Kết cấu liên hợp thép bêtông là loại kết cấu sử dụng thép kết cấu (structural steel) kết hợp với bêtông hoặc bêtông cốt thép để chúng cùng tham gia chịu lực 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) [5]

Hình 1.1: Các dạng của kết cấu liên hợp [5]

Đối với cấu kiện kết cấu 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 còn 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 (hình1.2)

Hình 1.2: Kết cấu sàn liên hợp sử dụng tấm tôn sóng [5]

Để thép và bêtông cùng tham gia chịu lực đồng thời, các chốt neo có hình dạng hợp lý được hàn tại bề mặt thép kết cấu tiếp xúc với bêtông nhằm tăng khả năng liên kết toàn khối giữa thép hình và bêtông

Việc sử dụng kết cấu liên hợp mang lại rất nhiều lợi ích vì kết cấu liên hợp

có rất nhiều tính năng ưu việt như:

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 thép và 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 tuý thì việc

sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép bêtông sẽ đảm bảo tăng khả năng chịu lực

và nâng cao độ tin cậy của kết cấu, do bao gồm khả năng chịu lực của cả 2 thành phần kết cấu thép hình và bêtông cốt thép cùng kết hợp tham gia chịu lực Hơn nữa, nếu so sánh với trường hợp chỉ sử dụng giải pháp kết cấu thép thuần tuý thì việc sử dụng kết cấu liên hợp thép bêtông ngoài việc làm tăng khả năng chịu lực còn tăng

độ cứng ngang, tăng khả năng ổn định và nâng cao tính chịu lửa Giải pháp kết cấu liên hợp thép bêtông cũng đã được ứng dụng khá hiệu quả trong trường hợp kết cấu công trình nằm trong vùng có động đất, do chúng có mức độ ổn định và độ tin cậy cao khi chịu tải trọng động Điều này đã được kiểm nghiệm qua thực tế tại nhiều trận động đất lớn, như trận động đất Kobe ở Nhật Bản năm 1995 hay trận động đất Northridge ở Mỹ năm 1994 [5]

Công năng sử dụng hiệu quả: 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 3000 tấn 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 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 (không liên hợp) 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 sẽ 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 Mặc dù ở một số nước trên thế giới như Nhật Bản, Úc,… đã sản xuất được bêtông mác siêu cao với cường độ chịu nén có thể vượt trên 1000 daN/cm2 Tuy nhiên để sản xuất bêtông đạt được cường độ cao như vậy và đảm bảo được mức độ tin cậy thì quy trình sản xuất và kiểm tra chất lượng yêu cầu phải được thực hiện rất nghiêm ngặt về thời gian và công nghệ kỹ thuật [5]

Hiệu quả kinh tế: So với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu thép thuần tuý thì việc sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép bêtông sẽ có hiệu quả kinh tế cao, giảm được trọng lượng thép khoảng 10-15% Nếu so với trường hợp sử dụng giải pháp kết cấu bêtông cốt thép thì giải pháp sử dụng kết cấu liên hợp giảm được trọng lượng của công trình khoảng 10-20%, dẫn đến giảm nhẹ được kết cấu móng Do vậy mặc dù lượng thép sử dụng 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 [5]

Sau khi nhận thấy khả năng cũng như tính ưu việt của kết cấu liên hợp thép – bêtông cốt thép (Composite construction), vào những năm đầu của thập niên 1920 cho đến nay thế giới đã có những khảo sát và đưa vào ứng dụng cho loại kết cấu này trong hầu hết các lĩnh vực của xây dựng từ công trình dân dụng, công nghiệp cho đến các công trình giao thông thủy lợi

Bên cạnh đó những nghiên cứu chuyên sâu về kết cấu liên hợp thép – bêtông cốt thép cũng được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm như: Leonhardt et al, Ushijima et al, Oguejiofor and Hasain, Medberry and Shahrooz,…Để thống nhất cũng như tạo điều kiện cho việc nghiên cứu, tính toán thiết kế kết cấu liên hợp thép – bêtông cốt thép, cho đến hôm nay Châu Âu đã biên soạn riêng một bộ tiêu chuẩn cho một phần của kết cấu liên hợp thép – bêtông cốt thép, đó là tiêu chuẩn Euro

Code 4 Từ đó rất nhiều công trình trên thế giới được hình thành dựa trên những nghiên cứu và bộ tiêu chuẩn này như:

