Tài liệu Phân tích tĩnh phi tuyến kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông

TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH PHÂN TÍCH TĨNH PHI TUYẾN KẾT CẤU ỐNG THÉP CHỮ NHẬT NHỒI BÊ TÔNG Học viên: Lê Hoàng Phương Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.58.02.08, Khoá 33, Trường Đại Học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Hệ thống kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông (CFT) có nhiều ưu điểm so với các kết cấu truyền thống bằng vật liệu thép hay bê tông cốt thép về các mặt cường độ, độ cứng, khả năng chống cháy và thuận tiện cho việc thi công nên được sử dụng ngày càng nhiều trên thế giới. Luận văn đã phân tích đánh giá ứng xử của kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông dưới tác dụng của động đất thông qua phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến sử dụng phần mềm SAP2000. Ứng xử của một kết cấu khung 6 tầng bằng cột ống thép nhồi bê tông tiết diện chữ nhật được phân tích và so sánh với kết cấu cột ống thép nhồi bê tông tiết diện tròn và các kết cấu bê tông cốt thép để rút ra các nhận xét. Từ khoá – phân tích đẩy dần; khớp dẻo; tĩnh phi tuyến; cột liên hợp thép bê tông. NONLINEAR STATIC ANALYSIS OF CONCRETE FILLED STEEL RECTANGULAR TUBE Abstract: Due to several advantages compared with ordinary steel or reinforced concrete structures in terms of strength, stiffness, fire resistance and construction efficiency, concrete-filled tube (CFT) column systems have been widely used in civil engineering worldwide. This thesis investigated the seismic response of concrete-filled rectangular tube (CFRT) structures through the nonlinear static analysis using SAP2000. The seismic behavior of a 6-story frame CRFT structure was analyzed and compared with those of CFT and reinforced concrete (RC) structures; and remarks were discussed. Key words – pushover analysis; hinges; nonlinear static; composite concretesteel column. MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT TIẾNG ANH MỤC LỤC 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 .........................................................................................2 6. Cơ sở khoa học và thực tiễn của luận văn: ..............................................................2 7. Bố cục đề tài: ...........................................................................................................2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU ỐNG THÉP CHỮ NHẬT NHỒI BÊ TÔNG (CFRT) ................................................................................................................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. Quy trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông ở Việt Nam 5 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 ..........................................................................................................12 1.3.3. Chịu nhiệt và chống ăn mòn ........................................................................12 1.3.4. So sánh tính ưu việt của kết cấu liên hợp thép – bê tông so với kết cấu khác ................................................................................................................................12 1.4. Tổng quan về kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông ........................................14 1.5. Đặc điểm chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông. .......................................16 1.6. Ưu điểm của các loại ống thép nhồi bê tông. .....................................................17 1.6.1. Khả năng chịu lực và độ tin cậy cao ............................................................17 1.6.2. Công năng sử dụng hiệu quả ........................................................................18 1.6.3. Hiệu quả kinh tế ...........................................................................................19 CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI TUYẾN CHO KẾT CẤU ...20 2.1. Giới thiệu phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến ...............................................20 2.1.1. Nội dung phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến..........................................20 2.1.2. Đặc trưng của khớp dẻo được mặc định theo ASCE 41-13 (Hinges properties) ..............................................................................................................22 2.1.3. Sử dụng kết quả của phương pháp đẩy dần: ................................................23 2.1.4. Ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng của phương pháp đẩy dần:.................23 2.1.5. Phương pháp nghiên cứu: ............................................................................24 2.2. Giới thiệu phương pháp phân tích động phi tuyến: ............................................24 CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CFRT QUA PHÂN TÍCH TĨNH PHI TUYẾN BẰNG PHẦN MỀM SAP2000 ....................................................26 3.1. Phần mềm phân tích kết cấu SAP2000: ..............................................................26 3.2. Xây dựng mô hình phân tích: .............................................................................29 3.3. Khung 6 tầng sử dụng cột CFRT: .......................................................................29 3.4. Khung 6 tầng sử dụng cột liên hợp CFT ............................................................43 3.5. Khung 6 tầng sử dụng cột bê tông cốt thép (RC) ...............................................48 3.6. Kết luận chương 3 ...............................................................................................57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................58 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................59 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. 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 3.1. Giá trị trên đường cong đẩy dần của khung CFRT 6 tầng ............................43 Bảng 3.2. Giá trị trên đường cong đẩy dần của khung CFT 6 tầng...............................48 Bảng 3.3. Giá trị trên đường cong đẩy dần của khung RC 6 tầng.................................53 Bảng 3.4. Giá trị trên đường cong đẩy dần của khung RC 6 tầng.................................55 Bảng 3.5. Kích thước các loại cột của các hệ kết cấu ...................................................55 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Tòa nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas (USA) ...................................6 Hình 1.2. Toà nhà Burj Khalifa (Dubai) .......................................................................7 Hình 1.3. Willis Tower (Hoa Kì). .................................................................................8 Hình 1.4. Tòa nhà Diamond Plaza, TP.HCM................................................................9 Hình 1.5. Trung tâm thương mại tài chính Bitexco, TP Hồ Chí Minh .........................9 Hình 1.6. Vietinbank Tower, Hanoi ............................................................................10 Hình 1.7. Khách sạn JW Marriott, Hà Nội ..................................................................10 Hình 1.8. Dự án toà nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ............................11 Hình 1.9. Các dạng tiết diện cột liên hợp thép bê tông ...............................................15 Hình 2.1. Đường cong đẩy dần tổng thể của kết cấu. .................................................21 Hình 2.2. Đường cong quan hệ lực – biến dạng đối với khớp dẻo. ............................21 Hình 3.1a. Hộp thoai “Load case data – Nonlinear Static” và các tham số SAP2000 27 Hình 3.1b. Hộp thoại “Load Application Control for Nonlinear Static Analysis” và các tham số SAP2000 ..............................................................................27 Hình 3.2. Hộp thoai “Result Saved for Nonlinear Static Load Cases” và các tham số SAP2000 ..................................................................................................28 Hình 3.3. Tổng quát mối quan hệ lực – chuyển vị của khớp dẻo trong SAP2000 ......28 Hình 3.4. Mặt bằng ......................................................................................................30 Hình 3.5. Khai báo tải trọng gió theo tiêu chuẩn ASCE 7-10 .....................................31 Hình 3.6. Khai báo tải trọng gió đẩy theo tiêu chuẩn ASCE 7-10 ..............................32 Hình 3.7. Khai báo tải trọng gió hút theo tiêu chuẩn ASCE 7-10...............................32 Hình 3.8. Khai báo tải trọng động đất .........................................................................33 Hình 3.9. Mặt cắt điển hình cột CFRT ........................................................................34 Hình 3.10. Mặt cắt điển dầm thép ...............................................................................36 Hình 3.11. Khai báo tiết diện cấu kiện cột liên hợp CFRT (Màu xanh đậm thể hiện lớp vỏ thép, mài xám bên trong thể hiện lõi bê tông) ..............................37 Hình 3.12. Khai báo tiết diện dầm thép chữ I .............................................................38 Hình 3.13. Mô hình khung 6 tầng sử dụng cột CFRT bằng ETABS ..........................38 Hình 3.14. Kiểm tra tự động mô hình khung 6 tầng sử dụng cột CFRT bằng ETABS .................................................................................................................39 Hình 3.15. Khớp dẻo cho dầm thép I 400x200x10x8 .................................................41 Hình 3.16. Khớp dẻo cho cột liên hợp CFRT 400x400x20 .......................................41 Hình 3.17. Đường cong đẩy dần của khung sử dụng cột CFRT .................................42 Hình 