Tài liệu Nghiên cứu khả năng chịu cắt tại liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bẹt bê tông cốt thép

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN QUANG KHẢI NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU CẮT TẠI LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BẸT BÊ TÔNG CỐT THÉP Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. ĐÀO NGỌC THẾ LỰC Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Trần Quang Khải MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ANH MỤC C C ẢNG ANH MỤC C C H NH MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ........................................................................... 1 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................... 2 5. Kết quả dự kiến ................................................................................................... 2 6. Bố cục của đề tài ................................................................................................. 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CỘT CFST, DẦM BẸT BTCT, LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI HỆ DẦM ....................................................................................................... 3 1.1. TỔNG QUAN VỀ CỘT CFST ........................................................................................ 3 1.1.1. Khái niệm về cột ống thép nhồi bê tông ....................................................... 3 1.1.2. Phân loại cột ống thép nhồi bê tông.............................................................. 3 1.1.3. Ƣu điểm, nhƣợc điểm của cột ống thép nhồi bê tông ................................... 7 1.1.4. Khả năng áp ụng ......................................................................................... 8 1.2. TỔNG QUAN VỀ SÀN PHẲNG KẾT HỢP DẦM BẸT BTCT ............................... 9 1.2.1. Sàn phẳng có dầm bẹt ................................................................................... 9 1.2.2. Ứng dụng sàn phẳng có dầm bẹt................................................................. 10 1.3. TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP LIÊN KẾT CỘT CFST VỚI DẦM BẸT BTCT12 1.3.1. Nghiên cứu của Nie (2008) và Bai (2008) ................................................. 12 1.3.2. Nghiên cứu của Qing Jun Chen (2015) ..................................................... 14 1.3.3. Nghiên cứu của H.Y.Yu (2013) ................................................................. 15 1.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ............................................................................................... 17 CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU C C CƠ CHẾ TRUYỀN LỰC CẮT ........................... 18 2.1. C C CƠ CHẾ TRUYỀN LỰC CẮT QUA VẾT NỨT NGHIÊNG ........................ 18 2.2. SỰ CÀI KHÓA CỦA CÁC CỐT LIỆU ....................................................................... 19 2.3. KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA BÊ TÔNG VÙNG NÉN.......................................... 21 2.4. KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA CỐT ĐAI .................................................................. 22 2.5. ĐÓNG GÓP CỦA CỐT DỌC VÀO KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM.......... 23 2.6. HOẠT ĐỘNG CHỊU CẮT CỦA SHEAR-KEY......................................................... 25 2.7. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ............................................................................................... 