Hình 1.3: Citibank Duisburg (Duisburg – Germany) [2]

Hình 1.4: Parking deck “DEZ” (Innsbruck- Austria) [2]

Hình 1.5: Karl-Heine footbridge in Leipzig-Germany [3]

Hình 1.6: Millennium Tower Vienna (Austria) [2]

Không dừng lại ở đó, hiện nay các nhà khoa học trên thế giới đã và đang nỗ lực nghiên cứu kết cấu liên hợp thép – bêtông cốt thép để ngày càng hoàn thiện, mở rộng hơn, đồng thời khai thác triệt để hơn những ưu điểm của loại kết cấu này trong tương lai

Tại Việt Nam hiện nay nhu cầu xây dựng nhà cao tầng và nhà siêu cao tầng đang bùng nổ mạnh mẽ, đặc biệt ở các khu đô thị lớn như Hà Nội và TP Hồ Chí Minh Khi sử dụng các giải pháp kết cấu bê tông cốt thép thông thường, công trình nhà cao tầng đòi hỏi kích thước các cấu kiện kết cấu có thể rất lớn, nặng nề, tốn kém, giảm không gian sử dụng và giảm tính thẩm mỹ Để khắc phục các nhược điểm kể trên, giải pháp kết cấu liên hợp thép bê tông đã và đang được sử dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới cho các công trình nhà nhiều tầng Mục đích của giải pháp này là tận dụng các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lý giữa vật liệu thép và bê tông để tạo ra kết cấu liên hợp có khả năng chịu lực và độ tin cậy cao, đồng thời tăng cường khả năng chống cháy Bên cạnh đó, công trình sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp sẽ đáp ứng được công năng sử dụng cao, hiệu quả về kinh tế và đảm bảo tính thẩm mỹ Ở Việt Nam, từ năm 2006 tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp thép- bêtông đang được tiến hành nghiên cứu và biên soạn theo tiêu chuẩn Châu Âu

Từ đó nhiều công trình bằng kết cấu liên hợp đã và đang được xây dựng ở nhiều nơi trong cả nước:

Hình 1.7: Cầu vượt Ngã tư Hàng Xanh

Hình 1.8: Cầu vượt Ngã tư Thủ Đức

Hình 1.9: Cầu vượt Ngã tư Láng Hạ

1.2 Động lực cho nghiên cứu

Khi dùng kết cấu liên hợp thép – bêtông cốt thép người ta nhận thấy rằng khi kết cấu liên hợp bêtông - thép chịu uốn thì bản sàn bêtông bên trên và dầm thép bên dưới có sự trượt lên nhau, lúc này sự làm việc của hai lớp vật liệu này là gần như độc lập Chính vì thế việc tạo các chi tiết neo để tăng lực dính kết giữa bêtông và thép là rất quan trọng và không thể thiếu được

Với mong muốn đáp ứng ngày càng cao những yêu cầu này, thì liên kết chống cắt trong kết cấu liên hợp thép – bêtông cốt thép liên tục được tìm hiểu và

nghiên cứu bởi các nhà khoa học trên thế giới Phổ biến và xuyên suốt trong thời gian qua là liên kết kháng cắt sử dụng đinh tán, khi đó đinh tán được hàn vào dầm thép đóng vai trò là chốt chặn, chống trượt nhằm đảm bảo liên kết giữa dầm thép và bản sàn Hình dưới đây thể hiện việc ứng dụng liên kết kháng cắt bằng đinh tán trong xây dựng:

a) b)

Hình 1.10: Công trình sử dụng liên kết kháng cắt bằng đinh tán [11]

a) Nhà máy sản xuất ôtô ở Đức b) Văn phòng hãng Adope, California, Mỹ Hiện nay trong tiêu chuẩn Eurocode 4 [2] đã trình bày sơ bộ về phương pháp tính toán, trình tự tính toán, cũng như cách bố trí liên kết kháng cắt giữa sàn bêtông