3.18. Sự phân bố khớp dẻo .................................................................................42 Hình 3.19. Khai báo tiết diện cấu kiện cột liên hợp CFT ...........................................44 Hình 3.20. Khai báo tiết diện cấu kiện dầm thép chữ I ...............................................45 Hình 3.21. Mô hình khung 6 tầng sử dụng cột liên hợp CFT bằng SAP2000 ............45 Hình 3.22. Khớp dẻo cho dầm thép I 400x200x10x8 .................................................46 Hình 3.23. Khớp dẻo cho cột liên hợp CFT 450x22 ...................................................47 Hình 3.24. Sự phân bố khớp dẻo .................................................................................47 Hình 3.25. Đường cong đẩy dần của khung CFT 6 tầng.............................................48 Hình 3.26. Mô hình khung RC 6 tầng bằng SAP2000 ................................................50 Hình 3.27. Khai báo khớp dẻo cho cột RC 650x650 ..................................................51 Hình 3.28. Khai báo khớp dẻo cho dầm bê tông cốt thép ...........................................51 Hình 3.29. Sự phân bố khớp dẻo .................................................................................52 Hình 3.30. Đường cong đẩy dần của khung RC 6 tầng (Tương đương khả năng chịu lực với khung sử dụng cột CFRT) ...........................................................52 Hình 3.31. Sự phân bố khớp dẻo (bước 14) ................................................................54 Hình 3.32. Đường cong đẩy dần của khung RC 6 tầng...............................................54 Hình 3.33. Biểu đồ đường cong đẩy dần .....................................................................56 Hình 3.34. Chuyển vị các tầng của các hệ kết cấu ......................................................57 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nhu cầu xây dựng nhà cao tầng và siêu cao tầng đang bùng nổ mạnh mẽ ở Việt Nam, đặc biệt ở các khu đô thị lớn như Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh, cộng với xu hướng phát triển của xây dựng hiện đại nên khi sử dụng các giải pháp kết cấu cột bê tông cốt thép thông thường, công trình nhà cao tầng đòi hỏi kích thước các cấu kiện kết cấu cột có thể rất lớn, nặng nề, tốn kém, giảm không gian sử dụng và giảm tính thẩm mĩ. Để khắc phục các nhược điểm kể trên, giải pháp kết cấu cột liên hợp thép bê tông đã và đang được sử dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới cho các công trình nhà nhiều tầng. Mục đích của giải pháp này là tận dụng các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lý giữa vật liệu thép và bê tông để tạo ra kết cấu cột liên hợp có khả năng chịu lực và độ tin cậy cao, đồng thời tăng cường khả năng chống cháy. Bên cạnh đó, công trình sử dụng giải pháp kết cấu cột liên hợp sẽ đáp ứng được công năng sử dụng cao, hiệu quả về kinh tế và đảm bảo tính thẩm mĩ, nhưng đồng thời phải có khả năng chịu được tải trọng ngang (tải trọng động đất) tốt hơn trong kết cấu nhà cao tầng. Trên cơ sở đó, cột ống thép chữ nhật nhồi bê tông (CFRT) sẽ là giải pháp thay thế hữu hiệu cho kết cấu cột bê tông cốt thép truyền thống vốn có tiết diện, kích thước lớn hơn. Ở nước ta, từ năm 2006 tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp thép bê tông đang được tiến hành nghiên cứu và biên soạn theo tiêu chuẩn Châu Âu. Để nghiên cứu được ứng xử của cột CFRT chịu tải trọng động đất cần phải có phương pháp phân tích, đánh giá cường độ và biến dạng của kết cấu này khi chịu tải trọng động đất. Do đó, đề tài: “ Phân tích phi tuyến tĩnh kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông” sẽ là một nghiên cứu hữu ích. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Đánh giá ứng xử của kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông dưới tác dụng của tải trọng động đất. 3. Đối tượng nghiên cứu: - Kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông. 4. Phạm vi nghiên cứu: 2 - Ứng xử của kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông khi chịu tải trọng động đất bằng phân tích tĩnh phi tuyến. 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến. - Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm SAP2000 để mô hình và phân tích ứng xử của kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông CFRT. 6. Cơ sở khoa học và thực tiễn của luận văn: Nghiên cứu trong luận văn dựa trên cơ sở tiêu chuẩn ASCE 41-13 của Hoa Kỳ biên soạn và xuất bản năm 2013 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 mô phỏng kết cấu 7. Bố cục đề tài: Chương 1: Tổng quan về kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông (CFRT) 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 của kết cấu liên hợp thép – bê tông 1.4 Tổng quan về kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông: 1.5 Đặc điểm chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông. 1.6 Ưu điểm của các loại ống