Tài liệu Nghiên cứu khống chế dao động của sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn khi thiết kế

1 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI THANH NHIÊN NGHIÊN CỨU KHỐNG CHẾ DAO DỘNG CỦA SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG NHỊP LỚN KHI THIẾT KẾ Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN ANH THIỆN Đà Nẵng, Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn tốt nghiệp cao học ngành kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp với đề tài: ‘‘Nghiên cứu khống chế dao động của sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn khi thiết kế” là công trình nghiên cứu của riêng 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 Bùi Thanh Nhiên MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài............................................................................1 3. Đối tượng nghiên cứu ..........................................................................................1 4. Phạm vi nghiên cứu .............................................................................................1 5. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................1 6. Cơ sở khoa học và thực tiễn của luận văn ...........................................................2 7. Bố cục đề tài: .......................................................................................................2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG .......................3 1.1. Quá trình hình thành và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông ..................3 1.1.1. Quá trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông trên thế giới .......................................................................................................................4 1.1.2. Quá trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông ở Việt Nam ......................................................................................................................6 1.2. Một số công trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông ..............................6 1.2.1. Một số công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông trên thế giới .......................................................................................................................6 1.2.2. Một số công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông ở Việt Nam ......................................................................................................................8 1.3. Đặc tính của kết cấu liên hợp thép – bê tông .................................................11 1.3.1. Kiến trúc ..................................................................................................11 1.3.2. Kinh tế......................................................................................................11 1.3.3. Chịu nhiệt và chống ăn mòn ....................................................................11 1.3.4. Thi công ...................................................................................................12 1.4. So sánh tính ưu việt của kết cấu liên hợp thép – bê tông so với kết cấu khác ...............................................................................................................................12 1.5. Tổng quan về sàn liên hợp thép - bê tông ......................................................15 1.5.1. Yêu cầu về cấu tạo của sàn liên hợp thép - bê tông .................................15 1.5.2. Sự làm việc của sàn liên hợp thép - bê tông ............................................17 1.6. Kết luận chương 1 ..........................................................................................18 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ DAO ĐỘNG SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG ..................................................................................................................19 2.1. Giới thiệu về rung động sàn liên hợp thép – bê tông .....................................19 2.2. Lý thuyết cơ bản về thiết kế rung động sàn liên