Tài liệu Nghiên cứu liên kết cột biến ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép.

NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT CỘT BIÊN ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Học viên: Nguyễn Quốc Nhật, Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.58.02.08, Khóa 32, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: - Sàn phẳng bê tông cốt thép có những ưu điểm: Giảm chiều cao của tầng, thuận tiện cho việc bố trí đường ống thiết bị kỹ thuật, dễ dàng thông gió và linh hoạt bố trí mặt bằng. Cột ống thép nhồi bê tông (CFST) có những ưu điểm: Cường độ cao, độ cứng lớn, độ dẻo và khả năng phân tán năng lượng lớn, v.v. Với những ưu điểm trên, việc kết hợp giữa sàn phẳng với cột CFST là giải pháp kết cấu hợp lý cho nhà cao tầng. Các nghiên cứu hiện nay về liên kết giữa cột biên CFST với sàn phẳng BTCT còn hạn chế. Do vậy, luận văn nghiên cứu đề xuất giải pháp liên kết cột biên CFST với sàn phẳng BTCT, thực hiện tính toán liên kết theo tiêu chuẩn ACI 318 và thực hiện thí nghiệm để xác định khả năng chịu lực của liên kết đề xuất. Kết quả thí nghiệm cho thấy khả năng chịu lực của liên kết lớn hơn kết quả tính toán theo tiêu chuẩn. Điều này cho thấy giải pháp liên kết đề xuất cột biên CFST với sàn phẳng BTCT là tin cậy. Từ khóa: - Ống thép nhồi bê tông; Sàn phẳng; Bê tông cốt thép; Liên kết; Cột biên. STUDYING CONNECTION BETWEEN CONCRETE FILLED STEEL TUBE EXTERIOR COLUMN AND REINFORCED CONCRETE FLAT SLAB Abstract: - The reinforced concrete (RC) flat floor has the following advantages: Reducing the height of the floor, facilitating the arrangement of technical equipment, ventilation and flexible layout. The concrete filled steel tube (CFST) column has the following advantages: High strength, high ductility and high energy dissipation, etc.. With the above advantages, the combination between RC flat floor with CFST column is a reasonable structural solution for high-rise buildings. However, the current studies on the connection between the CFST column and the reinforced concrete floor are limited. Therefore, this thesis proposed the solution for connection betweeen CFST exterior column and the reinforced concrete floor, performing the calculation according to ACI 318 and conducting the experiment to determine bearing capacity of the proposed connection. The test results show that the bearing capacity of the connection is greater than the calculated result of the standard. This shows that the proposed CFST column solution with flat floor is reliable. Keywords: - Concrete filled steel tube (CFST); Floor Flat; Reinforced Concrete (RC); Connection; Exterior column. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ........................................................................... 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 2 5. Kết quả dự kiến ................................................................................................... 2 6. Bố cục của đề tài ................................................................................................. 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CỘT CFST, SÀN PHẲNG BTCT VÀ LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI SÀN PHẲNG BTCT ............................................................ 3 1.1. TỔNG QUAN VỀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG ..................................... 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. Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông ................................... 6 1.1.4. Khả năng áp dụng ......................................................................................... 7 1.2. TỔNG QUAN CÁC LOẠI SÀN PHẲNG BTCT ............................................... 8 1.2.1. Sàn phẳng BTCT thường .............................................................................. 8 1.2.2. Sàn phẳng bê tông ứng suất trước................................................................. 9 1.2.3. Sàn Bubbledeck .......................................................................................... 