Nghiên cứu biện pháp thi công và phân tích các chỉ tiêu kinh tế khi chọn giải pháp kết cấu sử dụng vật liệu hỗn hợp composite

TÓM TẮT Luận văn nghiên cứu biện pháp thi công và phân tích hiệu quả kinh tế khi sử dụng kết cấu Composite để xây dựng công trình, mặt dù đã được sử dụng từ lâu trên thế giới nhưng chưa

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ VÀ QUẢN LÝ XÂY DỰNG

Mã Số Ngành: 80.58.90

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, Tháng 10 năm 2006

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS NGÔ QUANG TƯỜNG

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

Tp HCM, ngày 06 tháng 10 năm 2006

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN ĐOAN Phái: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 21-03-1980 Nơi sinh:QUẢNG NAM

Chuyên ngành: Công Nghệ Và Quản Lý Xây Dựng MSHV:00804202

I- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP THI CÔNG VÀ PHÂN TÍCH

CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ KHI CHỌN GIẢI PHÁP

KẾT CẤU SỬ DỤNG VẬT LIỆU HỖN HỢP COMPOSITE

II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/10/2006 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

Ngày tháng năm

TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Luận văn tốt nghiệp là quá trình tổng hợp các kiến thức đã học đi vào thực tế Để hoàn thành luận văn ngoài sự cố gắng của bản thân còn nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy hướng dẫn trong suốt quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn này Tôi xin chân thành biết ơn đến các thầy cô đã tận tình giảng dạy, truyền đạt nhiều kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường

• Thầy Hướng Dẫn TS Ngô Quang Tường – Chủ tịch Ngành Công Nghệ và Quản Lý Xây Dựng - Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

• Quý thầy cô Bộ Môn Thi Công, Khoa Xây Dựng - Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

• Quý thầy cô Ban Giám Hiệu, Phòng Đào Tạo Sau Đại Học - Trường Bách Khoa Tp.HCM

Xin chân thành cảm ơn đến Quý công ty Hilti (Khoan, cấy bulông), Blue

Scope Steel, JOONG ANG DESIGN Co., Ltd và POSCO Engineering (Nhà thiết kế và thầu chính công trình Diomond Plaza), CROWN SYSTEM (cung cấp phần mềm Primavera PERTMASTER)…các bạn đồng nghiệp và chung lớp đã chia sẽ kinh nghiệm và hỗ trợ trong quá trình thực hiện luận văn

Và cuối cùng, xin chân thành tri ơn đến gia đình, thân hữu đã quan tâm giúp đỡ và tạo điều kiện để hoàn thành tốt luận văn này

TP HCM, Tháng 10 năm 2006 Học Viên thực hiện Luận văn

Nguyễn văn Đoan

MỤC LỤC

TÓM TẮT 1

GIỚI THIỆU CHUNG 2

Chương 1: TỔNG QUAN 4

1.1 SƠ LƯỢT VỀ KẾT CẤU COMPOSITE VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG VẬT LIỆU KẾT CẤU CHO NGÀNH XÂY DỰNG Ở VIỆT NAM: 4

1.1.1 Sự phát triển nhà cao tầng trên thế giới và ở Việt Nam: 4

1.1.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến sự phát triển vật liệu kết cấu xây dựng [3] 4

1.1.3 Mối liên hệ giữa nhu cầu thị trường xây dựng và khoa học liên quan đến dự phát triển vật liệu kết cấu xây dựng [3] 5

1.1.4 Ưu nhược điểm của vật liệu đã sử dụng cho kết cấu nhà cao tầng truyền thống nước ta hiện nay 5

1.1.5 Giới thiệu cơ bản về kết cấu composite trên thế giới và ở Việtnam: 6

1.1.6 Ưu nhược điểm của kết cấu composite 9

1.1.7 Lợi ích kết cấu khi sử dụng kết cấu composite: 10

1.2 CƠ SỞ HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 11

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU: 12

1.4 GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU: 12

1.5 TỔNG QUAN VÀ ĐÓNG GÓP KỲ VỌNG CỦA NGHIÊN CỨU: 13

1.5.1 Tổng quan các vấn đề đã nghiên cứu: 13

1.5.2 Đóng góp kỳ vọng của nghiên cứu: 13

1.6 PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG CỤ NGHIÊN CỨU: 13

1.6.1 Phương pháp nghiên cứu: 13

1.6.2 Công cụ nghiên cứu: 14

Chương 2: THIẾT KẾ, CẤU TẠO KẾT CẤU COMPOSITE 15

2.1 Các định nghĩa về kết cấu composite: 15

2.1.1 Định nghĩa kết cấu composite thép –bêtông 15

2.1.2 Kết cấu composite dầm – bản: 15

2.1.3 Sàn composite thép bêtông: 16

2.2 TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO KẾT CẤU COMPOSITE 23

2.2.1 Tính toán tấm tôn được sử dụng như hệ coffa cho sàn composite trong thi công 23

2.2.2 Kết cấu composite dàn thép –bản BTCT: 28

2.2.3 Tính cấu kiện chịu uốn dầm – bản sàn composite 29

2.2.4 Tính cấu kiện theo điều kiện biến dạng (theo điều kiện sử dụng): 32

2.2.5 Cột composite thép – bêtông 33

2.2.6 Liên kết cột – dầm 41

2.2.7 Cấu tạo và tính toán chi tiết liên kết: 42

Chương 3: CÔNG NGHỆ THI CÔNG KẾT CẤU COMPOSITE 46

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG: 46

3.1.1 Công nghệ thi công khung nhà composite 46

3.1.2 Công nghệ thi công tại chỗ 46

3.1.3 Công nghệ thi công lắp ghép toàn phần 47

3.1.4 Công nghệ thi công bán lắp ghép 48

3.2 Quy trình thi công tại chỗ khung nhà composite .50

3.2.1 Lắp dựng cốt cứng 50

3.2.2 Treo buộc cốt cứng .52

3.2.3 Kỹ thuật lắp dựng cốt cứng 53

3.2.4 Lắp buộc cốt thép mềm cột composite (nếu có) 57

2.2.5 Lắp dựng hệ dầm thép và tấm tôn hình: 58

3.2.6 Lắp dựng dầm thép 58

3.2.7 Lắp dựng dầm chính liên kết với cột 60

3.2.8 Lắp dựng dầm phụ liên kết với dầm chính 65

3.2.9 Lắp dựng tấm tôn hình 66

3.2.10 Lắp dựng cốt thép sàn 77

2.2.11 Đổ bêtông cột, sàn composite 79

3.2.12 Đổ bêtông cột composite 79

Chương 4: PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ KINH TẾ KHI CHỌN GIẢI PHÁP COMPOSITE CHO KẾT CẤU CÔNG TRÌNH 86

4.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 86

4.1.1 Vấn đề chung 86

4.1.2 Phương pháp luận 86

4.1.3 Quan điểm phân tích dự án 86

4.1.4 Các phương pháp tài chính để đánh giá tài chính dự án khi chọn vật liệu thay thế:

87

4.1.5 Phân tích kinh tế trong trường hợp các phương án kết cấu khác nhau có xét dến

yêu tố thời gian 90

4.1.6 Cách tính hiệu quả rút ngắn thời gian xây dựng: 90

4.2 Phương pháp so sánh kết cấu .92

4.2.1 Phương pháp 1: Phương pháp sử dụng vài chỉ tiêu kinh tế tổng hợp 92

4.2.2 Phương pháp 2: Phương pháp sử dụng vài chỉ tiêu kinh tế tổng hợp với một hệ chi tiêu kinh tế kỹ thuật được gọi là chỉ tiêu cơ bản và chỉ tiêu phụ bổ sung .92