hợp thép – bê tông theo Hướng dẫn thiết kế Hoa Kỳ (AISC DG11) ...........................................................20 2.2.1. Nguyên lý rung động sàn .........................................................................20 2.2.2. Tiêu chuẩn đánh giá của việc đi bộ với tần số thấp và tầng số cao .........22 2.2.3. Tần số tự nhiên trong hệ thống sàn liên hợp ...........................................27 2.3. Thiết kế sàn liên hợp thép - bê tông nhịp lớn do hoạt động đi bộ ..................29 2.3.1. Tiêu chuẩn áp dụng ..................................................................................29 2.3.2. Các thông số yêu cầu bắt buộc ................................................................29 2.4. Kết luận chương 2 ..........................................................................................34 CHƯƠNG 3. KIỂM SOÁT VÀ KHỐNG CHẾ DAO ĐỘNG SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG NHỊP LỚN ...................................................................................35 3.1. Ví dụ thiết kế sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn do hoạt động đi bộ ...........35 3.1.1. Sơ đồ khối thuật toán đánh giá dao động của hệ thống sàn liên hợp ......35 3.1.2. Ví dụ tính toán đánh giá dao động sàn liên hợp - thép bê tông dựa trên AISC DG11........................................................................................................37 3.1.3. Đánh giá dao động sàn liên hợp - thép bê tông bằng phần mềm SAP2000 V20.....................................................................................................................44 3.2. Khống chế dao động của sàn liên hợp thép bê tông khi thiết kế ....................47 3.2.1.Tăng chiều dày sàn bê tông ......................................................................48 3.2.2.Tăng kích thước dầm chính, dầm phụ ......................................................48 3.3. Kết luận chương 3 ..........................................................................................49 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................50 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................51 PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN. NGHIÊN CỨU KHỐNG CHẾ DAO DỘNG CỦA SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG NHỊP LỚN KHI THIẾT KẾ Học viên: Bùi Thanh Nhiên Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.58.02.08, Khóa 33, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Nhờ vào những ưu điểm nổi bật về mặt kết cấu và tốc độ thi công, sàn liên hợp thép bê tông đang được sử dụng ngày càng phổ biến trong hàng loạt các công trình từ thương mại, công nghiệp đến nhà ở tại Việt Nam. Tuy nhiên, vấn đề khống chế dao động của sàn do các hoạt động của con người gây ra vẫn chưa được quan tâm đầy đủ trong thiết kế sàn liên hợp. Hạn chế rung động để đáp ứng các tiêu chí về sự thoải mái của con người là một trong những yêu cầu quan trọng trong thiết kế sàn. Luận văn đã xây dựng qui trình thuật toán để đánh giá ảnh hưởng của hoạt động đi bộ của con người lên sàn liên hợp thép bê tông dựa trên Hướng dẫn thiết kế kết cấu thép số 11 của Viện Thép xây dựng Hoa kỳ. Đề tài cũng so sánh kết quả tính toán gia tốc theo phương pháp phân tích lý thuyết với kết quả tính toán dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Các yếu tố khác ảnh hưởng đến dao động của sàn liên hợp thép - bê tông cũng được khảo sát và đánh giá. Từ khóa – sàn liên hợp; dao động; gia tốc; độ võng; hoạt động đi bộ. VIBRATION CONTROL IN DESIGN OF LARGE-SPAN COMPOSITE CONCRETE-STEEL FLOORS Abstract: Composite concrete-steel floors have been popular structural elements in a wide range of building types including commercial, industrial and residential buildings in Vietnam, due to their remarkable advantages in structural efficiency and speed of construction. However, vibration of floors is not sufficiently considered during the design of composite concrete-steel floors. Limiting the vibration to meet the criteria of human comfort is one of important requirements in floor design. The