26 CHƢƠNG 3. KHẢO SÁT LIÊN KẾT BẰNG THỰC NGHIỆM ................................ 27 3.1. CHẾ TẠO MẪU, THIẾT BỊ VÀ THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM ................................. 27 3.1.1. Cấu tạo liên kết cột CFST – dầm bẹt BTCT và thiết kế mẫu thí nghiệm ... 27 3.1.2. Chế tạo mẫu thí nghiệm .............................................................................. 29 3.1.3. Tiến hành đổ bê tông mẫu .......................................................................... 31 3.1.4. Thí nghiệm xác định cƣờng độ vật liệu ...................................................... 32 3.1.5. Thiết bị thí nghiệm...................................................................................... 35 3.1.6. Thiết lập, bố trí thí nghiệm ......................................................................... 39 3.1.7. Kết quả thí nghiệm và quan sát................................................................... 40 3.1.8. Tính toán xác minh lý thuyết tính toán ....................................................... 44 3.2. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 .............................................................................................. 27 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 50 CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ ( ẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU CẮT TẠI LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BẸT BÊ TÔNG CỐT THÉP Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.58.02.08, Khóa 33, Trƣờng Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Giải pháp kết cấu kết hợp cột ống thép nhồi bê tông (CFST) với dầm bẹt bê tông cốt thép đƣợc sử dụng hiệu quả cho công trình nhà cao tầng với kích thƣớc nhịp lớn nhằm tăng độ cứng ngang, giảm chiều dài tính toán cho kết cấu sàn đồng thời hạn chế chiều cao tầng so với dầm thông thƣờng. Đối với hệ kết cấu dầm bẹt - cột CFST, sự làm việc liên tục giữa dầm và cột đƣợc kết nối bởi chốt thép chịu cắt (shear – key). Hiện nay, hầu hết các tiêu chuẩn chƣa đề cập đến việc tính toán khả năng chịu cắt tại vị trí liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bẹt bê tông cốt thép và các nghiên cứu về vấn đề này còn rất ít. Cơ chế truyền lực cắt tại vị trí liên kết chƣa đƣợc hiểu rõ. o đó, luận văn sẽ thực hiện phân tích ảnh hƣởng của các cơ chế truyền lực cắt khác nhau đến khả năng chịu cắt của dầm bẹt tại vị trí liên kết từ đó xác định sự đóng góp của từng cơ chế đến khả năng chịu cắt của dầm làm căn cứ cho việc đánh giá và đề xuất các giải pháp nâng cao khả năng chịu cắt của dầm. Luận văn cũng thực hiện thí nghiệm ứng xử chịu cắt của dầm tại liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bẹt bê tông cốt thép và kết quả tính toán từ cơ chế truyền lực cắt sẽ đƣợc xác thực với kết quả thí nghiệm. Từ khóa - Ống thép nhồi bê tông; bê tông cốt thép; cột, dầm bẹt, liên kết; các cơ chế truyền lực cắt Studying Shear Capacity In Concrete Filled Steel Tube To Reinforcement Concrete Band Beam Connection Abstract: The combination of concrete filled steel tube (CFST) column with reinforced concrete (RC) band beams is effectively used for tall buildings with large spans to increase the horizontal stiffness, to reduce the calculated length for the floor structure and to limit floor height compared to normal beams. For band beam – CFST column structures, the continuous behavior between the beam and the column is performed by shear-keys. At present, most of the standards do not deal with the calculation of the cutting resistance at