4.2.3 Phương án chấm điểm: 93

4.2.4 Phương pháp kết hợp dùng chỉ tiêu tổng hợp không đơn vị đo 95

4.3 TÌNH HUỐNG NGHIÊN CỨU ĐIỂN HÌNH: DỰ ÁN DIOMOND PLAZA 101

4.3.1 Các thông số chính của dự án: 101

4.3.2 Các thông số về tiêu chuẩn và kỹ thuật xây dựng 101

4.3.3 Tổng vốn đầu tư và nguồn vốn đầu tư 102

4.3.4 Giá bán và cho thuê 102

4.3.5 So sánh với phương án bêtông cốt thép thông thường 102

Chương 5: PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH TÁC ĐỘNG RỦI RO TIẾN ĐỘ DỰ ÁN XÂY DỰNG TỚI CHI PHÍ XÂY DỰNG KHI SỬ DỤNG GIẢI PHÁP KẾT CẤU COMPOSITE 106

5.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 106

5.1.1 Mục đích 106

5.1.2 Lập kế hoạch quản lý rủi ro 107

5.1.3 Nguồn gốc của rủi ro 108

5.2 Phương pháp phân tích rủi ro 108

5.2.1 Nhận biết rủi ro 108

5.2.2 Phân tích rủi ro 109

5.2.3 PHƯƠNG PHÁP PERT: 112

5.3 Phần mềm phân tích rủi ro tiến độ dự án bằng PERMASTER 115

5.3.1 Giới thiệu 115

5.3.2 Quy trình phân tích rủi ro tiến độ dự án bằng PERMASTER 117

5.4.1 Phân tích công trình sử dụng kết cấu Composite 117

5.4.2 Phân tích công trình sử dụng kết cấu BTCT thông thường 124

5.4.3 Nhận xét 127

Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 128

5.1 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU: 128

5.2 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 130

TÀI LIỆU THAM KHẢO 132

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1: Diamond Plaza công trình sử dụng kết cấu Composite ở Việt Nam 8

Hình 2: Kết cấu xây dựng composite 8

Hình 3 Các dạng kết cấu composite dầm – bản 15

Hình 4 Các dạng của tấm tôn dập nguội 17

Hình 5 Chi tiết nối các tấm tôn 18

Hình 6 Hệ dầm sàn bố trí dầm phụ giữa các cột 19

Hình 7 Hệ dầm sàn composite với dầm phụ và dầm chính .20

Hình 8 Hệ dầm sàn composite với hệ dầm giao nhau 21

Hình 9 Liên kết dầm chính, dầm phụ 21

Hình 10 Các lỗ mở ở bụng dầm cho hệ thống kỹ thuật đi qua .22

Hình 11 Tải trọng tác động lên tấm tôn hình 24

Hình 12 Chia tấm tôn thành các cấu kiện phẳng 26

Hình 13 Cấu kiện sườn R 27

Hình 14 Sơ đồ tính của cấu kiện composite 30

Hình 15 Bề rộng làm việc của tấm đan 31

Hình 16 Thể hiện các dạng cột khác nhau .33

Hình 17 Các dạng tiết diện ngang của cột composite 34

Hình 18 Chốt liên kết trong cột composite 34

Hình 19 Cấu tạo tiết diện cột bọc và nhồi bêtông 35

Hình 20 Biểu đồ thể hiện hệ số giảm bền và mảnh của cột .37

Hình 21 Biểu đồ khả năng chịu lực của tiết diện M và N 38

Hình 22 Mômen uốn 2 trục theo CSI-col 40

Hình 23 Liên kết dầm – cột composite 42

Hình 24 Các dạng liên kết chốt 43

Hình 25 Liên kết dầm thép và bản composite bằng chốt hàn có mũ 44

Hình 26 khung composite một phần được đúc sẵn 47

Hình 27 Treo cốt cứng ở đầu trên bằng quai treo .52

Hình 28 Dụng cụ treo buộc cột có chốt .53

Hình 29 Mối nối cốt cứng cột 54

Hình 30 Giằng cốt cứng cột 56

Hình 31: thi công phần cột composite 56

Hình 32 Cách treo buộc dầm thép 60

Hình 33 Mối nối bản xuyên liên kết dầm – cốt cứng cột 60

Hình 34 Cột chống đỡ dầm bằng thép ống 61

Hình 35 Mối nối bản tỳ liên kết dầm – cốt cứng cột 62

Hình 36 Mối nối bản đỡ hàn liên kết dầm – cốt cứng cột 63

Hình 37 Mối nối bản tai liên kết dầm – cốt cứng cột 64

Hình 38 Liên kết dầm chính – dầm phụ composite 65

Hình 39 Chống tạm trong thi công dầm phụ composite 66

Hình 40 Tôn được vận chuyển đến công trường 67

Hình 41 Treo buộc tôn sàn 68

Hình 42 Cột chống sàn trong trường hợp thi công sàn có cột chống 69

Hình 43 Lắp dựng tôn sàn 71

Hình 44 Nối tôn sàn 72

Hình 45 Liên kết giữa các tấm tôn sàn 72

Hình 46 Súng bắn vít bằng điện 73

Hình 47 Súng hơi áp suất trước 73

Hình 48 Chu trình hàn chốt bằng tia hồ quang bán tự động thi công chốt hàn (stud) liên kết dầm thép và sàn composite (phương pháp “Nelson” 1998) 75

Hình 49 Các trường hợp có thể xảy ra khi thi công chốt hàng 76

Hình 50 Thi công chốt hàn liên kết dầm và bản sàn composite 76

Hình 51 Cốt thép gia cường quanh lỗ mở 78

Hình 52 Hình dạng tấm tôn, chốt hàn và thép sau khi đã lắp đặt 78

Hình 53 Cấu tạo sàn composite 81

Hình 54 Hộp ván khuôn để thi công lỗ sàn 82

Hình 55 Đổ bêtông sàn 83

Hình 56 Hệ chống tạm để thi công sàn 84

Hình 57 Một số dạng sàn composite có thể xảy ra sau khi thi công xong 85

TÓM TẮT

Luận văn nghiên cứu biện pháp thi công và phân tích hiệu quả kinh tế khi sử dụng kết cấu Composite để xây dựng công trình, mặt dù đã được sử dụng từ lâu trên thế giới nhưng chưa phổ biến ở Việt Nam do nhu cầu về công nghệ, khả năng tài chính, vì vậy nghiên cứu này cần thiết thực tế nhu cầu cho ngành xây dựng trong tương lai ở các thành phố lớn Luận văn được chia thành các chương sau: Chương 1_ Giới thiệu tổng quan (Mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu,…); Chương 2_Thiết kế kết cấu composite; Chương 3_Nghiên cứu công nghệ thi công kết cấu composite; Chương 4_Phân tích hiệu quả kinh tế; Chương 5_ Phân tích và

so sánh tác động rủi ro tiến độ dự án xây dựng tới chi phí xây dựng khi sử dụng giải pháp kết cấu composite; Chương 6_ kết luận và kiến nghị

ABSTRACT

Abstract: This thesis to study an research of method statement and cost analysis for the most commonly used steel-and concrete in building which have been used on the world for high building but no popular in Vietnam because of as technology, cost…therefore the research is essential for civil engineering in city future The thesis as following: chapter 1_ introducing (background, study question, object,…); chapter 2_Design of composite construction; chapter 3_study construction methods for composite; chapter 5_ study analysis cost effect when used composite construction for building; Chapter 5_ analysis and compare impact of risk project to cost effect when used composite construction for building; chapter 6_Petition and conclusion petition

GIỚI THIỆU CHUNG

Xã hội đang bị cuốn vào dòng xoáy toàn cầu hoá, các hoạt động diễn ra với nhịp điệu nhanh chóng trong môi trường cạnh tranh khốc liệt; ngành xây dựng không đứng ngoài xu hướng trên, để đáp ứng nhu cầu cung cấp nhà ở, nhà văn phòng, trung tâm thương mại … cho đông đảo người tiêu dùng Các công ty đa quốc gia đang dịch chuyển dòng vốn đầu tư vào các thị trường địa ốc Cách xây dựng nhà theo phương pháp truyền thống thường khá lạc hậu, không còn phù hợp nữa Chính vì vậy, nhiều cố gắng tìm kiếm các công nghệ xây dựng hiện đại, cho phép công nghiệp hoá quá trình xây dựng nhà, giảm thiểu trọng lượng công trình, nhờ đó giảm tiêu hao vật liệu, nhân công xây lắp, vận chuyển, cải thiện điều kiện chống động đất gió bão, tăng khả năng cách âm, cách nhiệt, tăng tác dụng bảo vệ môi trường … đang được triển khai tại nhiều quốc gia [1]

