Tài liệu Nghiên cứu sự làm việc của shear key trong liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN DUY VIỆT NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA SHEAR-KEY TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Quảng Ngãi – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN DUY VIỆT NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA SHEAR-KEY TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 8580201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐÀO NGỌC THẾ LỰC Quảng Ngãi – Năm 2019 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 Nguyễn Duy Việt NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA SHEAR – KEY TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG Học viên: Nguyễn Duy Việt. Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN Mã số: 8580201 Khóa: 34 Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Hệ kết cấu kết hợp sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép hoặc sàn phẳng bê tông ứng lực trước) 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. Hiện nay, các nghiên cứu chỉ thực hiện nghiên cứu tổng thể cho liên kết cột giữa với sàn phẳng và chưa có nhiều các nghiên cứu đề cập đến sự đóng góp của từng bộ phận liên kết đến khả năng chịu cắt của sàn phẳng. Đối với liên kết sàn phẳng – cột CFST, chi tiết Shear-key đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối sàn và cột đảm sự làm việc chung của hệ kết cấu. Trong luận văn này tác giả sử dụng Shear-key là thép hình chữ H làm chi tiết liên kết. Kết quả nghiên cứu cho thấy chi tiết liên kết đảm bảo sự sự kết nối sàn – cột và đảm bảo khả năng chịu cắt thủng cho sàn. Từ khóa – CFST, Cột ống thép nhồi bê tông, liên kết, shear-key, khả năng chịu cắt thủng g RESEARCH EFFECTS ON SHEAR - KEY IN THE CONCRETE FILLED STEEL TUBE TO FLAT SLAB CONNECTION Abstract - The structural system combined with flat slab (reinforced concrete flat slab or prestressed concrete floor) and concrete filled steel tube column for high-rise buildings will bring high economic and technical efficiency. However, the biggest problem when combining these two types of structures is connection. Currently, studies only carry out a general study of the middle column connection with flat slab and there are not many studies mentioning the contribution of each component to the shear resistance of the flat slab. For flat slab - CFST columns connection, Shear-key detail is an important role in connecting flat slab and columns to ensure the overall work of the structure. In this thesis, the author uses Shear-key as H-shaped steel as a connection. The research results show that the connection ensures the connection of the flat slab - CFST column and ensures the puncture resistance for the flat slab. Key words - CFST, Concrete filled steel tube column, Connection, shear-key, Punching shear strength MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ............................................................................... 1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ................................................................ 2 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 VỀ KẾT CẤU CỘT CFST, SÀN PHẲNG VÀ MỐI LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI SÀN PHẲNG ............................................................. 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 lực trước ...................................................................... 9 1.2.3. Sàn Bubbledeck ............................................................................................... 10 1.2.4. Sàn U-boot Beton ............................................................................................ 12 1.3. TỔNG QUAN VỀ LIÊN KẾT GIỮA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP .................................................................. 13 1.3.1. Nghiên cứu của Hiroki Satoh .......................................................................... 14 1.3.2. Nghiên cứu của Y. Su, Y. Tian ....................................................................... 15 1.3.3. Nghiên cứu của Cheol-Ho Lee ........................................................................ 16 1.3.4. Nghiên cứu của Young K.Ju ........................................................................... 17 1.3.5. Nghiên cứu của Jin-Won Kim......................................................................... 18 1.3.6. Nghiên cứu của Alessandra L. Carvalho......................................................... 20 1.3.7. Nghiên cứu của Thibault Clément .................................................................. 20 1.3.8. Nhận xét .......................................................................................................... 20 1.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ....................................................................................... 21 CHƯƠNG 2 SỰ LÀM VIỆC CỦA SHEAR KEY TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG .................................................................... 22 2.1. VAI TRÒ CỦA SHEAR KEY TRONG LIÊN KẾT CỘT CFST VỚI SÀN PHẲNG BTCT .............................................................................................................. 22 2.2. TÍNH TOÁN SỰ ĐÓNG GÓP CỦA SHEAR KEY ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT THỦNG CHO SÀN ................................................................................... 23 2.2.1. Hệ shear key làm việc như một cột kích thước lớn......................................... 23 2.2.2. Khả năng chịu cắt thủng của sàn là sự đóng góp của bê tông và shear key ... 