thesis developed the analytical procedure to evaluate the influence of human induced walking excitation on the composite concrete-steel floors based on the Steel Design Guide 11 of the American Institute of Steel Construction. The research also compared the acceleration calculated from the analytical theory with that from the finite element method. Other parameters having impact on vibration of composite concrete-steel floors were also investigated and assessed. Key words - composite floor; vibration; acceleration; deflection; walking excitation. DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. So sánh kích thước của dầm liên hợp với dầm không liên hợp khi khả năng chịu lực như nhau ...........................................................................13 Bảng 1.2. So sánh kích thước của dầm và cột liên hợp với dầm và cột bê tông cốt thép thường khi khả năng chịu lực như nhau .........................................14 Bảng 1.3. So sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà năm tầng, một nhịp ..................................................................................................14 Bảng 1.4. So sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà sáu tầng, ba nhịp ....................................................................................................14 Bảng 1.5. So sánh trọng lượng thép dầm sàn ...........................................................15 Bảng 2.1. Tần số do hoạt động đi bộ và các hệ số động ...........................................24 Bảng 2.2. Khuyến nghị về gia tốc giới hạn trong thiết kế sàn ..................................29 Bảng 3.1. Kết quả đánh giá dao động sàn khi tăng chiều dày sàn với khoảng cách dầm phụ thay đổi .....................................................................................42 Bảng 3.2. Kết quả đánh giá dao động sàn khi tăng độ cứng dầm chính và dầm phụ44 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Cầu Melan Arch ..........................................................................................4 Hình 1.2. Dầm thép thường và dầm thép liên hợp ......................................................4 Hình 1.3. One Atlantic Center, Atlanta (USA), 50 tầng .............................................5 Hình 1.4. Tòa nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas (USA). ................................7 Hình 1.5. Tháp Thiên niên kỷ (Viên-Áo)....................................................................7 Hình 1.6. Citibank ở Duisburg (Germany). ................................................................8 Hình 1.7. Tòa nhà Diamond Plaza, TP.HCM. ............................................................8 Hình 1.8. Trung tâm thương mại tài chính Bitexco, TP Hồ Chí Minh .......................9 Hình 1.9. Vietinbank Tower, Hanoi ............................................................................9 Hình 1.10. Khách sạn JW Marriott, Hà Nội..............................................................10 Hình 1.11. Dự án toà nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ .......................10 Hình 1.12. Sàn liên hợp với tấm tôn thép định hình .................................................15 Hình 1.13. Hình dạng tấm tôn thép định hình ...........................................................16 Hình 1.14. Kích thước của sàn và tấm tôn thép định hình ........................................16 Hình 1.15. Các dạng tạo liên kết điển hình trong sàn liên hợp .................................17 Hình 1.16. Sự làm việc của sàn liên hợp ...................................................................17 Hình 1.17. Tiết diện phá hoại của các dạng phá hoại khác nhau ..............................18 Hình 2.1. Bệnh viện Plymouth Derriford ..................................................................19 Hình 2.2. Một dạng dao động điển hình của sàn.......................................................21 Hình 2.3. Phản ứng cộng hưởng do đi bộ .................................................................22 Hình 2.4. Giới hạn cho phép của tần số và gia tốc