the CFST column - RC beam connection and the studies on this issue are very few. The mechanism of cutting force at the linking site is not well understood. This article analyzes the effect of different shear transfer mechanisms on the punching shear of the beam at the connection, thereby determining the contribution of each mechanism to the punching shear of the beam for evaluating and proposing solutions to improve the punching shear capacity of the beam. This paper also conducts experiments for evaluate the shear behavior of the beam at the connection of CFST columns with RC band beam. These test results will be used to validate the proposed analysis. Key words - Concrete Filled Steel Tube; reinforced concrete; column, band beam; connection; shear transfer mechanisms. DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CFST : Concr t ill st l tu (Ống th p nhồi ê tông Vagg : Khả năng kháng cắt của cơ chế cài khóa cốt liệu Vch : Khả năng kháng cắt của vùng nén bê tông Vdow : Khả năng kháng cắt của cốt dọc Vsw,i : Khả năng kháng cắt của cốt đai Vv : Khả năng kháng cắt của shear - key Vtot : Khả năng kháng cắt của cấu kiện b : Bề rộng cấu kiện h : Chiều cao cấu kiện pu w : Cƣờng độ chịu nén của vữa : Bề rộng vết nứt : Độ trƣợt vết nứt db : Đƣờng kính cốt thép Esw : Mô đun đàn hồi của cốt đai sw : Hệ số đàn hồi lcr : Chiều dài vết nứt f ys : Cƣờng độ chịu uốn của cốt thép s ldow dow fct : Ứng suất cắt : Chiều ài đoạn cốt dọc bị võng : Độ võng của cốt dọc : Cƣờng độ bám dính của bê tông c1 ch Vch ch : Chiều dài lớp bê tông bảo vệ : Ứng suất cắt tại vùng nén bê tông : Lực cắt tại vùng nén bê tông : Ứng suất pháp tại vùng nén bê tông Nch : Lực dọc tại vùng nén bê tông c : Chiều cao vùng nén bê tông : Hệ số ma sát b ,v : Hệ số DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang 3.1. Kết quả thí nghiệm ê tông 35 3.2. Kết quả thí nghiệm cốt th p 35 3.3. Các thông số về vết nứt cắt 44 3.4. Các thông số về cốt th p 44 3.5. Các thông số về kích thƣớc mẫu thí nghiệm 45 3.6. Khả năng chịu cắt của ầm th o các cơ chế truyền lực cắt (kN 45 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình Trang 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9. 1.10. 1.11. 1.12. Cấu tạo cột ống th p nhồi ê tông Mặt cắt điển hình cột ống th p nhồi ê tông Cột ống th p nhồi ê tông với hai lớp ống th p Cột CFST đƣợc ao ê tông (Concr t -encased CFST) Cột CFST tăng cƣờng kết cấu th p và cốt th p gia cƣờng CFST với sƣờn tăng cứng Một số tiết iện tổ hợp từ cột CFST Ví ụ về cầu đƣợc x y ựng ằng kết cấu CFST Sàn phẳng có ầm ẹt Công trình sử ụng sàn phẳng kết hợp ầm ẹt Hình ạng liên kết đề xuất ởi Ni và ai Thí nghiệm xác minh khả năng chịu lực ọc của liên kết Thí nghiệm xác định khả năng chịu động đất đối với cột giữa Thí nghiệm xác định khả năng chịu động đất đối với cột biên Hệ thống ầm xuyên qua liên kết Thí nghiệm mẫu nguyên hình và kiểm tra riêng vùng liên kết Cấu tạo của liên kết và thí nghiệm kiểm tra Hình ạng phá hoại tại liên kết và tại ầm vòng Hình ạng vết nứt khi ị phá hoại tại vùng liên kết và ầm vòng Cơ chế truyền lực cắt qua vết nứt nghiêng Cơ chế cài khóa của các cốt liệu Cơ chế chịu cắt của vùng n n ê tông Cơ chế chịu cắt của cốt đai Cơ chế chịu cắt của cốt ọc Hoạt động chịu cắt của sh ar - key Cấu tạo liên kết Chọn kích thƣớc ầm Chọn kích thƣớc ầm Công tác lắp đặt cốt th p cho mẫu thí nghiệm Công tác lắp đặt strain gaug vào cốt đai ố trí cốt th p cho mẫu và vị trí, kí hiệu Strain gaug 3 4 4 5 5 6 6 8 9 11 12 13 1.13. 1.14. 1.15. 1.16. 1.17. 1.18. 1.19. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 13 14 14 15 16 16 17 18 20 21 23 24 25 27 28 29 29 30 30 Số hiệu 3.7. 3.8. 3.9. 3.10. 3.11. 3.12. 3.13. 3.14. 3.15. 3.16. 3.17. 3.18. 3.19. 3.20. 3.21. 3.22. 3.23. 3.24. 3.25. 3.26. 3.27. 3.28. 3.29. 3.30. Tên hình Mẫu thí nghiệm sau khi hoàn thành công tác chế tạo Đổ ê tông cho mẫu thí nghiệm Mẫu thí nghiệm sau khi hoàn thành công tác đổ ê tông Công tác lấy mẫu ê tông 150x150mm để thí nghiệm Công tác lấy mẫu ê tông 150x300mm để thí nghiệm Thí nghiệm mẫu ê tông 150x300mm Thí nghiệm mẫu ê tông 150x150mm Thí nghiệm cƣờng độ cốt th p Cảm iến đo iến ạng (strain gaug s Cảm iến đo chuyển vị LV T Máy ơm ầu ùng cho thí nghiệm Kích thủy lực 250 (tấn Sơ đồ ố trí thí nghiệm Thiết lập thí nghiệm Hệ thống thu các ữ liệu từ cảm iến Sự phát triển vết nứt tại cấp tải 300kN Sự phát triển vết nứt tại cấp tải 400kN Sự phát triển vết nứt tại cấp tải 500kN Sự phát triển vết nứt tại cấp tải 628kN Đồ thị tải trọng – chuyển vị Đồ thị iến ạng của cốt đai Sự ph n ố vết nứt trên ầm khi ị phá hoại iểu đồ thể hiện sự đóng góp của từng cơ chế iểu đồ thể hiện khả năng kháng cắt th o lý thuyết và thí nghiệm Trang 31 31 32 32 33 33 34 34 36 37 38 38 39 39 40 41 41 42 42 43 43 44 45 46 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, xu hƣớng xây dựng nhà cao tầng ngày càng đƣợc sử dụng nhiều ở Việt Nam. Một hệ kết cấu hợp lý sẽ đ m lại ý nghĩa lớn về mặt kĩ thuật và hiệu quả sử dụng cho công trình. Kết cấu sàn phẳng bê tông cốt th p ( TCT đƣợc xem là giải pháp sàn hiệu quả vì nó làm giảm đƣợc chiều cao tầng, tăng số tầng sử dụng cũng nhƣ thuận tiện cho thi công đẩy nhanh tiến độ xây dựng, thuận lợi cho việc bố trí đƣờng ống thiết bị kĩ thuật, dễ dàng thông gió và linh hoạt bố trí mặt bằng so với kết cấu sàn có dầm. Đối với nhà nhiều tầng, khi nhà càng cao và nhịp khung lớn thì lực dọc trong cột sẽ càng lớn. Nếu sử dụng giải pháp kết cấu bê tông cốt th p thông thƣờng thì kích thƣớc cột sẽ rất lớn ảnh hƣởng đến mặt bằng kiến trúc cũng nhƣ không gian sử dụng công trình, giải pháp cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube - CFST) sẽ là lựa chọn hợp lý để thay thế cột bê tông cốt thép truyền thống vì những ƣu điểm vƣợt trội về mặt kĩ thuật nhƣ độ cứng lớn, cƣờng độ cao, độ dẻo và khả năng ph n tán năng lƣợng lớn, về mặt công nghệ cột ống thép nhồi bê tông dễ dàng thi công và không tốn coffa, rút ngắn đƣợc thời gian thi công x y ựng công trình. Từ phân tích trên, ta thấy việc kết hợp hai loại kết cấu sàn phẳng BTCT và cột ống thép nhồi bê tông cho kết cấu nhà cao tầng sẽ đ m lại hiệu quả cao về mặt kinh tế, kĩ thuật. Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất khi kết hợp hai loại kết cấu này đấy là liên kết. Việc liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép phức tạp, ứng xử của liên kết chƣa đƣợc hiểu rõ. Hiện nay, các nghiên cứu chỉ thực hiện cho liên kết cột giữa với sàn phẳng TCT và chƣa thấy nghiên cứu đề cập đến liên kết giữa cột biên CFST và sàn phẳng TCT. o đó, việc nghiên cứu liên kết cột biên CFST với sàn phẳng bê tông cốt thép là cần thiết để đƣa ra các giải pháp cấu tạo, khảo sát các ứng xử, trạng thái làm việc cũng nhƣ cơ chế truyền lực nhằm áp dụng hiệu quả hệ kết cấu sàn phẳng BTCT và cột ống thép nhồi bê tông trong xây dựng nhà cao tầng hiện nay. Đấy là lý o để thực hiện luận văn với đề tài: “Nghiên cứu khả năng chịu cắt tại liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bẹt bê tông cốt thép”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu tổng quan về cột CFST, dầm bẹt bê tông cốt thép; liên kết giữa cột CFST với hệ dầm; 2 Nghiên cứu tìm hiểu các cơ chế truyền lực cắt đóng góp vào khả năng kháng cắt của cấu kiện và công thức tính toán của từng cơ chế; Tiến hành thiết kế, chế tạo mẫu và thực hiện thí nghiệm mẫu liên kết cột CFST với dầm bẹt TCT để xác minh khả năng làm việc của liên kết giữa lý thuyết và thực nghiệm. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu: Mối liên kết giữa cột CFST và dầm bẹt BTCT. Phạm vi nghiên cứu: Khả năng chịu cắt tại liên kết giữa cột CFST với dầm bẹt BTCT. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết tính toán; nghiên cứu thực nghiệm. 5. Kết quả dự kiến Đƣa ra chỉ dẫn tính toán; Đánh giá tính hiệu quả của liên kết cột CFST với dầm bẹt BTCT bằng thực nghiệm. 6. Bố cục của đề tài Mở đầu: 1. Tính cấp thiết của đề tài 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 4. Phƣơng pháp nghiên cứu 5. Kết quả dự kiến Chƣơng 1: Tổng quan về kết cấu cột CFST, dầm bẹt bê tông cốt thép, liên kết giữa cột CFST với hệ dầm. Chƣơng 2: Nghiên cứu các cơ chế truyền lực cắt. Chƣơng 3: Khảo sát liên kết bằng thực nghiệm. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN CỘT CFST, DẦM BẸT BTCT, LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI HỆ DẦM 1.1. TỔNG QUAN VỀ CỘT CFST 1.1.1. Khái niệm về cột ống thép nhồi bê tông Cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube viết tắt CFST) là một kết cấu liên hợp bao gồm vỏ ống thép và lõi bê tông cùng làm việc chung với nhau (Hình 1.1). Loõi beâtoâng Loõi beâtoâng a OÁng theùp a A A B B-B B D A-A Hình 1.1. Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tông Nhƣ đã iết, cƣờng độ chịu nén của bê tông lớn hơn rất nhiều so với cƣờng độ chịu k o và cƣờng độ chịu nén của bê tông sẽ đƣợc tăng lên khi ê tông ị hạn chế nở hông. Đối với kết cấu thép, cƣờng độ chịu k o cao nhƣng ễ bị mất ổn định cục bộ ƣới tải trọng nén. Trong loại kết cấu cột CFST, cốt th p và ê tông đƣợc sử dụng kết hợp để có thể phát huy hết bản chất tự nhiên và các đặc điểm nổi trội tạo ra kết cấu có nhiều ƣu điểm. Loại kết cấu này hiện đang đƣợc nghiên cứu áp dụng cho công trình nhà, xƣởng, các công trình cầu đƣờng ở Việt Nam. 1.1.2. Phân loại cột ống thép nhồi bê tông Cột ống thép nhồi bê tông về mặt cấu tạo rất đa ạng. cấu tạo cho họ cột này. ƣới đ y là một số dạng 4 Dạng tiết diện phổ biến nhất của cột CFST là tiết diện mà ê tông đƣợc nhồi vào phần rỗng bên trong ống thép có dạng hình tròn (Circular Hollow Section - CHS), hay cột có tiết diện rỗng hình vuông (Square Hollow Section - SHS) hoặc cột có tiết diện rỗng hình chữ nhật (Rectangular Hollow Section - RHS . Đối với tiết diện CHS sự hạn chế biến dạng ngang của lõi bê tông là lớn nhất và bất ổn định cục bộ hầu nhƣ xuất hiện đối với tiết diện hình vuông và chữ nhật. Tuy nhiên cột CFST với các tiết diện SHS và RHS vẫn tiếp tục đƣợc sử dụng nhiều trong xây dựng với những ƣu điểm riêng của nó. Những dạng tiết diện ngang khác cũng đƣợc sử dụng cho mục đích nghệ thuật nhƣ ạng đa giác, ạng lip… (Hình 1.2 . OÁng theùp Loõi beâtoâng a Loõi beâtoâng Loõi beâtoâng a D OÁng theùp Loõi beâtoâng OÁng theùp a OÁng theùp b OÁng theùp Loõi beâtoâng OÁng theùp Loõi beâtoâng Hình 1.2. Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tông Một dạng khác của cột CFST là cột có tiết diện với hai lớp ống thép trong và ngoài đƣợc gọi là cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép. Tiết diện cột bao gồm ống thép trong và ống th p ngoài, ê tông đƣợc nhồi vào giữa hai ống thép (Hình 1.3). Với cấu tạo mặt cắt nhƣ thế này, cột sẽ có độ cứng chống uốn lớn, cƣờng độ cao, khả năng chống cháy tốt hơn và tránh đƣợc sự bất ổn định đối với cấu kiện khi chịu tác động của áp lực bên ngoài. Dạng cột này có thể là lựa chọn tối ƣu khi thiết kế những cấu kiện với tiết diện ngang lớn. OÁng theùp OÁng theùp Loõi beâtoâng Loõi beâtoâng OÁng theùp Loõi beâtoâng OÁng theùp Loõi beâtoâng Hình 1.3. Cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép OÁng theùp Loõi beâtoâng 5 Một trƣờng hợp khác của kết cấu CFST là sử dụng bê tông cốt thép truyền thống để bao bọc CFST nhƣ Hình 1.4. Cấu tạo tiết diện gồm ống th p ên trong đƣợc lắp đặt trƣớc tiếp theo là lắp đặt các hệ th p gia cƣờng, lớp bê tông bên trong và bên ngoài đƣợc đổ sau đó. Việc nhồi bê tông vào trong ống sẽ làm tăng tối đa khả năng giam hãm ê tông n ng cao cƣờng độ tới hạn của tiết diện. Bê tông cốt thép bao bọc bên ngoài tạo thành một lớp chống cháy cho lõi ên trong, o đó khả năng chống cháy của loại cột này đƣợc tăng đáng kể so với cột CFST truyền thống. Ngoài ra, loại cột này còn có khả năng kháng ất ổn định cục bộ, chống ăn mòn đối với ống thép rất tốt và dễ liên kết với những dầm bê tông cốt thép hoặc dầm thép trong hệ kết cấu công trình. OÁng theùp Beâtoâng OÁng theùp Coát theùp meàm Beâtoâng OÁng theùp Coát theùp meàm Beâtoâng Coát theùp meàm Hình 1.4. Cột CFST được bao bê tông (Concrete-encased CFST) Kết cấu thép và kết cấu th p gia cƣờng luôn luôn đƣợc sử dụng để tăng sức kháng tải của cấu kiện CFST mô tả ở Hình 1.5. Mặt cắt kết cấu th p đóng góp lớn vào khả năng chịu lực của cột mà không làm thay đổi dạng tiết diện cột. Sự đóng góp đến khả năng chịu lực của cột có thể đƣợc x m x t nhƣ khả năng kết hợp của kết cấu thép với những phần của cột CFST. Coát theùp hình OÁng theùp Loõi beâtoâng OÁng theùp Loõi beâtoâng OÁng theùp Loõi beâtoâng Coát theùp meàm Loõi beâtoâng Hình 1.5. Cột CFST tăng cường kết cấu thép và cốt thép gia cường Trong cột CFST thông thƣờng, bất ổn định cục bộ của ống th p thông thƣờng xuất hiện sau khi tiết diện liên hợp đạt đến cƣờng độ tới hạn. Điều này có thể là một vấn đề quan trọng cho sự phát triển và ứng dụng ống thành mỏng với th p cƣờng độ cao. Những sƣờn tăng cứng ngang và dọc có thể đƣợc hàn vào ống th p để cải thiện 6 cƣờng độ và độ dẻo của cột liên hợp. Đối với cột có tiết diện ngang lớn, các sƣờn tăng cứng có thể hàn vào mặt trong của ống. Các thanh nối cũng có thể đƣợc hàn nối các sƣờn gia cƣờng nhƣ Hình 1.6. Hiệu quả của sƣờn tăng cứng trong việc trì hoãn bất ổn định cục bộ của ống th p đã đƣợc kiểm tra bằng những nghiên cứu thực nghiệm. Thanh noái Söôøn taêng cöùng Söôøn taêng cöùng OÁng theùp OÁng theùp Loõi beâtoâng Loõi beâtoâng Hình 1.6. CFST với sườn tăng cứng Ngoài ra, với các kết cấu yêu cầu khả năng chịu lực lớn, độ cứng lớn có thể tổ hợp các cột CFST riêng lẻ thành các dạng kết cấu CFST tổ hợp để phát huy các ƣu điểm của kết cấu thép bê tông liên hợp nhƣ Hình 1.7 a, b, c hay kết hợp cùng với kết cấu bê tông cốt thép (Hình 1.7d) tạo ra mặt cắt liên hợp cho cột trụ, những vòm trong cầu. Những loại tiết diện này cũng đã đƣợc sử dụng cho các kết cấu nhà cao tầng cũng nhƣ kết cấu cầu ở Trung Quốc. CFST Beâtoâng CFST CFST Taám theùp CFST Moái haøn CFST (a) (b) CFST OÁng theùp roãng CFST Keát caáu BTCT OÁng theùp roãng (c) Hình 1.7. Một số tiết diện tổ hợp từ cột CFST (d) CFST 7 1.1.3. Ƣu điểm, nhƣợc điểm của cột ống thép nhồi bê tông a. Ưu điểm Độ bền của lõi bê tông (lớp vỏ thép với chức năng nhƣ lớp áo bọc chặt bên ngoài đã đƣợc tăng khoảng 2 lần so với độ bền của ê tông thƣờng; Cách sắp xếp vật liệu trên trên mặt cắt ngang làm tối ƣu cƣờng độ và độ cứng của cấu kiện. Cốt th p đƣợc phân bố ở chu vi ngoài cùng