và dầm thép nhưng chỉ áp dụng cho loại liên kết truyền thống bằng đinh tán Khi sử dụng đinh tán làm liên kết kháng cắt sẽ gặp phải một số hạn chế mà trong điều kiện thi công ở nước ta vẫn còn vấp phải như: đinh tán được đưa vào sử dụng phải là loại thép có cường độ cao, được chế tạo đặt biệt, công tác hàn đinh tán vào dầm rất phức tạp, nếu sử dụng những máy hàn thông thường thì khi hàn sẽ làm cho tiết diện tại chân đinh tán bị thu hẹp từ đó làm giảm khả năng chịu lực của đinh tán, không còn chính xác so với thiết kế ban đầu Để khắc phục nhược điểm này, hiện nay đã có một loại máy hàn chuyên dụng cho công tác hàn đinh tán, nhưng máy hàn này có công suất rất lớn, phải luôn đặt ở công trường thi công và phải có đội ngũ công nhân tay nghề cao để vận hành Để có thêm phương án cho liên kết kháng cắt trong kết cấu liên hợp thép – bêtông cốt thép, đồng thời hạn chế những nhược điểm của liên

kết đinh tán thì một dạng liên kết kháng cắt khác được đề xuất đó là liên kết kháng cắt kiểu Perfobond

Với những nghiên cứu của mình, Leonhardt cùng cộng sự gần như là những người đầu tiên đề xuất liên kết perfobond cho kết cấu liên hợp thép – bêtông cốt thép từ năm 1980 Kể từ đó, perfobond nhận được nhiều sự quan tâm của cộng đồng khoa học cũng như thi công trên khắp thế giới như: Leonhardt, f.;Andra, V.;Harre,

W, Eurocode 4 prEN 1994-1-1, Oguejiofor EC, Hosain MU, Bui Duc Vinh…

Theo đó, liên kết perfobond liên tục được đa dạng từ kích thước, hình dạng qua thời gian dài nghiên cứu của các nhà khoa học

Hình 1.11: Rib perfobond [19] Hình 1.12: T perfobond [19]

Hình 1.13: C perfobond [31] Hình 1.14: Crestbond [23]

Tuy nhiên ở Việt Nam hiện nay, liên kết kiểu perfobond giữa sàn bêtông và dầm thép vẫn chưa nhận được sự quan tâm nghiên cứu chuyên sâu, do đó để đánh giá khả năng chịu lực và ứng xử của dầm composite bê tông-thép sử dụng liên kết cắt kiểu Perfobond, cũng như khả năng ứng dụng của loại liên kết này tại Việt Nam vẫn còn là một hướng nghiên cứu mới

1.3 Mục tiêu và giới hạn của đề tài

1.3.1 Mục tiêu của đề tài

Nhằm đánh giá đúng khả năng chịu lực và phân tích ứng xử của dầm liên hợp thép – bê tông, chương trình thực nghiệm được tiến hành trên 3 mẫu dầm liên hợp với kích thước thực, mỗi dầm có sự khác biệt về một số yếu tố nhằm khảo sát ảnh hưởng của những yếu tố này đến khả năng làm việc của dầm Đồng thời dầm liên hợp cho khảo sát này cũng được mô phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm ANSYS [7] để bổ sung những yếu tố mà thực nghiệm chưa có điều kiện thực hiện Kết quả thu được từ thực nghiệm, mô phỏng được so sánh với nhau và so sánh với những nghiên cứu trước đây để có những đánh giá đầy đủ nhất về kết cấu đang khảo sát, nhằm hoàn thành những mục tiêu sau:

• Phân tích sự truyền lực của liên kết cắt trong dầm, thiết kế khả năng kháng cắt liên kết phần bê tông và thép trong dầm

• Đánh giá khả năng chịu lực và ứng xử của dầm composite bêtông-thép sử dụng liên kết cắt kiểu Perfobond

• Dự kiến các kết quả sẽ đạt được, từ đó đề xuất khả năng ứng dụng của loại liên kết này trong thời gian tới

1.3.2 Giới hạn của đề tài

Mỗi thay đổi về vật liệu, về cấu tạo, hay kích thước… đều ảnh hưởng ít nhiều đến ứng xử của dầm liên hợp, tuy nhiên với những hạn chế về thời gian và kinh phí nên đề tài chỉ có thể tiến hành trên 3 mẫu với sự thay đổi những thông số chính Để phản ánh đầy đủ và chính xác ảnh hưởng của hầu hết các yếu tố cần có thêm nhiều nghiên cứu khác cho đề tài này