27 2.3. CẤU TẠO SHEAR KEY ....................................................................................... 28 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ....................................................................................... 29 CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT SỰ LÀM VIỆC CỦA SHEAR-KEY TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG ............... 30 3.1. CHẾ TẠO MẪU, THIẾT BỊ VÀ THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM ............................. 30 3.1.1. Cấu tạo liên kết cột CFST với sàn phẳng bê tông ứng lực trước .................... 30 3.1.2. Thiết kế mẫu thí nghiệm ................................................................................. 31 3.1.3. Chế tạo mẫu thí nghiệm .................................................................................. 33 3.1.4. Thiết bị thí nghiệm .......................................................................................... 34 3.2. THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CỦA VẬT LIỆU ................................. 37 3.2.1. Thí nghiệm bê tông ......................................................................................... 37 3.2.2. Cốt thép thanh ................................................................................................. 38 3.2.3. Cáp ứng lực trước............................................................................................ 39 3.3. THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM ................................................................................... 40 3.4. MÔ TẢ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO ................... 41 3.4.1. Mô tả kết quả thí nghiệm ................................................................................ 41 3.4.2. Đánh giá kết quả thí nghiệm ........................................................................... 42 3.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ....................................................................................... 45 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO) DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CFST : Concrete filled steel tube (Ống thép nhồi bêtông) BTCT : Bê tông cốt thép f'c : Cường độ chịu nén của bêtông fy : Cường độ chịu kéo của cốt thép Ec : Môđun đàn hồi của bêtông Es : Môđun đàn hồi của cốt thép Is : Mômen quán tính của tấm thép chịu cắt Ic : Mômen quán tính của tiết diện bê tông bao quanh mũ chịu cắt wu : Tải trọng phân bố đều trên sàn db : Đường kính cốt thép d : chiều cao làm việc của sàn h : Chiều dày sàn b : Bề rộng dải bản sàn b0 : Chu vi tiết diện tới hạn của tháp chọc thủng cách mặt cột d/2 b01 : Chu vi tiết diện tới hạn của tháp chọc thủng cách mặt cột 3/4 chiều dài cánh tay vươn chịu cắt As : Tổng diện tích cốt thép chịu kéo trên bề rộng b của dải sàn Asm : Diện tích cốt thép post-punching theo mỗi phương của sàn a : Chiều cao vùng nén bêtông Mp : Mômen dẻo của tấm thép chịu cắt Vu : Lực cắt tổng cột tác dụng vào cột Vn : Lực cắt danh nghĩa tại tiết diện d/2 gồm (BT+tấm thép) Vc : Khả năng chịu cắt danh nghĩa của bê tông sàn fwf : Cường độ tính toán chịu cắt quy ước của que hàn hf : Chiều cao đường hàn lw : Chiều dài đường hàn τtd : Ứng suất tiếp trên đường hàn tw : Chiều dày tấm thép hw : Chiều cao tấm thép S : Mômen tĩnh của một nữa tiết diện chữ nhật tấm thép fv : Cường độ tính toán về cắt của vật liệu tấm thép fws : Cường độ tính toán chịu cắt quy ước của thép cơ bản βf : Hệ số chiều sâu nóng chảy trên tiết diện qua đường hàn βs : Hệ số chiều sâu nóng chảy trên tiết diện qua thép cơ bản Awf : Diện tích tính toán của tiết diện đường hàn ứng với tiết diện 1 Aws : Diện tích tính toán của tiết diện đường hàn ứng với tiết diện 2 Wws : Mô men kháng của tiết diện đường hàn ứng với tiết diện 1 Wwf : Mô men kháng của tiết diện đường hàn ứng với tiết diện 2 ldb : Chiều dài neo cơ bản Ab : Diện tích thanh thép neo ldh : Chiều dài neo thép có móc neo tiêu chuẩn ld : Chiều dài neo thép thẳng Vmax : Lực cắt lớn nhất trên dầm Vp : Lực cắt truyền vào một tấm thép η : Số lượng tấm thép chịu cắt  : Hệ số độ tin cậy của bê tông chịu cắt γc : Hệ số điều kiện làm việc μ : Hệ số ma sát trên khe nứt nghiêng Δs : Độ trượt của vết nứt dg : Đường kính cốt liệu lớn nhất ρk : Tổng thể tích cốt liệu trên đơn vị thể tích bê tông DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm nén mẫu bê tông ........................................................38 Bảng 3.2. Số liệu thí nghiệm kéo cốt thép thanh 10 ...............................................39 Bảng 3.3. Số liệu thí nghiệm kéo cốt thép thanh 14 ...............................................39 Bảng 3.4. Đặc tính kỹ thuật của cáp dự ứng lực .......................................................39 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tông...............................................................3 Hình 1.2. Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tông ...............................................4 Hình 1.3. Cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép ..........................................4 Hình 1.4. Cột CFST được bao bê tông (Concrete-encased CFST) .............................4 Hình 1.5. Cột CFST tăng cường kết cấu thép và cốt thép gia cường .........................5 Hình 1.6. CFST với sườn tăng cứng ...........................................................................5 Hình 1.7. Ví dụ về công trình nhà cao tầng được xây dựng bằng kết cấu CFST .......7 Hình 1.8. Ví dụ về cầu sử dụng kết cấu CFST............................................................8 Hình 1.9. Sàn phẳng bê tông cốt thép .........................................................................9 Hình 1.10. Sàn bê tông ứng lực trước .......................................................................10 Hình 1.11. Thi công sàn Bubble Deck. .....................................................................11 Hình 1.12. Các chốt liên kết các hộp U-boot theo hai phương. ................................12 Hình 1.13. Thi công sàn U-Boot Beton ....................................................................13 Hình 1.14. Liên kết cột CFST - sàn BTCT đề xuất bởi Hiroki Satoh (2004)[1] ......14 Hình 1.15. Quá trình thiết lập thí nghiệm của Hiroki Satoh (2004)[1] .....................14 Hình 1.16. Mẫu liên kết của Y. Su, Y. Tian (2010)[2] .............................................15 Hình 1.17. Mô phỏng quá trình thí nghiệm - Y. Su, Y. Tian (2010) [2] ..................15 Hình 1.18. Liên kết đề xuất bởi Cheol-Ho Lee (2007) [3] .......................................16 Hình 1.19. Liên kết đề xuất bởi Young K. Ju (2013)[4] ...........................................18 Hình 1.20. Thí nghiệm liên kết cột CFST-sàn BTCT Jin-Won Kim(2014)[5].........18 Hình 1.21. Sự phá hoại sàn BTCT - thí nghiệm của Jin-Won Kim (2014)[5]..........19 Hình 1.22. Nghiên cứu của Thibault Clément (2014) [7] .........................................20 Hình 2.1. Cơ chế truyền lực cắt qua khe nứt nghiêng ...............................................22 Hình 2.2. Xác định chu vi tiết diện tới hạn ...............................................................24 Hình 2.3. Chu vi tại tiết diện tới hạn sử dụng thép mũ chịu cắt ...............................25 Hình 2.4. Tiết diện tới hạn và nội lực trong thép mũ chịu cắt ..................................25 Hình 2.5. Ý tưởng đóng góp khả năng chịu cắt tại trạng thái tới hạn của Shear key27 Hình 3.1. Mặt cắt dọc bố trí liên kết cột CFST- sàn phẳng BTCT ...........................30 Hình 3.2. Cấu tạo chi tiết liên kết..............................................................................31 Hình 3.3. Cấu tạo chi tiết liên kết và bố trí cốt thép sàn ...........................................32 Hình 3.4. Bố trí cốt thép đai ......................................................................................32 Hình 3.5. Chế tạo liên kết cột CFST- sàn phẳng BTCT ...........................................33 Hình 3.6. Lắp đặt cốt thép và cáp dự ứng lực. ..........................................................33 Hình 3.7. Đổ bê tông sàn và dưỡng hộ mẫu ..............................................................34 Hình 3.8. Cảm biến đo biến dạng bê tông (strain gauges) ........................................34 Hình 3.9. Cảm biến đo chuyển vị LVDT ..................................................................35 Hình 3.10. Máy bơm dầu ..........................................................................................35 Hình 3.11. Kích thủy lực 250T .................................................................................36 Hình 3.12. Data logger ..............................................................................................36 Hình 3.13. Cảm biến đo áp lực dầu ..........................................................................36 Hình 3.14. Thiết bị ứng lực trước ............................................................................36 Hình 3.15. Kích kéo cáp ............................................................................................37 Hình 3.16. Máy bơm vữa ..........................................................................................37 Hình 3.17. Đúc mẫu bê tông mẫu trụ 150×300mm và dưỡng hộ .............................37 Hình 3.18. Thí nghiệm nén mẫu bê tông...................................................................38 Hình 3.19. Thí nghiệp ép chẻ ....................................................................................38 Hình 3.20. Mẫu thép, thí nghiệm kéo thép ................................................................38 Hình 3.21. Lắp đặt thiết bị và thiết bị đo cho mẫu thí nghiệm .................................40 Hình 3.22. Strain gauge đo biến dạng bề mặt cánh trên của Shear-head ..................40 Hình 3.23. Vết nứt trên sàn tại cấp tải P=1080kN ....................................................41 Hình 3.24. Vết nứt trên sàn tại cấp tải P=1530kN ....................................................42 Hình 3.25. Sự phá hoại sàn tại P=1780kN ................................................................42 Hình 3.26. Đồ thị tải trọng - biến dạng cánh trên của Shear key ..............................43 Hình 3.27. Đồ thị tải trọng - biến dạng ở bụng của Shear key .................................43 Hình 3.28. Mặt phá hoại của sàn có bố trí shear key ................................................44 Hình 3.29. Mặt cắt sàn ..............................................................................................44 Hình 3.30. Kết quả quan sát phá hoại bên trong sàn .................................................45 1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Các công trình nhà cao tầng ngày càng được sử dụng nhiều ở Việt Nam. Một giải pháp kết cấu mới và hợp lý hơn các kết cấu truyền thống sẽ đem lại ý nghĩa lớn về mặt kĩ thuật và hiệu quả sử dụng cho công trình. Hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube - CFST) và sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép hoặc sàn phẳng bê tông ứng lực trước) là sự lựa chọn thích hợp vì: Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) được sử dụng phổ biến trong kết cấu nhà cửa ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc... và là giải pháp hiệu quả thay thế cho cột bê tông cốt thép truyền thống vì những tính năng vượt trội về mặt kỹ thuật như có độ cứng lớn, cường độ cao, độ dẻo, khả năng phân tán năng lượng tốt và độ chống cháy cao. Về mặt công nghệ cột ống thép nhồi bê tông dễ thi công, không cần hệ thống coffa nên rút ngắn được thời gian thi công xây dựng công trình, đặc biệt loại cột này sẽ phát huy hiệu quả trong thi công tầng hầm bằng phương pháp top – down. Do đó, kết cấu cột ống thép nhồi bê tông có tiềm năng lớn cho việc thay thế cột bê tông cốt thép truyền thống trong kết cấu nhà cao tầng. Kết cấu sàn phẳng 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. Như vậy, việc kết hợp hai loại kết cấu sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép hoặc sàn phẳng bê tông ứng lực trước) 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. Cơ chế ứng xử của liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông và kết cấu sàn phẳng phức tạp và chưa được hiểu rõ. Hiện nay, các nghiên cứu chỉ thực hiện nghiên cứu tổng thể cho liên kết cột giữa với sàn phẳng và chưa có nhiều các nghiên cứu đề cập đến sự đóng góp của từng bộ phận liên kết đến khả năng chịu cắt của liên kết. Đối với liên kết sàn phẳng – cột CFST, chi tiết Shearkey đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối sàn và cột để đảm sự làm việc chung của hệ kết cấu. Ứng xử của shear-key chưa được hiểu rõ do đó cần khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của shear-key như tương quan độ cứng, ảnh hưởng của chiều dài, sự phân bố mô men trong shear-key đến khả năng chịu lực của liên kết để từ đó đưa ra các giải pháp cấu tạo, tính toán hợp lý nhằm áp dụng hiệu quả hệ kết cấu sàn phẳng 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 SỰ LÀM VIỆC CỦA SHEAR – KEY TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG”. 2 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu tổng quan về cột CFST, sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép hoặc sàn phẳng bê tông ứng lực trước) và liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng, sự làm việc của Shear-key; Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của Shear-key trong liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng; Đưa ra các lưu ý khi thiết kế, tính toán, cấu tạo cho Shear - key. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu: Mối liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép hoặc sàn phẳng bê tông ứng lực trước). Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát sự làm việc của Shear-key. 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết; Nghiên cứu thực nghiệm. 5. KẾT QUẢ DỰ KIẾN Kết quả ứng xử thực tế của Shear-key từ mô hình thí nghiệm; Đưa ra các lưu ý khi thiết kế, tính toán, cấu tạo cho Shear - key. 6. BỐ CỤC CỦA ĐỀ TÀI Mở đầu; Chương 1: Tổng quan về kết cấu cột CFST, sàn phẳng bê tông cốt thép và mối liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng; Chương 2: Sự làm việc của Shear key trong liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng. Chương 3: Thí nghiệm khảo sát sự làm việc của Shear-key trong liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng. Kết luận và kiến nghị. Danh mục tài liệu tham khảo. 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỘT CFST, SÀN PHẲNG VÀ MỐI LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI SÀN PHẲNG 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). 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 4 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 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). 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. Hình 1.3. Cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép Hình 1.4. Cột CFST được bao bê tông (Concrete-encased CFST) 5 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. 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. 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 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. 6 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 [9]; 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 [8]. 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 [9]; 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 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 [9],[8]. 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 [8]; 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 7 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. 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. Hình 1.7. Ví dụ về công trình nhà cao tầng được xây dựng bằng kết cấu CFST 8 Hình 1.8. Ví dụ về cầu sử dụng 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 dần 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 1.10. 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 lực 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 Hình 1.9. Sàn phẳng bê tông cốt thép 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; 1.2.2. Sàn phẳng bê tông ứng lực trước Trong cấu kiện bê tông ứng lực 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 lực 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 lực 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 [12]. Trong bê tông ứng lực 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