Mặt dù nguồn vốn đầu tư nước ngoài đổ về TP.HCM ngày một tăng Ngay bản thân một số doanh nghiệp trong nước có tiềm lực về tài chính cũng chuyển vào đầu

tư các tòa nhà văn phòng, chung cư… nhưng trình trạng khan hiếm văn phòng, nhà

ở vẫn diễn ra trong thời gian gần nay, như vậy can có moat giải pháp công nghệ để triển khai thi công nhanh để đáp ứng nhu cầu trên, trong tổng chi phí công trình thì vật liệu và kết cấu xây dựng chiếm từ 70-80% vì vậy cần có một nghiên cứu để so sánh hiệu quả kinh tế của việc chọn kết cấu trong xây dựng công trình

[Tuổi trẻ chủ nhật 25-12-2005 –Bài: Tư nhân trong phát triển đô thị] đã nhận định: “cho tới nay bất cứ một dự án phát triển nhà ở cao tầng hay khu chung cư được coi là tử tế ở Hà Nội và TP.HCM đều có bóng dáng của các công ty nước ngoài” Các công trình có vốn đầu tư nước ngoài được xây dựng, nhiều công nghệ mới được đưa vào nhằm tăng hiệu quả kinh tế đầu tư Các nghiên cứu nhằm giảm chi phí, tối ưu tiến độ thi công, nâng cao chất lượng công trình … luôn đặt lên hàng đầu để giải quyết hiệu quả của dự án, trong đó có những công trình cần thời gian

thi công nhanh nhằm đưa vào sử dụng để tận dụng thời cơ kinh doanh, một giải

pháp cần được nghiên cứu là lựa chọn kết cấu thay thế nhằm giảm thời gian thi công

Nhà cao tầng kết cấu bêtông cốt thép và thép đã được xây dựng rộng rãi

trên thế giới và ở Việt Nam Song kết cấu bêtông cốt thép và kết cấu thép cũng có những nhược điểm của nó Khi thiết kế và thi công công trình, người thiết kế luôn mong muốn có được phương án kết cấu và lựa chọn được công nghệ thi công phù hợp, thỏa mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật, khả thi nhưng phải an toàn, kinh tế và thời gian thi công nhanh nhất Để khắc phục những nhược điểm và phát huy ưu điểm của kết cấu bêtông cốt thép và kết cấu thép trên thế giới đã ứng dụng kết cấu vật liệu composite bêtông-thép để xây dựng nhà cao tầng, siêu cao tầng để giải quyết vấn đề đó nhưng chưa phổ biến ở Việt Nam, mặt khác kết cấu này cũng tỏ ra ưu điểm cho mặt bằng thi công chật và an toàn khi thi công, ít ảnh hưởng đến môi trường …

Người ta đã thấy rằng những ưu điểm của của kết cấu Composite, nhờ vào việc đã ứng dụng nó vào xây dựng hàng loạt các công trình trên thế giới và ở Việt Nam bước đầu đã có vài công trình tại TP HCM và các khu công nghiệp đã áp dụng loại kết cấu loại này như: DIAMOND PLAZA, các công trình nhà công nghiệp …, công nghệ thi công kết cấu composite thép – bêtông vẫn còn mới Theo

xu hướng này, luận văn sẽ nghiên cứu vấn đề: “NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP THI

CÔNG VÀ PHÂN TÍCH CÁC CHỈ TIÊU KINH TẾ KHI CHỌN GIẢI PHÁP KẾT CẤU SỬ DỤNG VẬT LIỆU HỖN HỢP COMPOSITE”

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 SƠ LƯỢT VỀ KẾT CẤU COMPOSITE VÀ TÌNH HÌNH SỬ DỤNG

VẬT LIỆU KẾT CẤU CHO NGÀNH XÂY DỰNG Ở VIỆT NAM:

1.1.1 Sự phát triển nhà cao tầng trên thế giới và ở Việt Nam:

Ngày nay ở một số nước trên thế giới khối lượng xây dựng nhà cao tầng chiếm khoảng 30% đến 50% Nhà cao tầng là sự lựa chọn phù hợp đáp ứng các yêu cầu phát triển của đô thị

So với việc xây dựng nhà nhiều tầng thì giá thành xây dựng nhà cao tầng tính trên đơn vị diện tích xây dựng cao hơn khoảng 60%, thời gian xây dựng dài hơn Vì vậy việc chọn ra phương pháp thiết kế và thi công hợp lý sẽ góp phần đáng kể hạ giá thành, giảm thời gian xây dựng

Nhà cao tầng do số tầng nhiều, số lượng, chủng loại công tác cần thi công nhiều, lại đan xen lẫn nhau, số đơn vị và người tham gia thi công rất lớn nên việc quản lý, điều hành, xây dựng sẽ phức tạp và công tác an toàn càng cần phải giải quyết thật thấu đáo.Yêu cầu xử lý kỹ thuật xây dựng nhà cao tầng phức tạp, chặt chẽ, khoa học, chính xác (L.H.Hà – 2005)

1.1.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến sự phát triển vật liệu kết cấu xây dựng [3]

Các nhân tố ảnh hưởng đến sự phát triển vật liệu kết cấu trong xây dựng

Tốc độ phát triển kinh

tế xã hội

Tốc độ phát triển khoa học công nghệ

Điều kiện tự nhiên (nguồn tài nguyên cạn kiệt)

Nhu cầu của thị trường xây dựng

Yêu cầu về hiệu quả kinh tế của công trình xây dựng

Yêu cầu về kỹ thuật và tính hiện đại của công trình

Yêu cầu về bảo vệ môi trường

Sự phát triển tổng hợp của các khoa học liên quan đến vật liệu kết cấu xây dựng

Nhu cầu mới

về kỹ thuật

của các công

trình xây

dựng

Các nhân tố ảnh hưởng đến sự phát triển vật liệu kết cấu trong xây dựng

Tốc độ phát triển kinh

tế xã hội

Tốc độ phát triển khoa học công nghệ

Điều kiện tự nhiên (nguồn tài nguyên cạn kiệt)

Nhu cầu của thị trường xây dựng

1.1.3 Mối liên hệ giữa nhu cầu thị trường xây dựng và khoa học liên quan đến dự phát triển vật liệu kết cấu xây dựng [3]

1.1.4 Ưu nhược điểm của vật liệu đã sử dụng cho kết cấu nhà cao tầng truyền thống nước ta hiện nay

Vật liệu Kết cấu bêtông cốt thép Kết cấu thép:

tốt, giá thành xây dựng tương đối rẻ so với các kết cấu khác

Có cường độ chịu kéo, nén, uốn, cắt đều cao; là loại vật liệu nhẹ; độ chính xác chế tạo cao, lắp ráp nhanh, thích hợp với các nhà siêu cao tầng nhịp lớn

Nhược điểm: Bêtông là loại vật liệu

nặng dẫn đến tải trọng của nhà cao tầng sẽ lớn, gây khó khăn cho xử lý nền móng, thời gian thi công bị kéo dài

Giá thành cao (theo tài liệu của Trung Quốc, cao gần gấp đôi kết cấu BTCT) do phải dùng nhiều thép, ngoài ra loại vật liệu này dễ cháy, dễ bị gỉ dẫn đến bị phá hoại trong môi trường xâm thực, ẩm ướt, môi trường có chất ăn mòn