10 1.2.4. Sàn U-boot Beton........................................................................................ 11 1.3. TỔNG QUAN VỀ LIÊN KẾT GIỮA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ...................................................................... 13 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1................................................................................... 19 CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP CẤU TẠO VÀ TÍNH TOÁN LIÊN KẾT CỘT BIÊN CFST VỚI SÀN PHẲNG BTCT ................................................................................ 20 2.1. GIẢI PHÁP CẤU TẠO LIÊN KẾT CỘT BIÊN – SÀN PHẲNG BTCT ......... 20 2.2. GIẢI PHÁP TÍNH TOÁN LIÊN KẾT CỘT BIÊN – SÀN PHẲNG BTCT ..... 23 2.3. THIẾT KẾ LIÊN KẾT SÀN BTCT – CỘT CFST CHO CỘT BIÊN ............... 28 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2................................................................................... 41 CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT LIÊN KẾT BẰNG THỰC NGHIỆM ........................... 42 3.1. CHẾ TẠO MẪU, THIẾT BỊ VÀ THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM ......................... 42 3.1.1. Đề xuất mẫu thí nghiệm .............................................................................. 42 3.1.2. Chế tạo mẫu thí nghiệm .............................................................................. 43 3.1.3. Thiết bị thí nghiệm...................................................................................... 45 3.1.4. Thiết lập thí nghiệm .................................................................................... 46 3.2. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CỦA VẬT LIỆU ............................ 47 3.2.1. Bê tông ........................................................................................................ 47 3.2.2. Cốt thép ....................................................................................................... 48 3.3. MÔ TẢ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO ............... 49 3.3.1. Mô tả kết quả thí nghiệm ............................................................................ 49 3.3.2. Đánh giá kết quả đo .................................................................................... 51 3.3.3. Nhận xét về mô hình phá hoại qua kết quả thí nghiệm liên kết cột biên CFST với sàn phẳng BTCT. .......................................................................................... 52 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3................................................................................... 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (BẢN SAO) DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT a Ab As Awf Aws b b0 b01 : Chiều cao vùng nén bêtông : Diện tích thanh thép neo : Tổng diện tích cốt thép chịu kéo trên bề rộng b của dải sàn : Diện tích tính toán của tiết diện đường hàn ứng với tiết diện 1 : Diện tích tính toán của tiết diện đường hàn ứng với tiết diện 2 : Bề rộng dải bản sàn : Chu vi tiết diện tới hạn của tháp chọc thủng cách mặt cột d/2 : Chu vi tiết diện tới hạn của tháp chọc thủng cách mặt cột 3/4 chiều dài cánh tay vươn chịu cắt BTCT : Bê tông cốt thép CFST : Concrete filled steel tube (Ống thép nhồi bêtông) d : Chiều cao làm việc của sàn db : Đường kính cốt thép Ec : Môđun đàn hồi của bêtông Es : Môđun đàn hồi của cốt thép ' fc : Cường độ chịu nén của bêtông fy : Cường độ chịu kéo của cốt thép fv : Cường độ tính toán về cắt của vật liệu tấm thép fwf : Cường độ tính toán chịu cắt quy ước của que hàn fws : Cường độ tính toán chịu cắt quy ước của thép cơ bản Ic : Mômen quán tính của tiết diện bê tông bao quanh mũ chịu cắt Is : Mômen quán tính của tấm thép chịu cắt h : Chiều dày sàn hf : Chiều cao đường hàn hw : Chiều cao tấm thép ld : Chiều dài neo thép thẳng ldb : Chiều dài neo cơ bản ldh : Chiều dài neo thép có móc neo tiêu chuẩn lw : Chiều dài đường hàn Mp : Mômen dẻo của tấm thép chịu cắt S : Mômen tĩnh của một nữa tiết diện