của tiết diện nên phát huy hiệu quả làm việc cao nhất khi chịu mô men uốn. Bê tông tạo một lõi lý tƣởng để chống lại tải trọng nén trong quá trình làm việc, trì hoãn và chống lại sự bất ổn định cục bộ của ống th p đặc biệt các cấu kiện có tiết diện hình vuông hoặc chữ nhật. Ngoài ra, ống thép cản trở biến dạng nở hông của lõi ê tông làm tăng cƣờng độ chịu n n và độ dẻo ai đối với cấu kiện CFST; Việc nhồi bê tông vào trong ống th p làm n ng cao độ chống ăn mòn ên trong ống thép, làm giảm độ mảnh, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả năng chống móp méo của vỏ ống th p khi va đập; Giá thành tổng thể của công trình làm bằng kết cấu ống thép nhồi bê tông nói chung nhỏ hơn nhiều so với giá thành của công trình tƣơng tự làm bằng kết cấu bê tông cốt thép hay kết cấu th p thông thƣờng. Khối lƣợng của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn so với kết cấu bê tông o đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ àng hơn đồng thời làm giảm tải trọng xuống móng. Kết cấu ống thép nhồi bê tông kinh tế hơn so với kết cấu bê tông cốt thép vì không cần ván khuôn, giá vòm, đai kẹp và các chi tiết đặt sẵn, nó có sức chịu đựng tốt hơn ít hƣ hỏng o va đập. Do không có cốt chịu lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tông với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỉ lệ N/X có thể lấy nhỏ hơn và sẽ dễ àng đạt chất lƣợng ê tông cao hơn. b. Nhược điểm Một cấu kiện CFST bao gồm hai vật liệu với sự khác nhau về đƣờng cong ứng suất-biến dạng và ứng xử cũng có sự khác biệt rõ rệt. Sự tƣơng tác giữa hai vật liệu này đặt ra một bài toán khó trong việc xác định thuộc tính kết hợp nhƣ mô m n quán tính, mô ul đàn hồi; Cơ chế phá hoại cấu kiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ hình ạng, chiều dài, đƣờng kính, chiều dày ống th p, cƣờng độ th p và cƣờng độ bê tông cùng với các thông số về sự kết dính giữa hai mặt tiếp xúc của vật liệu thép và bê tông, sự giam hãm của bê tông ứng suất ƣ, hiện tƣợng từ biến, sự co ngót và các dạng tải trọng làm phức 8 tạp thêm sự phân tích và thiết kế đối với cấu kiện CFST; Một hạn chế nữa ảnh hƣởng đến việc sử dụng rộng rãi loại kết cấu này đó là cấu tạo liên kết giữa cột CFST và sàn bê tông cốt thép, dầm bê tông cốt thép hay dầm thép. Các ứng xử, cơ chế làm việc, trạng thái phá hoại liên kết chƣa đƣợc hiểu rõ o đó g y ra không ít những khó khăn cho tính toán thiết kế cấu tạo liên kết; Hiện nay, các hạn chế tồn tại của loại kết cấu CFST tiếp tục đƣợc nghiên cứu để dần hoàn thiện các yêu cầu về mặt cấu tạo, lý thuyết tính toán cũng nhƣ nhận thức sâu hơn về ứng xử của loại kết cấu này. 1.1.4. Khả năng áp dụng Kết cấu ống th p nhồi bê tông đƣợc ứng ụng rộng rãi cho rất nhiều lĩnh vực nhƣ nhà dân ụng và công nghiệp, cầu đƣờng, giàn khoan dầu... Trong lĩnh vực xây ựng dân ụng, loại kết cấu này đƣợc áp ụng khá nhiều cho cấu kiện chịu lực chính nhƣ hệ móng cọc, các cột đ của toà nhà cao tầng. Các công trình nhà ở tại thành phố Ko đƣợc xây dựng nhằm chống lại những tác động lớn từ động đất và kết cấu CFST đáp ứng đƣợc điều này. Hiện nay, việc xây ựng cầu qua các sông rộng và sâu, có nhu cầu lƣu thông đƣờng thu lớn và điều kiện địa chất phức tạp đang đòi hỏi phải sử ụng các loại nhịp lớn khẩu độ hàng trăm m t. Với các kích thƣớc nhƣ vậy, cấu kiện sẽ nặng và trở thành một nguyên nhân làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu, làm tăng chi phí xây ựng cũng nhƣ tạo thêm nhiều phức tạp cho việc vận chuyển, lắp ráp, thi công kết cấu. Với việc sử dụng kết cấu CFST cho cấu kiện chịu lực n n chính nhƣ vòm chính