Khoa học về vật liệu mới

Khoa học về

thiết kế kết

cấu

Các khoa học có liên quan đến phát triển vật liệu kết cấu xây

Sự phát triển của vật liệu kết cấu thay thế

Khả năng tính toán nhờ sự hỗ trợ của máy

Tốc độ phát triển kinh tế-khoa học công nghệ của đất nước

Sự phát triển nhu cầu của thị trường xây dựng

1.1.5 Giới thiệu cơ bản về kết cấu composite trên thế giới và ở Việtnam:

Để khắc phục những nhược điểm của hai loại vật liệu trên, trên thế giới đã áp dụng kết cấu composite thép - bêtông trong lĩnh vực nhà cửa cao tầng và các dạng công trình công nghiệp Lịch sử phát triển của việc dùng kết cấu composite thép –bêtông gắn liền với lịch sử phát triển kết cấu bêtông cốt thép, vì thực chất loại kết cấu này là một cá biệt của kết cấu bêtông cốt thép Được cấu thành từ hai loại vật liệu thép-bêtông có chức năng khác nhau chịu lực khác nhau được liên kết với nhau để tăng khả năng chịu lực chung của kết cấu Trong thực tế xây dựng thường gặp các dạng kết cấu composite: cột, dầm-bản và sàn - bản

Việc hình thành các dạng kết cấu composite này bắt nguồn từ hai xuất phát điểm Xuất phát điểm thứ nhất bắt đầu từ ý định thay thế các cốt thép tròn bằng các dạng cốt thép khác gọi là cốt cứng, khi hàm lượng thép quá lớn hình thành nên kết cấu composite Xuất phát điểm thứ hai bắt đầu từ ý niệm muốn bao bọc kết cấu thép chịu lực bằng bêtông để chống xâm thực hoặc chịu lửa, hình thành nên kết cấu composite thép - bêtông Đây là một dạng kết cấu được loài người dùng từ hàng trăm năm nay và càng thấy có nhiều ưu việc cần thiết phải khai thác

Theo tổng kết của tiến sỹ Walte P.Moore tại hội nghị quốc tế về kết cấu composite năm 1987 tại Mỹ, lần đầu tiên kết cấu composite thép bêtông đã được dùng làm cầu Rock Rapids do một kỹ sư người Viên tên là Joset Melan thiết kế năm 1894 Cũng vào thời gian đó, ở Pitts Burgh người ta đã xây dựng một ngôi nhà mà các dầm sàn bằng thép bọc bêtông, sau đó vào năm 1897 xảy ra hỏa hoạn và người ta phát hiện ra rằng các dầm thép bọc bêtông không bị ảnh hưởng bởi lửa cháy, từ đó ý tưởng chịu lửa được đặt ra cho việc ứng dụng loại kết cấu này

Ở Châu Âu, việc dùng kết cấu composite thép – bêtông lúc đầu cũng xuất phát từ mục đích dùng bêtông bọc thép để chống ăn mòn và chịu lửa Theo tổng kết của giáo sư P.R.Knowles cho biết: từ những năm 1900 ở Anh đã xuất hiện kết cấu composite thép – bêtông, tuy nhiên lúc đầu người ta chưa biết tính toán, họ chỉ xem như phần thép chịu tải trọng, phần bêtông chỉ mang tính chất bảo vệ cho thép

Thời kỳ đầu các ứng dụng chủ yếu làm cầu, hoặc có một số ứng dụng làm sàn nhà theo kiểu bản bêtông dầm thép

Tại Nhật Bản, việc nghiên cứu kết cấu composite thép - bêtông cũng được quan tâm rất sớm Theo báo cáo của giáo sư Minoru Wakabayashi trường đại học tổng hợp Kyoto, tổng giám đốc liên đoàn nghiên cứu nhà cửa của Nhật Bản tại hội nghị quốc tế về kết cấu composite thép - bêtông tháng 6 năm 1987 tại Anh cho biết: kết cấu composite thép - bêtông xuất hiện ở Nhật Bản từ năm 1910, được ứng dụng rộng rãi làm nhà cao tầng Sau trận động đất năm 1923 ở Kanto, người Nhật phát hiện ra rằng kết cấu composite thép - bêtông dùng rất hiệu quả trong việc chống động đất Sau chiến tranh thế giới thứ hai, một vấn đề đặt ra với các kỹ sư Nhật là cần phải tìm ra một loại vật liệu nhẹ, chịu lửa tốt để làm nhà cao tầng thích ứng với nhịp độ xây dựng nhanh chóng Khi đó hàng loạt nhà cao tầng bằng thép được xây dựng và cũng từ đó vấn đề dùng bêtông để bọc thép được áp dụng rộng rãi Theo các kỹ sư Nhật, kết cấu thép bọc bêtông dùng hiệu quả cho các công trình có số tầng từ 5 đến 20 Ngay cả đối với các công trình thép có số tầng lớn hơn

20 thì các tầng từ 20 trở xuống đều được bọc bêtông tạo thành kết cấu composite Nói đến nhà cao tầng dùng kết cấu composite tiêu biểu ở Mỹ phải kể tới toà nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, tiểu bang Texas Nhà này được cấu tạo các mảng tường bêtông cốt thép toàn khối ở 4 góc nhà, giữa là các cột thép bọc

bêtông, các sàn dùng dầm thép đỡ bản sàn bêtông đổ tại chỗ gắn liền với ván khuôn thép cố định

Ở Việt Nam, công nghệ kết cấu composite lần đầu tiên được sử dụng tại công trình Diomand Plaza và một số công trình ở khu công nghiệp: như nhà máy kem PS

ở KCN Củ Chi, nhà máy dệt Hansoll ở KCN Sóng Thần …

Hình 1: Diamond Plaza công trình sử dụng kết cấu Composite ở Việt Nam

Hình 2: Kết cấu xây dựng composite

1.1.6 Ưu nhược điểm của kết cấu composite

1 Khả năng chống ăn mòn của thép được tăng cường Điều này càng có ý nghĩa đối với công trình xây dựng ở vùng khí hậu có độ ẩm cao, công trình ven biển, các cấu kiện bị tiếp xúc với môi trường ăn mòn

2 Khả năng chịu lửa tốt Đối với cấu kiện được bọc bêtông, khả năng chịu lửa của thép được đảm bảo tốt hơn là thép bọc ngoài

3 Tăng độ cứng của kết cấu Điều này thấy rõ đối với các cột composite thép – bêtông kể cả bọc ngoài hay nhồi trong đều làm giảm độ mảnh của cột thép làm tăng khả năng ổn định cục bộ cũng như tổng thể của thép

4 Khả năng biến dạng lớn hơn kết cấu bêtông cốt thép, đó là ưu điểm lớn trong việc chịu tải trọng động đất Nhận định này đã được khảo sát kỹ ở Nhật Bản

5 Có thể tạo kết cấu ứng lực trước trong khi thi công, tăng hiệu quả sử dụng vật liệu, nhất là vật liệu cường độ cao

6 Có thể dễ dàng dùng phương pháp thi công hiện đại (phương pháp thi công ván khuôn trượt, thi công lắp ghép) làm tăng tốc độ thi công, sớm đưa công trình vào sử dụng

7 Có thể đạt hiệu quả kinh tế cao

• Xây dựng nhanh hơn, trung bình 200 m2/giờ, được đặt bởi cần trục và thợ thủ công Thời gian xây dựng giảm một cách đáng kể

• Chất lượng bêtông rất đảm bảo vì cùng coffa tôn do đó giảm đáng kể tình trạng mất nước của bêtông

• Loại trừ công việc truyền thống, công việc truyền thống thủ công sẽ được thay thế

• Cấu trúc nhẹ hơn: làm giảm lượng bêtông và tiết kiệm chi phí móng

• So với kết cấu bêtông cốt thép thông thường thì lượng thép dùng trong kết cấu composite lớn hơn, nhưng đôi khi chưa hẳn đã đắt hơn Nếu đánh giá hiệu quả kinh tế một cách toàn diện, có thể chi phí vật liệu cao hơn nhưng bù lại bởi tốc độ thi công nhanh, sớm quay vòng vốn thì rất có thể công trình sẽ rẻ hơn Một số ví dụ điển hình được tác giả R.P Johnson cho biết như sau: năm 1974 khi xây

dựng một nhà làm việc 29 tầng ở London, người ta đã đổi từ việc dùng kết cấu bêtông cốt thép thông thường sang dùng kết cấu composite thép - bêtông, thi công lõi cứng bằng ván khuôn trượt trên hệ khung thép Sàn được lắp ghép sau đó đổ tại chỗ lớp trên Lúc đó phương án dùng kết cấu composite đắt hơn phương án dùng kết cấu bêtông cốt thép thông thường nhưng thay vào đó thời gian thi công đúng ra 27 tháng rút xuống còn 8 tháng Chắc chắn rằng nếu đánh giá tổng giá trị thì sẽ đạt hiệu quả kinh tế cao hơn