chữ nhật tấm thép tw : Chiều dày tấm thép Vc : Khả năng chịu cắt danh nghĩa của bê tông sàn Vmax : Lực cắt lớn nhất trên dầm Vn Vp Vu wu Wwf Wws τtd βf βs η  γc : Lực cắt danh nghĩa tại tiết diện d/2 gồm (BT+tấm thép) : Lực cắt truyền vào một tấm thép : Lực cắt tổng cột tác dụng vào cột : Tải trọng phân bố đều trên sàn : Mô men kháng của tiết diện đường hàn ứng với tiết diện 2 : Mô men kháng của tiết diện đường hàn ứng với tiết diện 1 : Ứng suất tiếp trên đường hàn : Hệ số chiều sâu nóng chảy trên tiết diện qua đường hàn : Hệ số chiều sâu nóng chảy trên tiết diện qua thép cơ bản : Số lượng tấm thép chịu cắt : Hệ số độ tin cậy của bê tông chịu cắt : Hệ số điều kiện làm việc DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng 3.1. 3.2. Tên bảng Kết quả thí nghiệm nén mẫu bê tông Số liệu thí nghiệm kéo cốt thép thanh Trang 48 49 DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu hình 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9. 1.10. 1.11. 1.12. 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. 2.7. 2.8. 2.9. 2.10. 2.11. 2.12. 2.13. 2.14. Tên hình Trang Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tông Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tông Cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép Cột CFST được bao bê tông (Concrete-encased CFST) Cột CFST tăng cường kết cấu thép và cốt thép gia cường CFST với sườn tăng cứng Một số tiết diện tổ hợp từ cột CFST Ví dụ về cầu được xây dựng bằng kết cấu CFST Sàn phẳng bê tông cốt thép Sàn bê tông ứng suất trước Sàn Bubbledeck Sàn U-Boot Beton Thí nghiệm liên kết cột CFST-sàn BTCT Jin-Won Kim(2014)[6] Sự phá hoại sàn BTCT - thí nghiệm của Jin-Won Kim (2014)[6] Mẫu liên kết của Y. Su, Y. Tian (2010)[12] Mô phỏng quá trình thí nghiệm - Y. Su, Y. Tian (2010) [12] Liên kết đề xuất bởi Cheol-Ho Lee (2007) [4] Liên kết đề xuất bởi Young K. Ju (2013)[13] Liên kết cột CFST - sàn BTCT đề xuất bởi Hiroki Satoh (2004)[2] Thép mũ chịu cắt trong sàn phẳng Dầm tích hợp trong bản sàn Chốt thép chịu cắt bố trí trong bản sàn Chốt thép chịu cắt bố trí trong bản sàn Cấu tạo liên kết cột biên CFST – sàn phẳng BTCT Cấu tạo chi tiết liên kết cột biên CFST – sàn phẳng BTCT Mặt phá hoại theo kiểu cắt thủng Xác định chu vi tiết diện tới hạn khi không có Shear-head Xác định chu vi tiết diện tới hạn khi sử dụng Shear-head Tiết diện tới hạn và nội lực trong thép mũ chịu cắt Các tiết diện làm việc của đường hàn Sơ đồ gia tải Kiểm tra ứng suất cắt tại tiết diện thứ nhất Bố trí thép Shear-head; Chu vi chịu cắt b02=2000mm với lv=750mm 3 4 4 5 5 5 6 8 9 10 10 12 13 14 15 15 16 18 18 20 21 21 22 22 23 24 24 25 26 28 30 33 35 Số hiệu hình 2.15. 2.16. 2.17. 2.18. 2.19. 2.20. 2.21. 2.22. 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 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. Tên hình Tiết diện tính toán ảnh hưởng của tấm thép Xác định trục vị trí trục trung hòa Xác định chiều cao đường hàn tấm thép vào cột Bố trí cốt thép lớp trên (hàm lượng thép ρ = 1,26 %) Bố trí cốt thép lớp dưới Bố trí cốt thép đai U Bố trí thép Shear-head Bố trí Shear-head Mẫu thí nghiệm cột biên liên kết cột CFST-sàn phẳng BTCT Chế tạo mẫu cột - tấm thép chịu cắt Gia công cốt thép thanh Bố trí cốt thép cho mẫu Cấu tạo chi tiết cốt thép Lắp đặt các strain gauges và hoàn thành ván khuôn cốt thép Đổ bê tông sàn và dưỡng hộ mẫu Cảm biến đo biến dạng (strain gauges) Cảm biến đo chuyển vị LVDT Kích thủy lực 250 (tấn) và bơm dầu dùng cho thí nghiệm Lắp đặt thiết bị và thiết bị đo cho mẫu thí nghiệm Đúc mẫu bê tông mẫu trụ 150×300mm và dưỡng hộ Thí nghiệm nén mẫu bê tông Mẫu thép, thí nghiệm kéo thép Vết nứt đầu tiên trên sàn tại cấp tải P=140kN Vết nứt trên sàn tại cấp tải P=160kN Vết nứt trên sàn tại cấp tải P=260kN Vết nứt trên sàn tại cấp tải P=400kN Sự phá hoại sàn tại P=440kN Đồ thị tải trọng – chuyển vị đứng của sàn Đồ thị tải trọng – chuyển vị so với ACI 318 Trang 36 36 38 39 39 40 40 41 42 43 43 44 44 44 45 45 46 46 47 47 48 48 49 50 50 50 51 51 52 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, xu hướng xây dựng nhà cao tầng ngày càng