thép nhồi bê tông. Chương 2: Các phương pháp phân tích phi tuyến cho kết cấu 2.1 Giới thiệu phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến. 2.2 Giới thiệu phương pháp phân tích động phi tuyến: Chương 3: Đánh giá ứng xử của kết cấu CFRT qua phân tích tĩnh phi tuyến bằng phần mềm SAP2000 3.1 Phần mềm phân tích kết cấu SAP2000: 3.2 Xây dựng mô hình phân tích: 3.3 Khung 6 tầng sử dụng cột CFRT: 3.4 Khung 6 tầng sử dụng cột liên hợp CFT 3.5 Khung 6 tầng sử dụng cột bê tông cốt thép (RC) 3.6 Kết luận chương 3 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU ỐNG THÉP CHỮ NHẬT NHỒI BÊ TÔNG (CFRT) 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 bê tông là loại kết cấu sử dụng thép kết cấu (structural steel) kết hợp với bê tông hoặc bê tông 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: 4 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. 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. 5 Hình 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). 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. 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. Quy trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông ở Việt Nam 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 6 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 Hoa Kỳ cần kể đến toà nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas (USA). Toà 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 định. 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) Hình 1.1. Tòa nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas (USA) 7 Hình 1.2. Toà nhà Burj Khalifa (Dubai) Toà nhà Burj Khalifa, trước kia tên là Burj Dubai trước khi khánh thành, là một nhà chọc trời siêu cao ở "Trung tâm Mới" của Dubai, Các Tiểu Vương quốc Ả Rập Thống nhất. Với tổng chiều cao 829,8 m trong đó chiều cao đến mái (không bao gồm ăng-ten) là 828 m, nó đã là công trình nhân tạo cao nhất thế giới từng được xây dựng từ cuối năm 2008. Kết cấu bê tông cốt thép của toà nhà từ phần móng đến tầng thứ tư, các tầng tiếp theo đến tầng 156 sử dụng cột liên hợp thép phủ hoặc phủ bê tông. 8 Hình 1.3. Willis Tower (Hoa Kì). Bên cạnh Empire State, tại Mỹ còn có một công trình tòa tháp cao tầng vô cùng ấn tượng có tên Willis Tower (hay Sears Tower). Công trình này được hoàn thiện vào năm 1973 có tất cả 110 tầng với độ cao đạt 442m. Thành phần chính của toà nhà này là kết cấu thép, do đó đây là một trong các toà nhà thép chọc trời và rất ấn tượng. Nhờ kết cấu thép mà Willis Tower được xây dựng hoàn thành chỉ trong vỏn vẹn 3 năm, dù nó lên đến 110 tầng . Hiện nay Willis Tower được xem như một biểu tượng tại Mỹ. 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. 9 Hình 1.4. Tòa nhà Diamond Plaza, TP.HCM. 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 1.5. 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. 10 Hình 1.6. Vietinbank Tower, Hanoi 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 1.7. 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. 11 Hình 1.8. Dự án toà nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ 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. 12 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. 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. 1.3.4. 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 1.1 và bảng 1.2. Bảng tổng hợp này được tham khảo từ giáo trình thuộc chương trình châu Âu về chuyển giao kỹ thuật ở Việt 13 Nam. Kết cấu liên hợp thép – bê tông có thể đạt hiệu quả kinh tế cao. So với kết cấu bê tông cốt thép thông thường thì lượng thép dùng trong kết cấu liên hợp lớn hơn, nhưng đôi khi chưa hẳn là đắt hơn. Nếu đánh giá hiệu quả kinh tế một cách toàn diện, có thể chi phí vật liệu cao nhưng bù lại bởi tốc độ thi công nhanh, sớm quay vòng vốn thì rất có thể công trình sẽ rẻ hơn. Để có thể so sánh định lượng, tác giả P. R. Knowles đã lập bảng so sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà 5 tầng một nhịp thiết kế ở hai giai đoạn đàn hồi và dẻo cho hai loại khung: Loại khung thép hoàn toàn và Khung thép liên hợp thép – bê tông (Bảng 1.3). Bảng 1.1: So sánh kích thước của dầm liên hợp với dầm không liên hợp khi khả năng chịu lực như nhau [1] 14 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 [1] 1.4. Tổng quan về kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông: Hệ thống kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông (Concrete-Filled Steel Tube – viết tắt tiếng Anh là CFST) là một hệ thống gồm các cấu kiện chịu lực chính gồm các ống thép được nhồi đặc bằng bê tông cường độ cao hoặc trung bình. Thông thường dùng ống tròn, nhưng các ống vuông cũng được áp dụng. Hệ thống kết cấu CFST có nhiều ưu điểm về độ cứng, cường độ, khả năng chống biến dạng, và khả năng chống cháy. Nói chung, loại kết cấu này có thể nghiên cứu áp dụng cho rất nhiều loại công trình xây dựng nhà, xưởng, và các công trình cầu đường.