1.1.7 Lợi ích kết cấu khi sử dụng kết cấu composite:

Bước cột lớn tạo không

n rộng (nhịp sàn lớn)

Bố trí mặt bằng rất linh hoạt dễ dàng thay đổi công năng phòng ốc, khu vực hoạt động mà vẫn giữ được thẩm mỹ kiến trúc

Tăng diện tích sàn kinh doanh

Dùng kết cấu composite[1]

Trọng lượng bản thân sàn

nhẹ hơn so với sàn BTCT Tiết kiệm vật liệu cho các cấu kiện chịu lực đứng

Giảm chi phí nền móng (đôi khi làm thay đổi phương án móng về hướng tiết kiệm hơn và khả thi hơn)

Dùng kết cấu composite[3]

Chu kỳ thi công sàn mỗi

tầng nhanh hơn

Dễ thi công, tiết kiệm thời gian

Giảm số lượng cây chống

coffa Chỉ cần chống tại

vị trí cần thiết

Đơn giản thiết kế và lắp dựng

Tiết kiệm cây chống, coffa Tiết kiệm rất nhiều thời gian nhờ tạo mặt bằng, không gian rộng và thoáng cho thi công công tác hoàn thiện tiếp theo như xây tô, lắp đặt đường ống M&E, hoàn thiện … được thực hiện sớm, kết thúc nhanh phần xây lắp của dự án

Dùng kết cấu composite [2,

3, 4]

Dùng kết cấu composite [5], [6]

[1] Kết cấu composite cho phép vượt nhịp lớn

[2] Với cùng một chiều dài nhịp, dùng kết cấu Composite sẽ tiết kiệm bêtông hơn

[3] Nếu một phần lớn tải trọng được chịu bởi cốt thép tấm tôn sàn, cốt thép thường còn lại có thể sử dụng lưới thép hàn đơn giản gia công và lắp dựng trên diện rộng [4] Kết cấu composite cho phép công tác lắm dựng tấm tôn làm coffa vô cùng đơn giản và được điển hình hóa cao

[5] Nhờ việc cấu tạo thép tại các nút khung / nút liên kết nhờ đó giúp rút ngắn thời gian thi công

[6] Thông thường đối với một sàn kết cấu composite (ví dụ: sàn lầu 5), tĩnh tải của chính sàn đó đã được cân bằng (chịu bởi) tấm tôn của sàn đó Do đó chỉ có phần bêtông tươi (chưa đông cứng) của sàn tầng đang thi công bên trên (sàn lầu 6) là gây ứng suất uốn cho sàn lầu 5 Vì vậy chỉ cần chống thêm coffa đỡ sàn lầu 5 là đủ Do đó, kể từ sàn lầu 3 trở xuống không cần chống coffa nữa

1.2 CƠ SỞ HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Từ trước đến nay chất lượng, thời gian và chi phí luôn là bài toán đặt ra của nhà đầu tư Để có một dự án thành công trong tình hình xây dựng như hiện nay thì giải pháp thay kết cấu truyền thống bằng vật liệu composite thép-bêtông là sự lựa chọn cần thiết và một trong những giảp pháp nhằm đẩy nhanh tiến độ và nâng cao chất lượng công trình, sự kết hợp giữa vật liệu thép và bêtông mặt dù khác nhau về bản chất nhưng hai vật liệu này hỗ trợ cho nhau đạt hiệu quả kinh tế cao So với kết cấu bêtông cốt thép thì lượng thép dùng trong kết cấu composite có thể lớn hơn, nhưng đôi khi chưa hẳn đã đắt hơn Nếu đánh giá hiệu quả kinh tế một cách toàn diện, có thể chi phí vật liệu cao nhưng bù lại bởi tốc độ thi công nhanh, sớm đưa công trình vào sử dụng như vậy sẽ nhanh thu hồi vốn thì công trình có thể rẻ hơn Thông qua các công trình đã thiết kế và các số liệu thống kê ta thấy chọn giải pháp kết cấu composite với biện pháp thi công hợp lý, tính toán đơn giá vật liệu và thi công từ đó ta thấy sự nghiên cứu về giải pháp công nghệ thi công và phân tích và đánh giá hiệu quả kinh tế khi lựa chọn giải pháp kết cấu này cho công trình là cần thiết trong điều kiện hiện nay tại Việt Nam

Các công trình lớn sử dụng kết cấu composite với nhiều lợi thế, giá thành hợp lý, công trình vượt được khẩu độ lớn thi công nhanh Để có công trình composite đòi hỏi

phải có công nghệ thi công composite Đây là công nghệ đáp ứng được đòi hỏi yếu tố kỹ thuật cao, độ chính xác lớn, trình độ công nhân lành nghề, quy trình kiểm tra nghiêm ngặt Vì vậy một nghiên cứu đầy đủ là nhu cầu cần thiết cho nhà đầu tư, đơn

vị tư vấn thiết kế và thi công

Dự án xây dựng thường phức tạp với sự tác động nhiều từ yếu tố bên ngoài như: thời tiết, giá vật tư, thay đổi văn bản nhân sự ảnh hưởng đến tiến độ dự án, không dự đoán được khối lượng và nhân lực Việc nhận định rủi ro và tìm cách giảm rủi ro của tiến độ dự án xây dựng cho một giải pháp công nghệ mới là việc rất quan trọng, không những ảnh hưởng thành công của dự án mà còn ảnh hưởng đến uy tín các bên tham gia xây dựng

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU:

Mục tiêu đề tài cần đạt được là:

- Phân tích các hình thức cấu tạo, liên kết, sự làm việc của kết cấu composite và các trường hợp và cách sử dụng kết cấu composite

- Đưa ra một số giải pháp thi công phù hợp với điều kiện Việt Nam (thiếu công nghệ, công nhân lành nghề, nhu cầu những công trình thi công nhanh để đưa vào sử dụng để thu hồi vốn…)

- Thông qua nghiên cứu biện pháp thi công cho kết cấu composite từ đó nghiên cứu vấn đề liên quan việc thi công kết cấu, tìm ra giải pháp thi công phù hợp và hiệu quả

- Phân tích các chỉ tiêu kinh tế khi cần thay đổi giải pháp kết cấu, so sánh với tính toán hiệu quả khi rút ngắn thời gian thi công từ đó rút ra những ý kiến đề xuất

- Thiết lập mô hình định lượng rủi ro tiến độ và chi phí dự án xây dựng bằng PRIMAVERA PERTMASTER từ đó xác định mức độ chậm trễ tiến độ

1.4 GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU:

Do thời gian giới hạn, phần luận văn sẽ nghiên cứu như sau:

- Nghiên cứu công nghệ thi công composite đổ tại chỗ đã được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực: kết cấu công trình dân dụng & công nghiệp

- Nghiên cứu khả năng chịu lực của khung dầm, cột

- Nghiên cứu biện pháp thi công và sự làm việc của kết cấu composite

- Nghiên cứu phân tích các chỉ tiêu kinh tế khi thay đổi giải pháp kết cấu, nghiên cứu sẽ không đi sâu vào phân tích độ nhạy về tài chính và mô phỏng đầu tư tài chính của dự án

1.5 TỔNG QUAN VÀ ĐÓNG GÓP KỲ VỌNG CỦA NGHIÊN CỨU:

1.5.1 Tổng quan các vấn đề đã nghiên cứu:

a Đối với nghiên cứu trong nước:

- Chưa có quy phạm chỉ dẫn thiết kết kết cấu, chưa có nghiên cứu nào về giải pháp công nghệ thi công và phân tích hiệu quả kinh tế và phân tích rủi ro tiến độ kết cấu composite

b Đối với nghiên cứu ngoài nước:

- Năm 1996, Bhatti đã thiết kế tối ưu giá thành dầm composite dùng LRFD

- Đã có rất nhiều ứng dụng công nghệ thi công và giá thành kết cấu composite nhưng chưa phù hợp và phổ biến với điều kiện ở Việt Nam

1.5.2 Đóng góp kỳ vọng của nghiên cứu:

- Nghiên cứu công nghệ thi công và phân tích hiệu quả kinh tế từ đó sẽ góp phần vào việc phát triển sử dụng kết cấu composite ở Việt Nam

- Giúp cho nhà đầu tư, đơn vị tư vấn, thiết kế hoặc nhà sản xuất có nhiều điều kiện lựa chọn giải pháp kết cấu composite phù hợp với dự án đầu tư

1.6 PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG CỤ NGHIÊN CỨU:

1.6.1 Phương pháp nghiên cứu:

Là nghiên cứu ứng dụng và dự báo, dựa trên các nghiên cứu trước đây Qua nghiên cứu và tham khảo các tài liệu trong và ngoài nước cùng với quá trình tham gia công việc đánh giá chọn phương án kết cấu khi thiết kế công trình Tuy kết cấu composite không phải là kết cấu mới nhưng việc sử dụng công nghệ tiên tiến thì hiện

nay chúng ta đang hụt hẫng một khoảng thời gian khá xa so với các nước tiên tiến Vì vậy việc nghiên cứu đề xuất một cách hệ thống công nghệ thi công là việc mới mẻ và không đơn giản Nghiên cứu mang tính tổng hợp: từ nhiều nguồn từ liệu liên quan và từ yêu cầu thực tế của công việc

1.6.2 Công cụ nghiên cứu:

- Các phương pháp phân tích định tính, định lượng kết hợp tham khảo số liệu các công trình thực tế, tạp chí chuyên ngành, tài liệu từ internet …

- Theo dõi quá trình thi công thực tế kết cấu composite so sánh với lý thuyết đã nghiên cứu

- Phân tích rủi ro dự án nhờ sự trợ giúp của phần mềm phân tích rủi ro chuyên nghiệp PERTMASTER

Chương 2: THIẾT KẾ, CẤU TẠO KẾT CẤU COMPOSITE

2.1 Các định nghĩa về kết cấu composite:

2.1.1 Định nghĩa kết cấu composite thép –bêtông

Kết cấu “composite” thường dùng để chỉ loại kết cấu cấu thành từ hai hay nhiều cấu kiện có chức năng chịu lực khác nhau được liên kết với nhau để tăng khả năng chịu lực chung của kết cấu Trong thực tế xây dựng thường gặp dạng composite dầm – bản, cột composite hỗn hợp giữa thép và bêtông

2.1.2 Kết cấu composite dầm – bản:

- Hệ sàn composite dầm thép– tấm thép: Dầm thép đặt theo một hoặc hai phương, bản sàn bằng thép tấm đặt trên mặt dầm, bản sàn liên kết với dầm thép bằng hàn hoặc bulông

Hình 3 Các dạng kết cấu composite dầm – bản

- Hệ bản bêtông cốt thép gác lên dầm thép tạo thành hệ composite hai loại vật liệu thép–bêtông

- Để giảm bớt hoặc không dùng tới cốp pha, tăng tốc độ thi công công trình, tính kinh tế cao, nhiều công trình trên thế giới đã sử dụng hệ sàn composite thép – bêtông có sử dụng tấm tôn dập nguội Như vậy sàn composite gồm tấm tôn hình dập nguội và

tấm đan bêtông Sự phát triển nhanh chóng của việc sử dụng hệ thống sàn này ở Anh gần đây đã chứng minh những ưu điểm nổi bật mà nó đạt được

2.1.3 Sàn composite thép bêtông:

a Đặc điểm chung:

- Tấm tôn dập nguội có tác dụng như một ván khuôn vĩnh cửu cho sàn bêtông đúc tại chỗ, vì vậy không cần thiết phải lắp dựng và tháo dỡ ván khuôn, điều này đã tiết kiệm được nhiều thời gian và nhân lực thi công

- Tấm tôn khi lắp dựng sẽ tạo ra ngay một sàn thao tác và đỡ các tải trọng trong quá trình thi công Vì không cần cốp pha đỡ nên các công tác hoàn thiện có thể được thực hiện trên sàn ngay dưới một sàn đang thi công

- Tấm tôn có vai trò như cốt thép chịu kéo, vì vậy giảm bớt thời gian lắp đặt cốt thép sàn (khi môi trường xung quanh có tính ăn mòn thì không nên xét đến khả năng này)

- Hình dáng hình học của sàn có thể dẫn tới kết quả là giảm 30% lượng bêtông, kết quả là tiết kiệm vật liệu, hơn nữa lại giảm đáng kể trọng lượng bản thân sàn, làm giảm nhẹ hơn tổng trọng lượng của các kết cấu phần trên và giảm tải cho móng

- Hình dáng sóng của tấm tôn cho phép tạo ra các ô dẫn trong sàn, các đường ống có thể kết hợp và phân bố trong chiều sâu ô này Điều này đã làm tăng chiều cao hiệu dụng cho mỗi tầng và giảm chiều cao toàn nhà

- Vì sàn thép được tạo ra từ các tấm thép mỏng, chúng rất nhẹ và thuận lợi trong việc lắp đặt, thêm nữa hàng trăm m2 sàn có thể chuyên chở đến công trường chỉ bằng một xe tải

Hình dáng của tấm tôn thép được tạo nên sao cho có được một sự liên kết tốt nhất giữa tôn và tấm đan bêtông Sự liên kết này là yếu tố quan trọng trong sự làm việc của sàn composite Sàn composite truyền tải trọng theo hướng các sườn tới các dầm

Hình 4 Các dạng của tấm tôn dập nguội

Chiều dày của sàn composite dao động từ 10 đến 40 cm; nhịp của sàn giữa các gối từ 2 đến 4m khi không có các thanh chống tạm khi đổ bêtông và có thể tới 7m khi có thanh chống tạm

Chiều dày của tôn dùng từ 0,75mm đến 1,5mm Thông thường dùng từ 0,75mm đến 1mm Chiều cao thông thường của mặt cắt từ 38 đến 80mm Tôn thường được sản xuất thành từng tấm có bề rộng từ 0,6 đến 1m (2 đến 3 ft) và chiều dài có thể lên đến 12,8m (42 ft) Để chống ăn mòn, các tấm tôn được mạ kẽm trên

2 mặt

Các tấm tôn được xếp cạnh nhau tạo thành một hệ cốp pha cho sàn trong quá trình thi công, chúng được liên kết với nhau theo một số cách như sau:

Hình 5 Chi tiết nối các tấm tôn

b Cách sử dụng hệ dầm sàn composite sử dụng trong công trình

Hệ dầm sàn composite bao gồm sàn composite và dầm thép Sàn composite đổ trên tôn sóng bằng thép đóng vai trò như cốp pha và làm cốt thép dưới cho sàn Sàn composite (Bêtông + tôn hình) truyền lực xuống hệ chịu lực (hệ dầm), sau đó lực được truyền xuống hệ cột

Hình dạng tôn sóng (dạng tiết diện và dạng gờ) được chế tạo sao cho đảm bảo liên kết giữa tôn và bêtông (đã phân tích ở trên) Liên kết này là yếu tố chủ yếu đảm bảo sự làm việc của sàn composite Chốt hàn làm tăng liên kết giữa tôn và dầm nhưng chỉ liên quan về mặt cơ học đến liên kết của dầm composite

Hình 6 trình bày hệ dầm sàn composite đơn giản nhất Sàn composite tựa trên các dầm phụ bằng thép đặt song song với nhau, dầm phụ tựa trực tiếp lên cột Trong các công trình nhà có bước cột nhỏ, dầm tựa trực tiếp lên cột Khoảng cách giữa các cột từ 1,5m đến 3m

Hình 6 Hệ dầm sàn bố trí dầm phụ giữa các cột

Ngược lại khi bước cột lớn, cần bố trí các dầm chính theo biên (hình 7) Hệ này phù hợp với công trình có diện tích sàn lớn với các phòng có bề rộng từ 10m đến 12m