được sử dụng nhiều ở Việt Nam. Một hệ kết cấu hợp lý sẽ đem lại ý nghĩa lớn về mặt kĩ thuật và hiệu quả sử dụng cho công trình. Kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) được xem là giải pháp sàn hiệu quả vì nó làm giảm được chiều cao tầng, tăng số tầng sử dụng cũng như thuận tiện cho thi công đẩy nhanh tiến độ xây dựng, thuận lợi cho việc bố trí đường 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 thép thông thường thì kích thước cột sẽ rất lớn ảnh hưởng đến mặt bằng kiến trúc cũng như 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 ưu điểm vượt trội về mặt kĩ thuật như độ cứng lớn, cường độ cao, độ dẻo và khả năng phân tán năng lượng lớn, về mặt công nghệ cột ống thép nhồi bê tông dễ dàng thi công và không tốn coffa, rút ngắn được thời gian thi công xây dựng 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 đem 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 chưa được hiểu rõ. Hiện nay, các nghiên cứu chỉ thực hiện cho liên kết cột giữa với sàn phẳng BTCT và chưa thấy nghiên cứu đề cập đến liên kết giữa cột biên CFST và sàn phẳng BTCT. Do đó, việc nghiên cứu liên kết cột biên CFST với sàn phẳng bê tông cốt thép là cần thiết để đưa ra các giải pháp cấu tạo, khảo sát các ứng xử, trạng thái làm việc cũng như 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 do để thực hiện luận văn với đề tài: “Nghiên cứu liên kết cột biên ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông, sàn phẳng bê tông cốt thép và liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép; Đề xuất giải pháp liên kết giữa cột biên CFST với sàn phẳng BTCT; Đề xuất giải pháp tính toán liên kết cột biên CFST với sàn phẳng BTCT; Thí nghiệm đánh giá hiệu quả, sự làm việc của các liên kết cột biên CFST với sàn phẳng BTCT; So sánh sự làm việc giữa cột biên và cột giữa, từ đó đưa ra các lưu ý khi thiết kế, tính toán, cấu tạo. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Mối liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT. Phạm vi nghiên cứu: Mối liên kết giữa cột biên CFST với sàn phẳng BTCT. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết tính toán, cấu tạo; nghiên cứu thực nghiệm. 5. Kết quả dự kiến Đưa ra cấu tạo cho liên kết giữa cột biên ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép; Đưa ra chỉ dẫn tính toán; Đánh giá tính hiệu quả của liên kết cột biên CFST với sàn phẳng 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 tượng và phạm vi nghiên cứu 4. Phương pháp nghiên cứu Chương 1: Tổng quan về kết cấu cột ống thép nhồi bê tông, sàn phẳng bê tông cốt thép và mối liên kết giữa cột CFST với sàn phẳng BTCT Chương 2: Nghiên cứu cấu tạo và tính toán liên kết giữa cột biên ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép Chương 3: Khảo sát liên kết bằng thực nghiệm Kết luận và kiến nghị 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CỘT CFST, SÀN PHẲNG BTCT VÀ LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI SÀN PHẲNG BTCT 1.1. TỔNG QUAN VỀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG 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 Như đã biết, cường độ chịu nén của bê tông lớn hơn rất nhiều so với cường độ chịu kéo và cường độ chịu nén của bê tông sẽ được tăng lên khi bê tông bị hạn chế nở hông. Đối với kết cấu thép, cường độ chịu kéo cao nhưng dễ bị mất ổn định cục bộ dưới tải trọng nén. Trong loại kết cấu cột CFST, cốt thép và bê tông được 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 ưu điểm. Loại kết cấu này hiện đang được nghiên cứu áp dụng cho công trình nhà, xưởng, các công trình cầu đường 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 dạng. Dưới đây là một số dạng cấu tạo cho họ cột này. Dạng tiết diện phổ biến nhất của cột CFST là tiết diện mà bê tông được 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 như xuất hiện đối với tiết diện hình vuông và chữ nhật. Tuy nhiên cột CFST với các tiết diện 4 SHS và RHS vẫn tiếp tục được sử dụng nhiều trong xây dựng với những ưu điểm riêng của nó. Những dạng tiết diện ngang khác cũng được sử dụng cho mục đích nghệ thuật như dạng đa