đỉnh. ..........................................23 Hình 2.5. Sơ đồ đơn giản của phản ứng dao động. ...................................................23 Hình 2.6. Mô hình tải trọng thẳng đứng của người đi bộ. ........................................24 Hình 2.7. Hệ số động, α, so với tần số tự nhiên ........................................................25 Hình 2.8. Phản ứng xung bước chân .........................................................................26 Hình 2.9. Tổng trọng lượng của hệ thống sàn...........................................................30 Hình 2.10. Chiều rộng tham gia làm việc của dầm phụ ............................................31 Hình 2.11. Chiều rộng tham gia làm việc của dầm chính .........................................33 Hình 3.1. Diện tích ô sàn xét tính toán ......................................................................37 Hình 3.2. Mặt cắt ngang ô sàn...................................................................................38 Hình 3.3. Mặt bằng sàn mô phỏng ............................................................................45 Hình 3.4. Chi tiết ô sàn (2-3)/(B-C) xem xét dao động ............................................45 Hình 3.5. Gia tốc của sàn tại vị trí điểm a .................................................................46 Hình 3.6. Gia tốc của sàn tại vị trí điểm b ................................................................46 Hình 3.7. Giao thoa gia tốc của sàn tại vị trí điểm a và điểm b ................................47 Hình 3.8. So sánh phản ứng sàn trước và sau khi thay đổi chiều dày sàn ................47 Hình 3.9. Gia tốc tính toán khi tăng độ cứng dầm ....................................................48 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Sàn liên hợp thép bê tông hiện đang là công nghệ hàng đầu trong ngành xây dựng của thế giới nói chung và của Việt Nam nói riêng. Trước kia, khi sử dụng các 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 trên, giải pháp kết cấu liên hợp thép bê tông đã và đang được sử dụng phổ biến cho các công trình nhà nhiều tầng cũng như nhà khung nhịp lớn. Kết cấu này đã 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. Công trình sử dụng kết cấu liên hợp sẽ đáp ứng được công năng sử dụng cao, hiệu quả về kinh tế và đảm bảo tính thẩm mỹ. Bên cạnh những ưu việt mà sàn liên hợp thép bê tông mang lại thì có những vấn đề đặt ra: đối với sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn trước những yếu tố tác động sẽ dao động như thế nào, cách để kiểm soát và hạn chế rung động này ra sao cần được quan tâm nghiên cứu là điều cần thiết. Vậy nên đề tài “Nghiên cứu khống chế dao động của sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn khi thiết kế” có ý nghĩa thực tiễn. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài a) Mục tiêu tổng quát: Nhận dạng dao động của sàn liên hợp - thép bê tông nhịp lớn và biện pháp hạn chế dao động . b) Mục tiêu cụ thể: - Nghiên cứu dao động của sàn liên hợp thép bê tông do hoạt động của con người. - Nghiên cứu các biện pháp kiểm soát và khống chế dao động trong kết cấu sàn liên hợp thép - bê tông nhịp lớn. 3. Đối tượng nghiên cứu: - Sàn liên hợp thép - bê tông nhịp lớn. 4. Phạm vi nghiên cứu: - Hạn chế dao động kết cấu sàn liên hợp thép - bê tông do hoạt động của con người. 5. Phương pháp nghiên cứu: - Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết dao động của sàn liên 2 hợp thép - bê tông. - Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm SAP2000 V20 để mô phỏng dao động của hệ kết cấu sàn liên hợp thép – bê tông. 6. Cơ sở khoa học và thực tiễn của luận văn: Nghiên cứu trong luận văn dựa trên cơ sở Hướng dẫn thiết kế Hoa Kỳ (AISC DG11) biên soạn và xuất bản tháng 5 năm 2016 và một số tài liệu tham khảo liên quan. Ngoài ra luận văn còn áp dụng những kiến thức về sức bền vật liệu, cơ học kết cấu và phần mềm SAP2000 V20 để tính toán dao động theo AISC DG11. 