Hình 7 Hệ dầm sàn composite với dầm phụ và dầm chính

Một loại hệ dầm sàn khác là bố trí các dầm thép giao nhau (hình 7) Dầm chính liên tục trên hai hoặc ba nhịp trong khi dầm phụ bị ngắt nhịp tại các vị trí giao với dầm chính Do dầm phụ không liên tục, hệ dầm sàn này có số lượng liên kết lớn Sàn composite truyền lực theo phương của sườn đến các dầm phụ, dầm phụ

truyền lực đến dầm chính Dầm phụ có thể coi như dầm composite nếu có liên kết giữa sàn composite và dầm thép, trong trường hợp này ta phải sử dụng chốt hàn Dầm chính có thể được coi là dầm composite nếu có liên kết giữa dầm thép và sàn bêtông Tấm tôn sóng được bố trí theo hai phương:

- Phương của sườn vuông góc với dầm phụ Đó là cách bố trí cho phép phân bố nội lực tốt nhất giữa các cấu kiện và có độ cứng tổng thể lớn nhất

- Phương của sườn song song với dầm phụ Cách bố trí này không có lợi vì sự chịu lực của dầm phụ và của sàn sẽ chồng chéo nhau trong khi độ cứng lại nhỏ

Hình 8 Hệ dầm sàn composite với hệ dầm giao nhau

Nói chung các liên kết giữa dầm phụ và dầm chính được cấu tạo để đảm bảo chỉ truyền lực cắt; nhưng cũng có khi được cấu tạo để có thể truyền được mômen Tại vùng liên kết dầm phụ – dầm chính cần chú ý đến cốt thép bố trí trong sàn có thể làm cho liên kết giống với liên kết ngàm nếu cốt thép được bố trí liên tục

Hình 9 Liên kết dầm chính, dầm phụ

Các công trình xây dựng hiện đại ngày càng yêu cầu không gian để bố trí các đường kỹ thuật phức tạp và nặng nề: sưởi ấm, thông gió, vệ sinh, điện … Trong ví

dụ về hệ dầm sàn liệt kê ở trên, các đường ống và các hộp kỹ thuật sẽ đi qua các lỗ mở ở bụng của dầm, điều này dẫn đến cần có thêm những kiểm tra và thường là phải bố trí các sườn gia cường, đồng thời chi phí sẽ tăng lên

Hình 10 Các lỗ mở ở bụng dầm cho hệ thống kỹ thuật đi qua

Nếu các đường kỹ thuật cồng kềnh, ta có thể sử dụng hệ dầm ghép và các đường ống kỹ thuật đi qua phần rỗng tạo bởi hệ dầm ghép này Chiều cao toàn bộ của hệ dầm sàn này rất lớn nếu so với các hệ ở trên; kết quả là dầm ghép rất ít

được sử dụng trong nhà nhiều tầng Trong thực tế, khi các đường dây không nhiều người ta có thể cho chúng chạy trong các rãnh của tôn sàn Ngày nay hầu hết các nhà cao tầng đều có sử dụng trần giả, vì vậy nếu các hệ thống kỹ thuật phức tạp, chúng sẽ được lắp đặt dưới đáy dầm, trần giả sẽ che đậy toàn bộ hệ thống dầm sàn và hệ thống kỹ thuật đó

2.2 TÍNH TOÁN VÀ CẤU TẠO KẾT CẤU COMPOSITE

2.2.1 Tính toán tấm tôn được sử dụng như hệ coffa cho sàn composite trong thi công

Trong quá trình đổ bêtông, khi chỉ có tấm tôn chịu lực, tấm tôn làm việc với vai trò là coffa cho lớp bêtông lỏng Cần kiểm tra tấm tôn theo trạng thái giới hạn về cường độ (ELU) và trạng thái giới hạn về sử dụng (ELS) Sự kiểm tra tấm tôn được thực hiện theo những tiêu chuẩn liên quan tới kết cấu mỏng, cần kể tới hiệu ứng của sự nhám bề mặt đối với cường độ và đặc trưng của tiết diện, phải được tiến hành đúng theo phần 1.3 của Eurocode 3 "Tính toán kết cấu bằng thép, tôn định hình và các cấu kiện thành mỏng cán nguội" Tấm tôn làm việc như là ván khuôn chịu tải bêtông tươi và tải trọng thi công Nếu kiểm tra tấm tôn không thoả mãn 2 điều kiện trên thì phải có cột chống cho tấm tôn trong quá trình đổ bêtông

a Tải trọng tác dụng:

* Đối với tấm tôn sử dụng như hệ ván khuôn phải kể tới các tải trọng sau: + Trọng lượng bản thân của bêtông và tấm tôn định hình bằng thép

+ Tải trọng do chất vật liệu (nếu có)

+ Hiệu ứng tăng bề dầy của bêtông để bù vào độ võng của tôn (ở vùng có võng): phụ thuộc vào cách bố trí dàn giáo, cọc chống trong biện pháp thi công + Tải trọng trong quá trình thi công gồm trọng lượng của công nhân, các thiết

bị thi công, các tác động va đập xảy ra trong quá trình thi công

Theo EC4, trong một vùng bất kỳ có kích thước là 3x3m (khi nhịp của ô sàn nhỏ hơn 3m thì lấy cả nhịp) thì tải trọng thi công có thể lấy bằng 1,5kN/m2 (tải trọng tiêu chuẩn); trong các vùng còn lại, giá trị hoạt tải tiêu chuẩn là 0,75kN/m2

Các hoạt tải này được bố trí với mục đích sao cho chúng sẽ gây ra mômen uốn và/hoặc lực cắt lớn nhất

Các tải trọng như chất đống bêtông quá mức, tải trọng của máy bơm, sự vận chuyển các đường ống … đều có giá trị nhỏ nên không cần thiết phải đưa vào tính toán … Nếu cần thiết, tính toán phải xét đến cả tải trọng phụ thêm nhưng phải được bố trí hợp lý Hình 11 mô tả tải trọng tác động lên tấm tôn hình

b b

b

b

Hình 11 Tải trọng tác động lên tấm tôn hình

a Tải trọng thi công 1,5 kN/m2

b Tải trọng thi công 0,75 kN/m2

c Trọng lượng bản thân

b Xác định nội lực:

Để xác định nội lực, EC4 đưa ra phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính Sở

dĩ như vậy vì tôn sóng là cấu kiện thành mỏng (loại tiết diện 4) bị mất ổn định cục bộ ngay trong giai đoạn làm việc đàn hồi Nội lực tại các tiết diện có thể được xác định khi xem độ cứng là không đổi dọc theo chiều dài tấm tôn và bỏ qua sự thay đổi độ cứng do mất ổn định cục bộ thành của tấm tôn tại vùng chịu nén Momen quán tính được tính với toàn bộ tiết diện ngang của tấm tôn Sự đơn giản hoá này chỉ được áp dụng khi phân tích tổng thể để xác định nội lực

c Kiểm tra tiết diện tôn sóng khi thi công ở trạng thái giới hạn về cường độ

Kiểm tra tôn sóng theo trạng thái giới hạn về cường độ có thể xem các chỉ dẫn

ở chương 4 phần 1.3 của EC3

- Đối với các gối biên ta phải kiểm tra 2 điều kiện : VSd ≤ Vw.Rd và RSd ≤ Ra.Rd

- Đối với các nhịp giữa, ta phải kiểm tra điều kiện: MSd ≤ Md

- Đối với các gối giữa, ta phải kiểm tra 2 điều kiện:

1

V

V M

Rd w Sd 2

M

Rd a

Sd Rd

W f M

γ

Với:

Weff - môđun chống uốn của tiết diện hiệu quả của tấm tôn định hình

fy - giới hạn đàn hồi của tấm tôn

γm - hệ số an toàn từng phần áp dụng đối với thép và các tấm tôn định hình

- Cường độ chịu cắt tại gối:

M

w w Rd w

t S V

γ

τ

Với:

τw - ứng suất hiệu quả chịu cắt

Sw - chiều dài thực tế của bản bụng

t - chiều dày hiệu quả của bản bụng w

λ - độ mảnh của bản bụng

- Cường độ tại gối:

m

2 a

y

2 i Rd

.