1.4 Phương pháp nghiên cứu

1.4.1 Khảo sát về mặt lý thuyết

Trước khi đưa vào thí nghiệm khả năng chịu lực Pmax, mô men chảy dẻo

Mp, khả năng chịu lực của liên kết, vị trí trục trung hòa của 3 mẫu dầm liên hợp đều được thiết kế sơ bộ dựa theo chỉ dẫn từ Eurocode 4 [1][2], đồng thời đề tài cũng đã

tham khảo từ những nghiên cứu trước đây, để mẫu thí nghiệm có cấu tạo và kích thước phù hợp nhất với điều kiện thực tế, điều kiện thi công và kiểm tra tại phòng thí nghiệm

1.4.2 Khảo sát bằng thực nghiệm

Khảo sát thực nghiệm là phần quan trọng nhất trong đề tài này, nhằm đưa ra được kết quả thực tế nhất về loại kết cấu đang nghiên cứu, trên cơ sở xây dựng đường cong ứng xử (P – δ) dựa trên việc thay đổi số liên kết, kích thước bản bêtông, mac vật liệu…đánh giá khả năng chịu lực của kết cấu là như thế nào, liên kết perfobond như vậy có đáp ứng được yêu cầu hay không, khả năng chảy và phá vỡ vùng nén, dầm bị phá hoại ra sao, khả năng mất ổn định của dầm, đồng thời nó cũng

là thước đo cho việc mô phỏng số Từ đó đánh giá được triển vọng áp dụng của loại liên kết này ở Việt Nam là có khả thi hay không

Trên cơ sở đó 3 mẫu thí nghiệm với dầm bằng thép hình H, bản sàn bêtông cốt thép và liên kết perfobond hàn lên dầm sẽ được thiết kế để phục vụ khảo sát những mục tiêu đặt ra:

• Mẫu 1: Thiết kế cho trường hợp Full Shear Conection

• Mẫu 2: Thiết kế cho trường hợp Patial Shear Conection

• Mẫu 3: Thay đổi mac bêtông và kích thước bản sàn

Với quy trình thí nghiệm rõ ràng, chặt chẽ, số liệu sau khi tổng hợp so sánh với nhau, đồng thời cũng được so sánh với những thí nghiệm của các tác giả khác để rút

ra được kết quả theo đúng mục tiêu của đề tài

1.4.3 Khảo sát bằng mô hình phần tử hữu hạn

Mô phỏng số dựa trên kết quả thực nghiệm được xem như thí nghiệm số, vì

số mẫu thực nghiệm là có giới hạn do đó mô phỏng số sẽ được thay thế cho những thí nghiệm chưa áp dụng được Từ đó xây dựng mô hình nghiên cứu tham số, xây dựng phương trình tham số cho kết cấu như: chiều dài, kích thước, số lượng liên kết, mac bêtông, mac thép… trong những nghiên cứu tiếp theo

Tiến hành mô phỏng cho kết cấu liên hợp trong khảo sát này là một thách thức rất lớn bỡi vì: bêtông là vật liệu có biến dạng lớn, giữa bêtông và thép có ứng

xử rất khác nhau, bên cạnh đó khi kết cấu làm việc tại mặt tiếp xúc giữa sàn bêtông

và dầm thép có trạng thái Kéo –Cắt rất phức tạp khó để mô phỏng trong phần mềm

Trong phạm vi khảo sát của đề tài này kết cấu sẽ được mô phỏng bằng phần mềm ANSYS [7], với phân tích phi tuyến được áp dụng trong trường hợp này, mục tiêu làm thế nào để mô phỏng càng phù hợp với kết cấu thực càng tốt:

• Dầm thép hình mô phỏng bằng phần tử SHELL181

• Bản sàn bê tông mô phỏng bằng phần tử SOLID65

• Liên kết perfobond mô phỏng bằng phần tử Combin39

• Tấm truyền lực và gối đỡ mô phỏng bằng phần tử SOLID45

• Cốt thép trong bê tông mô phỏng bằng phần tử LINK180 và REINF264

1.5 Ý nghĩa của đề tài

1.5.1 Ý nghĩa thực tiễn

Khảo sát những kết quả nghiên cứu trước đây và các công trình đã xây dựng

có thể thấy rằng kết cấu liên hợp bêtông – thép có rất nhiều ưu điểm như: khả năng chống ăn mòn của thép được tăng cường, khả năng chịu lửa tốt, khả năng chịu lực của kết cấu tăng (do thép chịu lực là chính) làm giảm kích thước của cấu kiện, không gian sử dụng và hiệu quả kiến trúc tăng, tăng độ cứng của kết cấu, khả năng biến dạng lớn hơn kết cấu bêtông cốt thép, có thể dễ dàng dùng phương pháp thi công hiện đại…Chính nhờ những ưu điểm này mà kết cấu liên hợp đã và đang được

sử dụng phổ biến khắp nơi trên thế giới Tuy nhiên vấn đề then chốt trong kết cấu liên hợp là liên kết kháng cắt giữa phần bêtông và thép Như đã trình bày trong phần giới thiệu thì liên kết kháng cắt phổ biến bằng đinh tán vẫn còn nhiều hạn chế, do