giác, dạng elip… (Hình 1.2). OÁng theùp Loõi beâtoâng a Loõi beâtoâng OÁng theùp Loõi beâtoâng a D OÁng theùp Loõi beâtoâng 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 được gọi là cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép. Tiết diện cột bao gồm ống thép trong và ống thép ngoài, bê tông được nhồi vào giữa hai ống thép (Hình 1.3). Với cấu tạo mặt cắt như thế này, cột sẽ có độ cứng chống uốn lớn, cường độ cao, khả năng chống cháy tốt hơn và tránh được 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 ưu khi thiết kế những cấu kiện với tiết diện ngang lớn. OÁng theùp Loõi beâtoâng OÁng theùp Loõi beâtoâng OÁng theùp Loõi beâtoâng OÁng theùp Loõi beâtoâng OÁng theùp Loõi beâtoâng Hình 1.3. Cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép Một trường hợp khác của kết cấu CFST là sử dụng bê tông cốt thép truyền thống để bao bọc CFST như Hình 1.4. Cấu tạo tiết diện gồm ống thép bên trong được lắp đặt trước tiếp theo là lắp đặt các hệ thép gia cường, lớp bê tông bên trong và bên ngoài được đổ sau đó. Việc nhồi bê tông vào trong ống sẽ làm tăng tối đa khả năng giam hãm bê tông nâng cao cường độ tới hạn của tiết diện. Bê tông cốt thép bao bọc bên ngoài tạo thành một lớp chống cháy cho lõi bên trong, do đó khả năng chống cháy của loại cột này được tăng đáng kể so với cột CFST truyền thống. Ngoài ra, loại cột này còn có khả năng kháng bất 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. 5 OÁng theùp Beâtoâng Beâtoâng OÁng theùp Coát theùp meàm 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 thép gia cường luôn luôn được sử dụng để tăng sức kháng tải của cấu kiện CFST mô tả ở Hình 1.5. Mặt cắt kết cấu thép 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 được xem xét như khả năng kết hợp của kết cấu thép với những phần của cột CFST. Coát theùp hình OÁng theùp OÁng theùp Loõi beâtoâng OÁng theùp Loõi beâtoâng 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 thường, bất ổn định cục bộ của ống thép thông thường xuất hiện sau khi tiết diện liên hợp đạt đến cường độ tới hạn. Điều này có thể là một vấn đề quan trọng cho sự phát triển và ứng dụng ống thành mỏng với thép cường độ cao. Những sườn tăng cứng ngang và dọc có thể được hàn vào ống thép để cải thiện cường độ và độ dẻo của cột liên hợp. Đối với cột có tiết diện ngang lớn, các sườn tăng cứng có thể hàn vào mặt trong của ống. Các thanh nối cũng có thể được hàn nối các sườn gia cường như Hình 1.6. Hiệu quả của sườn tăng cứng trong việc trì hoãn bất ổn định cục bộ của ống thép đã được kiểm tra bằng những nghiên cứu thực nghiệm. Söôøn taêng cöùng Thanh noái 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 6 hợp các cột CFST riêng lẻ thành các dạng kết cấu CFST tổ hợp để phát huy các ưu điểm của kết cấu thép bê tông liên hợp như 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 được sử dụng cho các kết cấu nhà cao tầng cũng như 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 CFST OÁng theùp roãng (c) (d) Hình 1.7. Một số tiết diện tổ hợp từ cột CFST 1.1.3. Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông a. Ưu điểm Độ bền của lõi bê tông (lớp vỏ thép với chức năng như lớp áo bọc chặt bên ngoài) đã được tăng khoảng 2 lần so với độ bền của bê tông thường [10]; Cách sắp xếp vật liệu trên trên mặt cắt ngang làm tối ưu cường độ và độ cứng của cấu kiện. Cốt thép được 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 tưởng để chống lại tải trọng nén trong quá trình làm việc, trì hoãn và chống lại sự bất ổn định cục bộ của ống thép đặc biệt các cấu kiện có tiết diện hình vuông hoặc chữ nhật [7]. Ngoài ra, ống thép cản trở biến dạng nở hông của lõi bê tông làm tăng cường độ chịu nén và độ dẻo dai đối với cấu kiện CFST; Việc nhồi bê tông vào trong ống thép làm nâng cao độ chống ăn mòn bên 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 thép khi va đập [10]; 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 tương tự làm bằng kết cấu bê 7 tông cốt thép hay kết cấu thép thông thường. Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn so với kết cấu bê tông do đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng 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 hư hỏng do 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 dàng đạt chất lượng bê tông cao hơn [10],[7]. b. Nhược điểm Một cấu kiện CFST bao gồm hai vật liệu với sự khác nhau về đường cong ứng suất-biến dạng và ứng xử cũng có sự khác biệt rõ rệt. Sự tương tác giữa hai vật liệu này đặt ra một bài toán khó trong việc xác định thuộc tính kết hợp như mô men quán tính, môdul đàn hồi; Cơ chế phá hoại cấu kiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng, chiều dài, đường kính, chiều dày ống thép, cường độ thép và cường 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 dư, hiện tượng từ biến, sự co ngót và các dạng tải trọng làm phức tạp thêm sự phân tích và thiết kế đối với cấu kiện CFST [7]; Một hạn chế nữa ảnh hưởng 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 chưa được hiểu rõ do đó gây 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 được nghiên cứu để dần hoàn thiện các yêu cầu về mặt cấu tạo, lý thuyết tính toán cũng như nhận thức sâu hơn về ứng xử của loại kết cấu này. 1.1.4. Khả năng áp dụng Kết cấu ống thép nhồi bê tông được ứng dụng rộng rãi cho rất nhiều lĩnh vực như nhà dân dụng và công nghiệp, cầu đường, giàn khoan dầu... Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, loại kết cấu này được áp dụng khá nhiều cho cấu kiện chịu lực chính như hệ móng cọc, các cột đỡ của toà nhà cao tầng. Các công trình nhà ở tại thành phố Kobe được xây dựng nhằm chống lại những tác động lớn từ động đất và kết cấu CFST đáp ứng được điều này. Hiện nay, việc xây dựng cầu qua các sông rộng và sâu, có nhu cầu lưu thông đường thuỷ lớn và điều kiện địa chất phức tạp đang đòi hỏi phải sử dụng các loại nhịp lớn khẩu độ hàng trăm mét. Với các kích thước như 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 dựng cũng như 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 nén chính như vòm chính của cầu vòm, thanh mạ cong trong cầu dàn, hệ móng cọc của kết cấu trụ, thân trụ sẽ đáp ứng được yêu cầu về chịu lực cao, độ cứng lớn vừa đáp ứng được việc giảm trọng lượng bản thân kết cấu. 8 Hình 1.8. Ví dụ về cầu được xây dựng bằng kết cấu CFST Trong lĩnh vực xây dựng dầu khí, năm 1989 tại 2 dàn khoan dầu ở biển Đen và biển Azov của Liên Xô đã sử dụng cấu kiện mặt cắt rỗng tổ hợp 3 loại vật liệu thép - bêtông làm các trụ đỡ chính của dàn khoan, nhờ đó giảm được 30% lượng thép so với dàn khoan bằng thép cùng loại; hơn nữa, phần rỗng còn được dùng để lắp các thiết bị công nghệ và cáp thông tin. 1.2. TỔNG QUAN CÁC LOẠI SÀN PHẲNG BTCT Với xu hướng phát triển của công nghệ cũng như yêu cầu về mặt kiến trúc, thẩm mỹ kinh tế cho công trình thì hệ kết cấu sàn sườn truyền thống dần dần được thay thế bởi hệ sàn phẳng không dầm với nhiều ưu điểm nổi trội như tạo ra không gian sử dụng linh hoạt, dễ dàng cho việc bố trí không gian sử dụng phù hợp với công năng của công trình, giảm số lượng cột, chiều cao thông thuỷ hợp lý, dễ dàng đáp ứng các yêu cầu bố trí hệ kĩ thuật. Dưới đây sẽ giới thiệu tổng quan về một số loại sàn phẳng được sử dụng ở Việt Nam. 1.2.1. Sàn phẳng BTCT thường Là hệ thống chịu lực theo một hoặc hai phương được kê trực tiếp lên cột hoặc tường chịu lực như Hình 1.9. Nó là một trong những dạng kết cấu sàn phổ biến nhất trong các tòa nhà. Điểm đặc biệt của loại sàn này là chiều dày không đổi hoặc gần như không đổi tạo ra mặt phẳng phía dưới của sàn dẫn tới sự đơn giản trong việc làm cốt pha và thi công. Sàn này cho phép linh hoạt trong việc tạo vách ngăn và có thể không cần phải sử dụng trần giả. Nhịp kinh tế của sàn phẳng với tải trọng từ nhỏ tới trung bình thường bị giới hạn bởi việc kiểm soát độ võng dài hạn và có thể cần phải tạo độ vồng tường hợp lý (không quá lớn) hoặc sử dụng sàn bê tông ứng suất trước. Nhịp kinh tế đối với sàn phẳng BTCT là 6m đến 8m. Nhịp L của sàn phẳng BTCT xấp xỉ 28D đối với nhịp đơn, 30D đối với nhịp biên và 32D đối với nhịp trong của sàn nhiều nhịp trong đó D là chiều dày sàn. 9 Ưu điểm: + Cốt pha đơn giản, thi công nhanh; + Tạo không gian linh hoạt, dễ dàng bố trí mặt bằng; + Không dầm, tạo khoảng thông thủy lớn ở dưới sàn; + Chiều dày kết cấu nhỏ và từ đó giảm được chiều cao tầng. Nhược điểm: + Nhịp trung bình, khả năng chịu tải ngang hạn chế; + Cần có cốt thép chống chọc thủng ở xung quanh cột hoặc cột cần có kích thước lớn hơn; + Cần kiểm soát độ võng dài hạn. Hình 1.9. Sàn phẳng bê tông cốt thép 1.2.2. Sàn phẳng bê tông ứng suất trước Trong cấu kiện bê tông ứng suất trước, bằng cách đặt vào một lực nén trước tạo bởi lực kéo cốt thép, nhờ tính đàn hồi, cốt thép có xu hướng co lại tạo nên lực nén trước và gây ra ứng suất trước trong bê tông. Ứng suất nén trước trong bê tông sẽ triệt tiêu hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng sử dụng gây ra. Do đó, khả năng chịu kéo của bê tông được nâng cao và hạn chế sự phát triển vết nứt. Ứng suất trước chính là việc tạo cho kết cấu một cách có chủ ý các ứng suất tạm thời nhằm tăng cường sự làm việc của vật liệu trong các điều kiện sử dụng khác nhau. Nói cách khác trước khi cấu kiện chịu tải trọng sử dụng cốt thép đã bị căng trước còn bê tông đã bị nén trước [11]. Trong bê tông ứng suất trước do có thể khống chế sự xuất hiện khe nứt bằng lực căng trước nên cần thiết và có thể dùng cốt thép cường độ cao. Mặt khác để có thể giảm được kích thước tiết diện và từ đó giảm trọng lượng bản thân của cấu kiện, đồng thời tăng ứng suất tập trung ở vùng neo cần phải sử dụng bê tông cường độ cao. Bê tông ứng lực trước đã trở thành một sự kết hợp lý tưởng giữa hai loại vật liệu hiện đại có cường độ cao [11]. Sử dụng sàn bê tông ứng suất trước có nhiều ưu điểm như có khả năng vượt nhịp lớn, khả năng chịu uốn, chịu cắt cao hơn so với sàn bê tông cốt thép thường có cùng tiết diện, hạn chế được biến dạng, khe nứt, tăng độ bền của kết cấu, do sử dụng được 10 vật liệu có cường độ cao nên giảm được kích thước tiết diện, tiết kiệm được khối lượng vật liệu, làm giảm trọng lượng bản thân, giảm chi phí cho nền móng …. Hình 1.10. Sàn bê tông ứng suất trước Về lý thuyết tính toán, nhiều tổ chức và quốc gia trên thế giới đã nghiên cứu và cho ra đời các tiêu chuẩn, quy phạm về bê tông ứng suất trước như tiêu chuẩn FIP của Liên đoàn quốc tế về bê tông ứng suất trước; Tiêu chuẩn AASHTO cho cầu đường, tiêu chuẩn ACI cho xây dựng dân dụng của Mỹ; Quy phạm Eurocode của khối liên hiệp châu Âu; Tiêu chuẩn Anh BS; Quy phạm BPEL của Pháp; Quy phạm CHII của Liên Xô (cũ)… Các tiêu chuẩn, quy phạm kể trên không ngừng được cải tiến, hoàn thiện và luôn được sửa đổi, cập nhật từ hai đến bốn năm một lần. Tại Việt Nam tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 cũng đã có những chỉ dẫn để thiết kế loại kết cấu này. 1.2.3. Sàn Bubbledeck Sàn Bubbledeck là loại sàn sử dụng các quả bóng rỗng từ nhựa tái chế để thay thế phần bê tông không hoặc ít chịu lực ở giữa chiều cao tiết diện sàn. Ở bên trên và bên dưới của quả bóng được gia cường bằng các lớp lưới thép được tính toán cụ thể. Các quả bóng nhựa có vai trò giảm thiểu phần bê tông không cần thiết đối với khả năng chịu lực của kết cấu sàn, giảm nhẹ trọng lượng của sàn, cải thiện các khả năng cách âm, cách nhiệt. Hình 1.11. Sàn Bubbledeck Công nghệ này thi công không quá phức tạp, cho phép giảm 35% khối lượng bê 11 tông so với sàn truyền thống. Từ đó góp phần giảm được trọng lượng tổng thể của công trình và tăng khả năng vượt nhịp. Sàn có khả năng chịu lực theo hai phương, không dùng dầm nên giảm chiều cao xây dựng mỗi tầng, cải thiện khả năng cách âm, cách nhiệt cho sàn. Công nghệ lắp ghép, bán lắp ghép cho phép công xưởng hóa và cơ giới hóa các quá trình chế tạo, vận chuyển, lắp đặt nên thi công nhanh, sử dụng ít lao động, sản phẩm làm ra có độ chuẩn hóa cao. Do sử dụng các vật liệu tái chế trong sản xuất và thi công nên công nghệ này giúp giảm chi phí vật liệu và thân thiện với môi trường. Năm 2007, Bubbledeck đã có mặt tại Việt Nam với tên giao dịch là Bubble Deck Viet Nam Joint Venture Company và Việt Nam là quốc gia thứ 15 trên thế giới tiếp cận công nghệ này. Trong thời gian từ 2007 đến 2009, công ty TADITS đã đầu tư công sức để thử nghiệm thiết kế, thi công