a

1 90 24 t

L 02 , 0 5 , 0 t

r 1 , 0 1 E f t.

d Kiểm tra tính hiệu quả của các tiết diện của tôn sóng

Với cấu kiện thành mỏng, vấn đề ổn định của tiết diện chịu nén là quan trọng Đối với những cấu kiện chịu nén, do vấn đề ổn định cục bộ, ta sử dụng khái niệm bề rộng hiệu quả là không hoàn toàn của toàn bộ bề rộng Trường hợp chất tải khi thi công là một trong những trường hợp tải nguy hiểm Tấm tôn là cấu kiện thành mỏng phải chịu tải trọng thi công và trọng lượng bêtông tươi

Với tấm tôn sóng trên, ta có thể chia ra làm nhiều phần có bề rộng bpi Đối với mỗi thành (vách) chịu nén chỉ kể đến chiều rộng hiệu quả beff = ρbpi , với ρ là

hệ số giảm chiều rộng của tiết diện Các thành (vách) chịu kéo là hoàn toàn hiệu quả

Toàn bộ tiết diện hiệu quả Aeff là tổng của các tiết diện hiệu quả thành phần và mômen quán tính hiệu quả Ieff cũng là tổng của các mômen quán tính thành phần của tấm tôn định hình

Hình 12 Chia tấm tôn thành các cấu kiện phẳng

* Tính toán các tiết diện hiệu quả:

Hệ số ρ có được nhờ vào các công thức sau trong trường hợp các thành mỏng (vách hay sườn của tiết diện của tấm tôn định hình) chịu ứng suất phân bố đều σc Trong các trường hợp khác được đề cập đến trong phần 1.3 - Eurocode 3

Trong đó:

σc - ứng suất nén hiệu quả trên tiết diện hiệu quả, bằng tính toán ban đầu với toàn bộ tiết diện, qua các vòng lặp liên tục cho đến khi đạt được tiết diện hiệu quả σcom - ứng suất nén tính toán hiệu quả được tính trên tiết diện hiệu quả

σcom = σc γM (2-5)

kσ - hệ số ổn định, lấy bằng 4,0 theo nghiên cứu lý thuyết

Ta bắt đầu bằng cách tính độ mảnh của vách đang xét dưới tác dụng của ứng suất nén σc và độ mảnh cho phép tương ứng với giới hạn đàn hồi fy

σ

σλ

Ek t

b 052 ,

b 052 ,

Tiếp theo ta sẽ tính toán các hệ số hiệu quả của vách theo hàm của λpd và λpu:

6 , 0 18 , 0 1 22 , 0 1

pu

pd pu pd

− +

λ

ρ không được lớn hơn 1 Và ρ = 1 nếu λpd≤ 0,673 (vách hoàn toàn hiệu quả)

* Cấu kiện sườn:

Một cấu kiện sườn R được mô tả trong hình 13 chỉ được coi như là tách riêng biệt với vách khi nó đủ cứng và đủ hiệu quả Để kiểm soát độ cứng một cách đơn giản, người ta sử dụng công thức:

2 y s 2 s

s

t

b E

f )

A (

Is - Mômen quán tính của sườn

As - Diện tích hiệu quả của sườn

ηs = 0,016

bo - chiều rộng lớn nhất của một trong hai vách liền kề

As và Is được tính toán dựa vào tiết diện của sườn cộng với 2 nửa chiều rộng hiệu quả của mỗi cạnh sườn

Trong trường hợp điều kiện trên không được đảm bảo, ta phải tính gộp cả hai vách hai bên sườn cứng

beff 1.2 beff 2.2

Hình 13 Cấu kiện sườn R

Chú ý: Tiết diện tính toán (tiết diện thực) phải được tính như sau:

- Tiết diện thực tính theo bề dày thực của tôn bằng cách trừ đi bề dày của phần mạ kẽm

- Tiết diện thực của các sườn cứng ngang

- Tiết diện hiệu quả sau khi trừ đi phần mất ổn định cục bộ, như đã tính ở trên, đối với những tiết diện chịu nén

e Kiểm tra tôn sóng khi thi công ở trạng thái giới hạn về sử dụng

Việc tính toán độ võng được thực hiện với momen quán tính hiệu quả của tiết diện hiệu quả của tôn như trình bày ở mục trước Độ võng của một tấm tôn chịu tải trọng phân bố đều được tính theo công thức:

eff

4 EI

1 pL 384

5 k

Trong đó: L – Nhịp của tôn, bằng khoảng cách giữa 2 gối

Hệ số k lấy như sau:

k = 1,00 nếu tôn tựa trên 2 gối

k = 0,41 nếu tôn có 2 nhịp bằng nhau (3 gối)

k = 0,52 nếu tôn có 3 nhịp bằng nhau

k = 0,49 nếu tôn có 4 nhịp bằng nhau Theo EC4, dưới trọng lượng bản thân tôn cộng với trọng lượng bêtông ướt, nhưng loại trừ tải trọng thi công, độ võng cho phép của tôn phải nhỏ hơn hoặc bằng

Độ võng sẽ giảm đi rất nhiều nếu dùng các thanh chống tạm thời, các thanh chống này được coi như các gối tựa

2.2.2 Kết cấu composite dàn thép –bản BTCT:

Kết cấu tạo thành từ các dàn thép các panen gác lên dàn và được hàn chân với thanh cánh trên sau đó chèn khe rãi cố thép, đổ bêtông tạo thành hệ không gian dàn thép - tấm bêtông cốt thép Luận văn giới hạn không trình bày tính toán dạng kết cấu này

2.2.3 Tính cấu kiện chịu uốn dầm – bản sàn composite

a Các giả thiết:

1 Sau khi uốn tiết diện vẫn phẳng, cho phép áp dụng các giả thiết của SBVL

2 Toàn bộ diện tích tiết diện phần thép đều đạt giới hạn tính toán Nếu ta gọi giới hạn chảy tiêu chuẩn của thép là fy thì giới hạn chảy tính toán (theo cách gọi của tiêu chuẩn Việt Nam là cường độ tính toán) sẽ là Rs = fy/γm ; γm gọi là hệ số an toàn của vật liệu đối với thép (γm =1,15)

3 Phần bêtông chịu kéo bỏ qua, bêtông chịu nén đạt giá trị cường độ tính toán của nó Nếu gọi cường độ tiêu chuẩn lăng trụ của bêtông là fcu thì cường độ nén tiêu chuẩn khi uốn của bêtông là 0,6.fcu (theo Eurocode 4) và giá trị ứng suất nén giới hạn tính toán của bêtông sẽ là: Rc = 0,6.fcu/γm

γm: là hệ số an toàn về vật liệu đối với bêtông, γm = 1,5

4 Bêtông không bị trượt trên thép, hay nói cách khác việc cấu tạo các mấu neo giữa dầm thép và bêtông đủ để chịu lực trượt, việc phá hoại do trượt xảy ra sau khi phá hoại về uốn

5 Bỏ qua sự làm việc của cốt mềm trong bản bêtông

As

Hình 14 Sơ đồ tính của cấu kiện composite

b Tính cấu kiện theo điều kiện bền:

* Khi trục trung hòa đi qua phần bản bêtông (trục X1)

Theo sơ đồ ứng suất trên hình 14 khi:

y1 = As.Rs/b.Rc ≤ hc (2-10)

Trong đó :

As - diện tích tiết diện dầm thép

d - khoảng cách từ trọng tâm tiết diện thép tới mép trên của bản bêtông

hc - chiều dày của bản bêtông

y1 - chiều cao vùng nén

b - chiều rộng của bản bêtông tham gia trong kết cấu composite, được xác định tuỳ thuộc vào tỷ số B/L (bước dầm/nhịp dầm), loại tải trọng và điều kiện liên kết biên của bản Mỗi tiêu chuẩn của mỗi nước có quy định việc lấy kích thước b khác nhau

Bảng xác định chiều rộng b

4 / L

CEB (Anh) b = L/8 - với tải trọng phân bố đều

b = L/10 với tải trọng tập trung

Với dầm liên tục L là khoảng cách giữa 2 điểm

M đổi dấu