7. Bố cục đề tài: Chương 1: Tổng quan về sàn liên hợp thép - bê tông 1.1. Quá trình hình thành và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông 1.2. Một số công trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông 1.3. Đặc tính kết cấu liên hợp thép - bê tông 1.4. So sánh tính ưu việt của kết cấu liên hợp thép - bê tông so với kết cấu khác 1.5. Tổng quan về sàn liên hợp thép - bê tông 1.6. Kết luận chương I Chương 2: Một số vấn đề về dao động của sàn liên hợp thép bê tông 2.1. Giới thiệu về rung động sàn liên hợp thép - bê tông 2.2. Lý thuyết cơ bản về thiết kế rung động sàn liên hợp thép - bê tông theo Hướng dẫn thiết kế Hoa Kỳ (AISC DG11) 2.3. Thiết kế sàn liên hợp thép - bê tông nhịp lớn cho kích thích đi bộ 2.4. Kết luận chương 2 Chương 3: Kiểm soát và hạn chế dao động trong sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn 3.1. Ví dụ thiết kế sàn liên hợp thép bê tông nhịp lớn cho kích thích đi bộ 3.2. Khống chế dao động của sàn liên hợp thép bê tông khi thiết kế 3.3. Kết luận chương 3 Kết luận và kiến nghị 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG 1.1. Quá trình hình thành và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông Lịch sử phát triển của kết cấu hỗn hợp thép – bê tông gắn liền với lịch sử phát triển kết cấu bê tông cốt thép (BTCT). Thực chất kết cấu này là một cá biệt của kết cấu BTCT. Do tính chất cấu tạo của thép trong kết cấu liên hợp khác với trong kết cấu BTCT thông thường, tính chất làm việc, sự tương tác giữa bê tông và thép không giống như BTCT thường và do đó việc thiết kế kết cấu loại này cũng mang tính chất hoàn toàn khác. 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 bao gồm: + Bê tông được nhồi trong kết cấu thép ( Concrete Filled Tube – CFT): + Bê tông bọc ngoài kết cấu thép ( Concrete Encased Sections – CES): + Thép kết cấu liên kết với bê tông: Việc hình thành kết cấu này bắt nguồn từ hai nguyên nhân. Nguyên nhân 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 quá lớn hình thành nên kết cấu liên hợp. Nguyên nhân thứ hai bắt đầu từ ý tưởng muốn bao bọc kết cấu thép chịu lực bằng bê tông để chống xâm thực, chống cháy hoặc chịu lực, từ đó hình thành nên kết cấu liên hợp thép – bê tông. Tuy ra đời muộn hơn một số kết cấu truyền thống như kết cấu thép, kết cấu bê tông, kết cấu gỗ… nhưng dạng kết cấu này cũng đã được sử dụng tới hơn thế kỷ, và càng ngày càng thấy có nhiều điểm ưu việt cần phải khai thác. 4 1.1.1. Quá trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông trên thế giới Việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông dùng trong lĩnh vực xây dựng đã và đang được rất nhiều quốc gia quan tâm. Tại Mỹ, năm 1894, cầu Melan Arch được thiết kế bởi một kỹ sư người Áo J. Melan được đánh dấu là ứng dụng liên hợp đầu tiên. Cầu vòm bê tông, cốt thép và thép kết cấu vượt nhịp 30feet (~9m) qua một dòng suối ở một thành phố nhỏ Rock Rapids ở Northvvest Iowa. Hình 1.1. Cầu Melan Arch Ở Châu Âu, những năm 1900, ở Anh đã xuất hiện kết cấu liên hợp thép – bê tông, tuy nhiên lúc đầu người ta chỉ xem như phần thép chịu tải trọng, phần bê tông chỉ mang tính chất bảo vệ cho thép ( theo giáo sư P.R. Knowles). Khi sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông người ta nhận thấy rằng việc tạo ra các chi tiết neo để tăng lực dính kết giữa bê tông và thép là cực kì quan trọng và không thể thiếu được. Người ta băt đầu tạo liên kết giữa sàn bê tông và dầm thép hình đỡ sàn bằng các liên kết cơ học. Những liên kết đó loại trừ hoặc là giảm sự trượt tại bề mặt tiếp xúc giữa bê tông và thép, vì thế sàn bê tông và dầm thép sẽ làm việc chung tạo thành một kết cấu liên hợp gọi là “dầm liên hợp” Hình 1.2. Dầm thép thường và dầm thép liên hợp Ở Mỹ, chiếc cầu đầu tiên ứng dụng các chi tiết neo để tăng lực dính kết là cầu xây dựng ở Piere, South Dakat, năm 1986 dù chưa có lý thuyết tính toán. Sau những năm 1950 việc dùng thép tấm làm ván khuôn sàn và sau đó cùng làm việc với bản sàn bê tông tạo nên kết cấu liên hợp thép – bê tông rất được phổ 5 biến trong xây dựng nhà cao tầng ở Mỹ. Đối với nhà cao tầng, việc sử dụng kết cấu liên hợp có lợi thế thi công bê tông theo phương pháp trượt ván khuôn, khi đó hệ khung thép đủ để chịu tải trọng thi công và do đó tốc độ thi công nhanh hơn. Tòa