đó giải pháp liên kết kháng cắt kiểu perfobond cho kết cấu liên hợp bêtông – thép ngày càng được sử dụng rộng rãi Bởi vì so với giải pháp bằng đinh tán thì liên kết kiểu perfobond sẽ có nhiều ưu điểm hơn: (i) về khả năng chịu lực: liên kết kiểu perfobond có khả năng kháng cắt cao, (ii) về kinh tế: sử dụng những nguyên liệu

thông thường, dễ mua nên chi phí cũng thấp hơn liên kết bằng đinh tán; (iii) về mặt thi công, liên kết perfobond cũng được thi công đơn giản hơn, không cần nhiều những thiết bị chuyên dụng, công nhân tay nghề cao như liên kết bằng đinh tán

1.5.2 Ý nghĩa khoa học

Qua bài khảo sát này, với những kết quả thu được từ thực nghiệm và mô phỏng số sẽ góp phần nào bổ sung thêm những luận điểm, kiến thức mới và là nguồn dữ liệu bổ ích phục vụ cho những nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này

1.6 Cấu trúc luận văn

Luận văn được trình bày gồm những phần chính sau:

• Chương 1: Giới thiệu

• Chương 2: Tổng quan nghiên cứu

• Chương 3: Khảo sát thực nghiệm

• Chương 4: Mô phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm ANSYS

• Chương 5: Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN

2.1 Ứng xử của dầm liên hợp thép – bêtông cốt thép

Khác với kết cấu bêtông cốt thép thông thường, có cốt thép chịu lực là các thanh thép tròn, kết cấu liên hợp thép – bêtông cốt thép là kết cấu mà thép chịu lực

có dạng thép tấm, thép hình , thép ống Nó có thể nằm ngoài bêtông (gọi là kết cấu thép nhồi bêtông), hay nằm bên trong bêtông ( gọi là kết cấu thép bọc bêtông), hoặc được liên kết với nhau để cùng làm việc Lịch sử phát triển của kết cấu liên hợp gắn liền với lịch sử phát triển của kết cấu thép và kết cấu bêtông cốt thép Với những đặc trưng cấu tạo như vậy, nên khi làm việc kết cấu liên hợp thép – bêtông cốt thép cũng có những điểm khác biệt so với kết cấu bêtông cốt thép thông thường, đặc biệt

là sự trượt giữa hai loại vật liệu thép và bêtông Hình 2.1 thể hiện ứng xử của kết cấu khi không sử dụng và khi có sử dụng liên kết kháng cắt:

a) Dầm liên hợp không sử dụng liên kết [3]

b) Dầm liên hợp có sử dụng liên kết [3]

Hình 2.1: Ảnh hưởng của liên kết đến sự làm việc của dầm liên hợp

Shear conectors

Từ khi bắt đầu tham gia làm việc cho đến khi phá hủy dầm liên hợp dầm liên hợp trải qua nhiều giai đoạn, điển hình là 3 giai đoạn chính sau:

Giai đoạn 1: Khi dầm liên hợp còn làm việc trong giai đoạn đàn hồi, dưới sự tác dụng còn thấp của tải trọng nên cả thép và bêtông đồng thời nằm trong giai đoạn đàn hồi, lúc này quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là tuyến tính Bên cạnh đó, lực cắt tác dụng lên liên kết không nhiều nên sự trượt diễn ra giữa dầm thép và bản sàn bêtông là rất nhỏ Vì biến dạng tương đối nhỏ nên ứng suất tại giữa nhịp dầm có dạng đường thẳng như hình 2.2 a Cũng theo hình này ta có thể nhận thấy rằng khi bản sàn bêtông cốt thép đủ dày thì trục trung hòa của toàn tiết diện sẽ đi qua bản sàn, lúc này một phần bản sàn sẽ nằm trong vùng kéo Trong trường hợp bản sàn bêtông cốt thép không đủ dày thì trục trung hòa của toàn tiết diện sẽ đi qua dầm thép, lúc đó từ trục trung hòa trở lên trên kết cấu sẽ nằm trong vùng nén