của cầu vòm, thanh mạ cong trong cầu dàn, hệ móng cọc của kết cấu trụ, thân trụ sẽ đáp ứng đƣợc yêu cầu về chịu lực cao, độ cứng lớn vừa đáp ứng đƣợc việc giảm trọng lƣợng bản thân kết cấu. Hình 1.8. d về c u được ây dựng b ng ết cấu CFST 9 Trong lĩnh vực xây ựng dầu khí, năm 1989 tại 2 dàn khoan dầu ở biển Đen và biển Azov của Liên Xô đã sử ụng cấu kiện mặt cắt rỗng tổ hợp 3 loại vật liệu th p - bê tông làm các trụ đ chính của dàn khoan, nhờ đó giảm đƣợc 30% lƣợng th p so với dàn khoan bằng th p cùng loại; hơn nữa, phần rỗng còn đƣợc ùng để lắp các thiết ị công nghệ và cáp thông tin. 1.2. TỔNG QUAN VỀ SÀN PHẲNG KẾT HỢP DẦM BẸT BTCT Với xu hƣớng phát triển của công nghệ cũng nhƣ yêu cầu về mặt kiến trúc, thẩm mỹ kinh tế cho công trình thì hệ kết cấu sàn sƣờn truyền thống dần dần đƣợc thay thế bởi hệ sàn phẳng không dầm với nhiều ƣu điểm nổi trội nhƣ tạo ra không gian sử ụng linh hoạt, ễ àng cho việc ố trí không gian sử ụng phù hợp với công năng của công trình, giảm số lƣợng cột, chiều cao thông thu hợp lý, ễ àng đáp ứng các yêu cầu ố trí hệ kĩ thuật. ƣới đ y sẽ giới thiệu tổng quan về sàn phẳng kết hợp dầm bẹt đƣợc sử dụng ở Việt Nam. 1.2.1. Sàn phẳng có dầm bẹt Với các kết cấu nhịp lớn có thể nối các mũ cột của sàn phẳng thành các ăng (dải) liên tục gọi là sàn dải - bản hay còn gọi là sàn phẳng có dầm bẹt. Dầm có chiều dài tiết diện thấp, bề rộng dầm lớn hơn nhiều so với chiều cao dầm. Dầm đƣợc bố trí th o 1 phƣơng hay 2 phƣơng tùy thuộc vào hệ lƣới cột sàn. Hình 1.9. Sàn phẳng có d m bẹt 10 Ƣu điểm: Tiết kiệm vật liệu, tăng đƣợc số tầng, tạo đƣợc không gian lớn với kết cấu thanh mảnh, trần phẳng không cần làm thêm trần treo che kết cấu, giải quyết cơ bản vƣớng mắc giữa yêu cầu công năng sử ụng trong thiết kế kiến trúc và giải pháp kết cấu phù hợp. Tuy nhiên khi dùng hệ kết cấu này điều quan trọng là tìm bề rộng phù hợp của dầm bẹt nhằm thõa mãn sự làm việc đồng thời của dầm và sàn, nhằm hạn chế độ võng của sàn. Cần xét ảnh hƣởng của hệ sàn có dầm bẹt đến độ cứng ngang của công trình , đặc biệt là kết cấu nhà cao tầng. Thích hợp với nhịp sàn <= 9m, nhịp dầm <= 15m Việc nghiên cứu về dầm bẹt cũng nhƣ ề rộng của dầm bẹt chƣa đƣợc đề cập nhiều trong các nghiên cứu trƣớc đ y và các tiêu chuẩn. Theo Ed cross – Postten sionning in building structures thì bề rộng dầm bẹt có thể chọn sơ ộ trong khoảng (0,15 - 0,25 ln trong đó ln là kích thƣớc nhịp th o phƣơng vuông góc với trục dầm. Theo TCXDVN 375-2006, quy định bề rộng dầm cần đảm bảo theo yêu cầu kháng chấn, theo công thức: Bw<= min (bc+hw, 2bc) Trong đó: - c: kích thƣớc tiết diện ngang của cột (kích thƣớc cột lớn nhất). - Bw, hw: chiều rộng và chiều cao dầm. 1.2.2. Ứng dụng sàn phẳng có dầm bẹt Nhƣ đã ph n tích ở trên, o giải quyết đƣợc vƣớng mắc giữa yêu cầu công năng sử ụng trong thiết kế kiến trúc và kết cấu nên sàn phẳng có ầm ẹt đang đƣợc sử ụng ngày càng rộng rãi. Một số công trình tiêu iểu ở Đà Nẵng sử ụng hệ sàn phẳng có ầm ẹt nhƣ: Công trình Indochina Riverside Tower + Địa điểm xây dựng: Số 74 đƣờng Bạch Đằng (tiếp giáp 3 mặt tiền đƣờng Bạch Đằng – Phan Đình Phùng – Trần Phú), Quận Hải Châu. + Chủ đầu tƣ: Công ty TNHH In ochina Riv rsi + Đơn vị thiết kế: Kiến trúc sƣ tow r. n Woo và công ty Gravity Partn rship (thiết kế kiến trúc). + Công trình là khu thƣơng mại, dịch vụ, giải trí, văn phòng cho thuê và căn hộ, gồm 3 khối: Khối ch n đế Podium, khối office và khối Apartment. + Khối office là nhà có 12 tầng, chiều cao 66m. Móng cọc khoan nhồi. Kết cấu công trình là hệ khung kết hợp lõi cứng bê tông cốt thép chịu lực ƣớc cột chính 8,4 x