nhà Atlantic Centre Project ở Atlanta cao 221m là một ví dụ tiêu biểu cho loại kết cấu này, ở đó hệ khung lõi cứng của nhà được thi công theo phương pháp ván khuôn trượt. Hình 1.3. One Atlantic Center, Atlanta (USA), 50 tầng Năm 1944 ở Mỹ, tiêu chuẩn Quốc gia đầu tiên về kết cấu hỗn hợp thép – bê tông AASHTO (The American Association of State Highway Transportation) mới được ban hành. Sau tiêu chuẩn Mỹ (AASHTO) và của Đức (DIN 1078), Ủy ban cộng đồng Châu Âu CEC (The Commission of the European Communities) đã thống nhất ban hành một số tiêu chuẩn cho mọi quốc gia trong công cộng về lĩnh vực xây dựng. Bộ tiêu chuẩn European Codes gồm 9 tập. Trong đó bộ tiêu chuẩn về kết cấu liên hợp thép - bê tông (Eurocodes 4) đã được đưa vào sử dụng năm 1997. Trong đó phần ENV 1994-4-1 là Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp cho xây dựng dân dụng, đầy đủ các phần từ vật liệu đến thiết kế sàn, dầm, cột… bằng kết cấu liên hợp thép – bê tông. 6 Ở Nhật Bản, từ năm 1910, kết cấu hỗn hợp thép – bê tông đã xuất hiện và được ứng dụng rộng rãi trong việc xây dựng nhà cao tầng (theo báo cáo của Giáo sư Minoru Wakabayashi trường đại học tổng hợp Kyoto). 1.1.2. Quá trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông ở Việt Nam Ở Việt Nam, lý thuyết tính toán cấu kiện liên hợp thép – bê tông (bê tông cốt cứng) đã được đưa vào giáo trình “ Kết cấu bê tông cốt thép – phần cấu kiện cơ bản” xuất bản 1995, dựa vào lý thuyết tính toán của Nga. Năm 2006, “ Giáo trình Kết cấu liên hợp thép – bê tông” của PGS.TS Phạm Văn Hội đã viết theo tiêu chuẩn Eurocode 4 (Design of Composite Steel and Concrete Structures) và các tài liệu ứng dụng tiêu chuẩn trên để thiết kế các cấu kiện liên hợp thép – bê tông ở Việt Nam .Với yêu cầu phát triển xây dựng hiện nay, loại kết cấu này chắc chắn sẽ được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam. 1.2. Một số công trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông 1.2.1. Một số công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông trên thế giới Nói đến nhà cao tầng dùng kết cấu liên hợp tiêu biểu ở Mỹ cần kể đến tòa nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas (USA). Tòa nhà cấu tạo từ các mảng tường bê tông cốt thép toàn khối ở bốn góc nhà, giữa các cột thép bọc bê tông, các sàn dùng dầm thép đỡ bản sàn bê tông đổ tại chỗ liền với ván khuôn thép cố dịnh. Nhà cao 778 feet (237 m), diện tích khoảng 2.000.000 feet vuông (185.806m2), chu kỳ dao động riêng của nhà là 6,7 giây, chi phí thép cho nhà trung bình khoảng 16 found cho 1feet vuông (khoảng 78kG/m2) 7 Hình 1.4. Tòa nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas (USA) Tháp Thiên niên kỷ (Viên – Áo), tòa nhà này có 55 tầng với diện tích khoảng 1000m2 và có chiều cao hơn 202m (bao gồm cả awngten). Hình 1.5. Tháp Thiên niên kỷ (Viên-Áo) Trụ sở của Citibank ở Duisburg (Germany), cao 15 tầng (72m), diện tích 14.500m2. Theo chiều cao, tòa nhà được xây dựng cứ 3m trong một tuần. 8 Hình 1.6. Citibank ở Duisburg (Germany). 1.2.2. Một số công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông ở Việt Nam Diamond Plaza ở TP HCM (21 tầng), sử dụng kết cấu khung thép bọc vật liệu chống cháy là sỉ lò cao, công trình của công ty xuất nhập khẩu Hồng Hà ở Hà Nội sử dụng kết cấu sàn liên hợp. Hình 1.7. Tòa nhà Diamond Plaza, TP.HCM. 9 Bitexco Finaancial Tower được xây dựng trên diện tích 5.267m2 quy mô 68 tầng với chiều cao 262m. Tòa nhà được thiết kế bằng thép và kính. Hình 1.8. Trung tâm thương mại tài chính Bitexco, TP Hồ Chí Minh Vietinbank Tower Hà Nội bao gồm 2 tòa tháp, được liên kết với nhau bằng khối đế 7 tầng. Tháp thứ nhất cao 68 tầng, tháp thứ hai cao 48 tầng. Hình 1.9. Vietinbank Tower, Hanoi 10 JW Marriott Hà Nội đạt tiêu chuẩn 5 sao, tọa lạc trên diện tích 63.000m2 và 16.000m2 mặt nước, bao gồm 9 tầng. Hình 1.10. Khách sạn JW Marriott, Hà Nội Nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ, Hà Nội gồm 2 tầng hầm và 21 tầng chức năng. Hình 1.11. Dự án toà nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ 11 1.3. Đặc tính của kết cấu liên hợp thép – bê tông Khi thiết kế