Hình 2.2: Các giai đoạn làm việc của dầm liên hợp [3]

Giai đoạn 2: Khi tải trọng tiếp tục tăng lên làm cho lực cắt trong liên kết tăng lên dẫn đến biến dạng trong liên kết tăng lên theo Biến dạng của liên kết góp phần làm tăng thêm biến dạng của toàn bộ kết cấu, đến đây trong quan hệ giữa ứng suất

và biến dạng có thêm ảnh hưởng của biến dạng trượt Giai đoạn này dầm liên hợp được thiết kế như trường hợp liên kết một phần, với biến dạng trượt là rất nhỏ nên

có thể bỏ qua Hình 2.1b mô tả cụ thể cho sự làm việc của dầm trong giai đoạn này

Giai đoạn 3: T

chảy, theo đó vùng ch

trên toàn bộ tiết diện c

Giai đoạn 3a: Thép đ

hạn xem khối ứng suất d

n 3: Tải trọng tiếp tục tăng lên, đến khi dầm thép đ

y, theo đó vùng chảy dẻo tiếp tục phát triển và cuối cùng vùng ch

n của dầm thép

n 3a: Thép đạt đến giới hạn chảy, khi tính theo tr

t dẻo phát triển trên toàn bộ tiết diện thép

n 3b: Tải trọng tiếp tục tăng lên, bêtông không làm vi

n gây ra ứng suất quá lớn sẽ làm phá hoại giòn t

t thép (BTCT), sự gia tăng ứng suất trong bê tông dẫn đ

thay đổi

2.3: Ứng xử của dầm liên hợp trong giai đoạn 3b

n 3c: Các thành phần khác của dầm liên hợp có th

n chảy hoặc bê tông bị vỡ tại liên kết Tải tr

c giữa bản BTCT và dầm thép tăng tương

ọc tỷ lệ với lực cắt đứng, nên lực liên kế

ng lúc này vẫn còn bé, lực tác dụng lên liên kết bi

a thép và BTCT tại đầu dầm là lớn nhất

2.4: Quan hệ giữa lực và trượt giai đoạn 3a

m thép đạt đến giới hạn

i cùng vùng chảy dẻo xảy ra

trạng thái giới hạn tới

c tăng lên, bêtông không làm việc dẻo Khi

i giòn tại bề mặt bản bê

n đến sự gia tăng biến

ợp trong giai đoạn 3b [3]

Khi tăng tải trọng, lực cắt dọc sẽ tăng lên, tải tác dụng lên các liên kết đầu dầm gây ra biến dạng dẻo Các liên kết mềm là các liên kết có khả năng biến dạng dẻo trong khi vẫn giữa được khả năng chịu lực cắt dọc

Hình 2.5: Quan hệ giữa lực và trượt giai đoạn 3b [2]

Đến lúc nào đó tải trọng làm tăng lực cắt dọc và biến dạng của liên kết Các liên kết gần giữa dầm bắt đầu biến dạng dẻo Mỗi khi phá hoại xảy ra,tất cả các liên kết đạt đến khả năng chịu lực của nó Dầm liên hợp được thế kế với thép đạt đến giới hạn chảy, bê tông đạt đến biến dạng phá hoại và liên kết đạt đến biến dạng dẻo

Hình 2.6: Quan hệ giữa lực và trượt giai đoạn 3c [2]

2.2 Trình tự thiết kế dầm theo Eurocode 4 [1], [2], [11]

Quy trình thiết kế kết cấu liên hợp thép bêtông nhìn chung cũng giống như các loại kết cấu 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 được 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 và 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 cùng tham gia làm việc với dầm sàn;

- Xác định khả năng chịu lực của các cấu kiện kết cấu đã chọn và kiểm tra theo các trạng thái giới hạn về chịu lực và biến dạng

Theo EuroCode 4 dầm liên hợp thép – bêtông cốt thép được tính toán và thiết

kế dựa trên các nguyên lý thiết kế trạng thái giới hạn

► Trạng thái giới hạn tới hạn về cường độ:

2.2.1 Kiểm tra theo trạng thái giới hạn về cường độ

2.2.1.1 Điều kiện an toàn

Khi khảo sát theo trạng thái giới hạn về cường độ cho một tiết diện ngang của một cấu kiện hay một liên kết yêu cầu:

Sd ≤ Rd (2.1) Trong đó:

+ Sd - giá trị tính toán của các tác động Khi xác định Sd phải kể đến các tổ hợp tải trọng bất lợi khi sử dụng cũng như khi thi công, dựng lắp

+ Rd - sức bền tính toán tương ứng của tiết diện khảo sát, phụ thuộc vào cường

độ đặc trưng của các loại vật liệu trên tiết diện:

Rd = Rd (fy/ óa, fck/ óc, fys/ ós, fyp/ óap) (2.2) Với

+ fy: giới hạn chảy của vật liệu thép cứng;

+ óa: hệ số an toàn vật liệu cho thép cứng, thường óa = 1, trừ trường hợp kiểm tra ổn định của phần thép (oằn, cong vênh) được điều chỉnh bằng hệ số óRd=1,10; + fck: cường độ chịu nén của bê tông;

+ óc: hệ số an toàn vật liệu cho thép, thường óa = 1,50;

+ fys: giới hạn chảy của vật liệu cốt thép thanh;

+ óys: hệ số an toàn vật liệu của cốt thép thanh, ós = 1,15;

+ fyp: giới hạn chảy của vật liệu làm tôn sàn;

+ γap: hệ số an toàn vật liệu của tôn sàn, γap = 1,10

Khi tính liên kết dùng hệ số an toàn vật liệu làm chốt γv

2.2.1.2 Chiều rộng hiệu dụng của tấm đan

Khi chịu uốn, một phần tấm đan của sàn bê tông sẽ tham gia làm việc cùng với dầm thép để tạo thành tiết diện dạng chữ T Trên bề rộng tham gia làm việc beffnày (hình 2.7) ứng suất pháp coi như phân bố đều

+ Đối với dầm đơn giản, giá trị của beff được lấy như sau (Hình 2.8):

beff = bc1 + bc2 (2.3) Với bci = min (l0/8, bi) (2.4)

l0 là nhịp dầm

Hình 2.7 Chiều rộng hiệu dụng của tấm đan tương ứng với một dầm + Đối với dầm liên tục cũng dùng công thức trên nhưng l0 được lấy theo Hình 2.8, chia ra theo vùng mômen dương (ở nhịp) và mômen âm (ở gối tựa)

Hình 2.8 Nhịp tương đương để xác định chiều rộng hiệu dụng của tấm đan

2.2.1.3 Trường hợp tiết diện chịu mômen dương

Khảo sát trường hợp hay gặp trong các công trình nhà, tấm đan liên hợp bê tông với tôn sóng định hình , sóng tôn vuông góc với trục của dầm thép Chiều cao lớn nhất có thể của vùng bêtông chịu nén là chiều dày hc của tấm đan từ đỉnh của sóng tôn, chiều cao của sóng ký kiệu hp (Các công thức dưới đây vẫn dùng được trong trường hợp dùng tấm đan đặc (chỉ có bê tông cốt thép) khi cho hp = 0) Để đơn giản hoá khi thiết lập công thức giả thiết rằng dầm thép có dạng chữ I đối xứng Trường hợp 1 - Trục trung hoà nằm trong tấm đan

Ký hiệu lần lượt Fa và Fc là sức bền dẻo của thép hình khi chịu kéo và của tấm đan khi chịu nén:

Fa = Aafy/γ a (2.5)

Fc = hc beff+ (0,85fck/γ ) c (2.6) Trong đó: Aa là diện tích tiết diện thép hình

Trường hợp khảo sát (hình 2.9) xảy ra khi:

Fc > Fa (2.7)

Vị trí của trục trung hòa dẻo so với mặt trên của tấm đan z được tính theo công thức:

z = Fa/ (beff+ 0,85fck/γ ) c ≤hc (2.8) Tính toán khả năng chịu mômen theo hợp lực lấy với trọng tâm vùng bêtông chịu nén:

M+pl.Rd = Fa (ha/2 + hc + hp – z/2) (2.9)

0,85 fc k/ γ c(nÐn)

F

Fc 1

Fa

z Trôc T.H dÎo

Trường hợp 2 – Trục trung hoà đi qua cánh dầm thép

Trường hợp này xảy ra khi Fc < Fa, rõ ràng khi đó khoảng cách của trục trung

hoà dẻo z sẽ lớn hơn chiều dày toàn bộ của tấm đan (hc + hp) (chiều dày sàn hỗn

hợp; nhưng để trục trung hoà nằm trong bản cánh dầm thép (chiều dầy tf và chiều

rộng bf) cần thoả mãn điều kiện phụ sau:

Hình 2.10 Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hoà đi qua bản cánh dầm thép

(mômen uốn dương)

Khoảng cách z tính toán dễ dàng khi coi như ứng suất trong cách chịu nén

của dầm thép bằng 2fy/γ , còn Fa a coi như tổng của các ứng suất kéo trong dầm thép

hình đặt tại trọng tâm của dầm Ta rút ra khoảng cách z từ phương trình cân bằng:

Fa = Fc + 2bf (z – hc – hp) fy/γ a (2.11)

Để tính khả năng chịu mômen dẻo của tiết diện ta lập phương trình mômen

với trọng tâm vùng bêtông chịu nén có:

M+pl.Rd = Fa (ha/2 + hc/2 + hp ) - (Fa - Fc) (z + hp)/2 (2.12)

Trường hợp 3 – Trục trung hoà đi qua bản bụng của dầm thép

Khi: Fc < Fa và Fa – Fc > 2 bftffy/γ a (2.13)

thì trục trung hoà dẻo sẽ đi qua bản bụng dầm thép (hình 2.10)

Để đơn giản khi trình bày, giả thiết rằng trục trung hoà nằm dưới chỗ uốn cong ở mép bản bụng nếu dầm là định hình cán Dễ dàng tìm được phần chiều cao chịu kéo của bản bụng nằm trên trọng tâm của thép hình zw, khi coi như ứng suất bằng 2fy/γ trên suốt chiều cao này và ứng suất phân bố đều fa y/γ trên toàn bộ chiều acao ha Ta có:

Hình 2.11 Biểu đồ ứng suất khi trục trung hoà đi qua bản bụng dầm thép

(mômen uốn dương)

Khả năng chịu mômen bền được tính toán so với trọng tâm của thép hình :

M+pl.Rd = Mapl.Rd + Fc(ha/2 + hc/2 + hp ) – Fc zw/2

hoặc

M+pl.Rd = Mapl.Rd + Fc(ha/2 + hc/2 + hp ) - Fc2/(4twfy/γ ) a (2.15) Mục đích của biểu thức này là tính mômen bền dẻo Mapl.Rd mà giá trị của nó có thể đưa vào trong bảng của thép hình cán để sử dụng

2.2.1.4 Khả năng chịu cắt của tiết diện

a) Tiết diện chịu lực cắt

Một số tiết diện ngang có thể chỉ chịu cắt thuần tuý, thí dụ tiết diện ở gối dầm Các thí nghiệm cho thấy một phần lực cắt do tấm đan chịu tuy nhiên không thể dùng mô hình tính đơn giản để thể hiện sự phân phối lực cắt này Sự phân bố đó phụ thuộc vào vị trí của các liên kết nối và việc hình thành các vết nứt trong tấm đan ở gối tựa trung gian của các dầm liên tục Vì vậy trong thực tế giả thiết rằng lực cắt chỉ tiếp nhận bởi bản bụng của dầm thép, giống như tiết diện không phải là liên hợp Điều kiện bền của tiết diện khi chỉ chịu lực cắt này có dạng:

Vsd ≤ Vpl.Rd = Av (fy/ 3)γ a (2.16)

Trong đó sức bền dẻo Vpl.Rd được tính theo công thức:

Vpl.Rd = Av (fy/ 3)γ a (2.17)

với Av là diện tích của thép hình chịu cắt

Thí dụ, đối với thép I hoặc H tổ hợp hàn Av là diện tích của bản bụng; đối với thép hình I hoặc H cán thì một phần của bản cánh chỗ nối cong với bản bụng sẽ chịu một phần ứng suất cắt, khi đó Av sẽ được tính như sau:

Av = Aa2bftf + (tw + 2r)tf (2.18)

Trong đó r là bán kính cong nơi chuyển tiếp giữa cánh và bụng dầm

Thực tế công thức kiểm tra (2.24) chỉ dùng khi điều kiện ổn định cục bộ của các ô bản bụng đã được đảm bảo Khi bản bụng có sườn đứng bố trí cách nhau khoảng là

a thì ứng suất tiếp tới hạn được tính theo công thức:

2 2

2

12(1 )

τ

πτ