sàn Bubbledeck sao cho phù hợp với điều kiện tại Việt Nam. Quá trình xác định nhịp lớn nhất mà Bubbledeck có thể vượt qua dựa trên tiêu chuẩn Anh BS 8100 và Eurocode 2 có bổ sung hệ số 1,5 để kể đến việc giảm nhẹ bản thân sàn so với sàn đặc truyền thống. Với cùng một khả năng chịu lực, sàn Bubbledeck chỉ sử dụng 50% khối lượng bê tông so với sàn đặc hoặc cùng độ dày thì sàn Bubbledeck có thể chịu tải gấp đôi tấm sàn đặc nhưng chỉ sử dụng 65% lượng bê tông. Khi thiết kế chống uốn, bề dày của phần bê tông có ứng suất nén tập trung ở phần bê tông đặc, nằm giữa phần ngoài cùng của quả cầu và bề mặt tấm sàn. Đôi khi, với những tấm sàn chịu ứng suất lớn, khối ứng suất sẽ hơi lấn sang vùng quả cầu rỗng nhưng nó tác động không đáng kể đến khả năng chịu lực của sàn. Các nghiên cứu và thí nghiệm cho thấy, nếu như cùng khả năng chịu lực thì sàn Bubbledeck có độ cứng chống uốn xấp xỉ 87% so với sàn đặc. Khả năng chịu cắt đo được từ 72-91% so với sàn đặc. Để tính toán khả năng chịu cắt của sàn Bubbledeck, người ta đưa vào hệ số 0,6 sử dụng cho khả năng chịu cắt của tấm sàn đặc với cùng chiều cao. Điều này đảm bảo được sự an toàn, khả năng chịu lực của sàn. Tại những vị trí có lực cắt lớn khu vực xung quanh cột, vách, lõi có thể bỏ bớt bóng để tăng khả năng chịu cắt của sàn. Ngoài ra, bằng việc loại bỏ lượng bê tông ở thớ giữa bản sàn, Bubbledeck đã góp phần đáng kể vào việc tác động có lợi đến môi trường. 1.2.4. Sàn U-Boot Beton U-Boot Beton là sản phẩm công nghệ sàn nhẹ của hai tập đoàn Daliform Group (Italy) và Peikko Group (Phần Lan) sử dụng các khối nhựa tái chế polypropylen để thay thế phần bê tông không hoặc ít tham gia chịu lực ở thớ giữa của bản sàn, giúp giảm trọng lượng kết cấu, giảm kích thước hệ cột, vách, móng, tường, vách chịu lực và tăng khoảng cách lưới cột. Bản sàn U-Boot Beton là loại kết cấu rỗng, phẳng, không dầm, liên kết trực tiếp với hệ cột, vách chịu lực nên có nhiều ưu điểm về mặt kỹ thuật 12 và kinh tế. Ngoài ra bản sàn U-Boot Beton còn là một sản phẩm cải tiến của BubbleDeck. U-Boot Beton có cấu tạo đặc biệt với 4 chân hình côn và phụ kiện liên kết giúp tạo ra một hệ thống dầm vuông góc nằm giữa lớp sàn bê tông trên và dưới. Có 2 dạng là hộp đơn và hộp đôi. Ngoài ra, giữa các hộp còn có các cốt liên kết với nhau theo cả 2 phương vuông góc. Sàn U-Boot Beton có cấu tạo gồm: Một lớp thép trên, một lớp thép dưới, và ở giữa các khoảng hở là các thép gia cường. Việc đặt U-Boot Beton vào vùng bê tông không làm việc làm giảm trọng lượng của sàn, cho phép sàn vượt nhịp lớn, giảm lượng bê tông và cốt thép. U-Boot Beton được ứng dụng trong sàn phẳng không dầm vượt nhịp cũng như chịu tải trọng lớn. Với trọng lượng nhẹ, tính cơ động cũng như mô đun đa dạng, người thiết kế có thể thay đổi thông số kỹ thuật khi cần trong mọi trường hợp để phù hợp với các yêu cầu kiến trúc. Hình 1.12. Sàn U-Boot Beton Sử dụng U-Boot Beton trong kết cấu sàn rất phù hợp với những công trình có yêu cầu kết cấu sàn nhẹ, tiết kiệm vật liệu. U-Boot Beton là giải pháp lý tưởng để tạo sàn với nhịp lớn và khả năng chịu tải cao, đặc biệt phù hợp với những kết cấu có yêu cầu về không gian mở như trung tâm thương mại, nhà công nghiệp, bệnh viện, trường học cũng như các công trình công cộng và nhà ở. U-Boot Beton giúp bố trí cột thuận tiện hơn vì không cần dùng dầm. Trong trường hợp những công trường khó vận chuyển và thi công thì U-Boot Beton với tính năng linh hoạt, nhẹ nhàng, thuận tiện rất thuận lợi cho điều kiện thi công, không cần các thiết bị vận chuyển, nâng phức tạp. Khi sử dụng U-Boot Beton cho móng bè thì móng có thể có độ dày lớn hơn mà vẫn giảm lượng bê tông sử dụng. Ngoài ra khả năng làm việc chung giữa bê tông với cốt pha hộp nhựa U – Boot cũng hơn hẳn với bóng nhựa, vì cấu tạo của hộp nhựa có các rãnh, tạo bề mặt gồ ghề nên tăng độ bám dính, tăng ma sát khi làm việc chung với bê tông, trong khi quả bóng nhựa thì tròn trơn nên khả năng bám dính kém hơn. Bên cạnh đó giữa các hộp nhựa lại được liên kết với nhau bằng các chốt, làm tăng khả năng truyền lực giữa các hộp cốt pha, trong khi quả bóng trong sàn