một công trình, ngoài việc đảm bảo khả năng chịu lực, độ cứng dẻo của kết cấu mà còn phải đảm bảo các yêu cầu về kiến trúc, kinh tế, thi công, cũng như khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn. 1.3.1. Kiến trúc Kết cấu liên hợp cho phép sự đa dạng trong kiến trúc bằng cách kết hợp các cấu kiện liên hợp theo nhiều kiểu. Ngoài ra, với tiết diện nhỏ của dầm cho phép tạo ra: - Nhịp lớn hơn - Sàn mỏng hơn - Cột mảnh hơn Những yếu tố trên tạo điều kiện thuận lợi cho thiết kế không gian kiến trúc. 1.3.2. Kinh tế Tiết kiệm được nhiều chi phí do sử dụng cấu kiện có tiết diện nhỏ hơn (độ cứng lớn có khả năng vượt nhịp lớn, giảm độ võng, giảm chiều cao tiết diện) và lắp đặt nhanh trong thi công. Lợi ích tỷ số nhịp và chiều cao được thể hiện: - Giảm chiều cao tiết diện dẫn đến giảm chiều cao toàn bộ công trình và tiết kiệm được diện tích bao che; - Nhịp lớn hơn so với các kết cấu khác có cùng chiều cao dẫn đến tạo ra những không gian rộng lớn, giảm số lượng cột trong mặt bằng; - Nhiều tầng hơn so với các kết cấu khác có cùng chiều cao. Kết cấu liên hợp được lắp đặt dễ dàng và nhanh hơn nên: - Tiết kiệm chi phí thi công, thời gian hoàn thành công trình sớm; - Đưa công tình vào sử dụng dần đến thu hồi vốn nhanh hơn. 1.3.3. Chịu nhiệt và chống ăn mòn Các công trình kết cấu thép cổ điển tốn rất nhiều chi phí để bảo vệ thép kết cấu dưới tác dụng nhiệt của lửa. Các kết cấu hiện đại và kết cấu liên hợp có thể chịu lửa bằng cách kết hợp với bê tông cốt thép, bê tông sẽ bảo vệ thép do bê tông có khối lượng lớn và dẫn nhiệt kém; Các dầm và cột thép sẽ được bao bọc hoàn toàn hoặc một phần. Điều này không chỉ giúp duy trì nhiệt độ thấp trong thép mà còn tăng khả năng chịu lực, tăng độ ổn định của cấu kiện; 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. 12 1.3.4. Thi công Ngày nay sàn liên hợp thép - bê tông được sử dụng rộng rãi trong các công trình do các tiện lợi đem đến cho chủ đầu tư và đơn vị thầu : - Sàn công tác: Trước khi đổ bê tông, các tấm tôn sóng phục vụ như một sàn công tác rất an toàn; - Coppha cố định: Các tấm tôn sóng được phủ lên các dầm theo một phương, các tấm tôn đóng vai trò coppha trong quá trình đổ bê tông, có thể không cần các cây chống phụ trong khi thi công, ngoài ra tấm tôn còn giữ nước rất tốt trong quá trình đổ bê tông; - Mặt dưới tấm thép vẫn giữ được sạch sẽ sau khi đổ bê tông và nếu sử dụng các tấm thép màu sẽ tăng tính thảm mỹ; - Cốt thép trong sàn: Cốt thép được đặt trong sàn sẽ tăng khả năng chịu momen dương, chống co ngót, nút do nhiệt độ, chịu momen âm là bản liên tục. Sự làm việc liên hợp đạt được khi sử dụng tấm thép sóng; - Tốc độ thi công nhanh, đơn giản: Thép tấm có trọng lượng nhẹ thuận lợi vận chuyển và cất giữ ở công trường. Một xe có thể vận chuyển 1500m2 thép tấm làm sàn, một đội có thể lắp đặt 400m2 thép tấm trong ngày; - Chất lượng cấu kiện: các cấu kiện bằng thép được chế tạo tại nhà máy dưới sự quản lý nghiêm ngặt, giảm thiểu được các yếu tố phát sinh, tăng độ chính xác cao. Thi công, xây lắp một công trình kết cấu liên hợp thép – bê tông rất nhanh và kinh tế chia ra thành các quá trình sau: - Đầu tiên khung thép có giằng hoặc không giằng sẽ được lắp dựng, nếu các ống thép được lắp vào trong kết cấu thì các lồng cốt thép đã được lắp đặt cố định ở xưởng sản xuất; - Các chi tiết truyền lực giữa bê tông và cốt thép như bracket, tấm thép đệm, neo chống trượt đã được chuẩn bị tại công xưởng để tăng tốc độ xây lắp và phải được lên kế hoạch chi tiết.Sau khi lắp đặt các cột xong, các dầm thép sẽ được lắp vào giữa các cột (có thể chỉ gác lên các cột); - Sàn bê tông đúc sẵn hoặc tấm thép tôn để làm sàn được gác lên phục vụ như sàn công tác, tấm coppha; - Cuối cùng đúc bê tông sàn và cột cùng một lúc. Sau khi bê tông đông cứng, độ cứng và khả năng chịu lực của cột và dầm sẽ tăng lên, liên kết sẽ tự động chuyển sang liên kết nửa cứng. 1.4. So sánh tính ưu việt của kết cấu liên hợp thép – bê tông so với kết cấu khác Kích thước của cấu kiện khi sử dụng kết cấu liên hợp nhỏ hơn nhiều so với kết cấu không liên hợp. Điều này thể hiện rõ qua kết quả so sánh thể hiện ở bảng