Tài liệu So sánh khả năng ổn định tổng thể của cột thép và cột liên hợp thép bê tông theo ec3 và ec4

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI MINH ĐẠO SO SÁNH KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA CỘT THÉP VÀ CỘT LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG THEO EC3 VÀ EC4 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÙI MINH ĐẠO SO SÁNH KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA CỘT THÉP VÀ CỘT LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG THEO EC3 VÀ EC4 Chuyên ngành Mã số : Xây dựng Công trình DD&CN : 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: GS. TS. PHẠM VĂN HỘI Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài: “So sánh khả năng ổn định tổng thể của cột thép và cột liên hợp thép bê tông theo EC3 và EC4” là của riêng tôi, do tôi trực tiếp làm dƣới sự hƣớng dẫn của thầy giáo GS.TS. Phạm Văn Hội. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, không sao chép, trùng lặp với các luận văn đã đƣợc bảo vệ. Tác giả Bùi Minh Đạo TÓM TẮT LUẬN VĂN SO SÁNH KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH TỔNG THỂ CỦA CỘT THÉP VÀ CỘT LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG THEO EC3 VÀ EC4 Học viên: Bùi Minh Đạo Chuyên ngành: Xây dựng Công trình DD&CN Mã số: 110160030 Khóa: K32 Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Kết cấu thép và kết cấu liên hợp thép bê tông đang là xu hƣớng phát triển trong xây dựng hiện nay vì có nhiều ƣu điểm hơn các loại kết cấu khác, trong điều kiện Việt Nam chƣa ban hành tiêu chuẩn thiết kế riêng về kết cấu liên hợp thép bê tông thì việc tính toán đều dựa trên tiêu chuẩn nƣớc ngoài, trong luận văn tác giả tính toán dựa trên tiêu chuẩn EURO CODE 3 và EURO CODE 4 là hai tiêu chuẩn thiết kế về kết cấu thép và kết cấu liên hợp thép bê tông. Tuy nhiên kết cấu thép và kết cấu liên hợp thép bê tông là hai loại kết cấu khác nhau về vật liệu, để so sánh hai kết cấu này thì ta phải đƣa về cùng một loại vật liệu dựa trên Mô đun dàn hồi của chúng. Từ đó tính toán so sánh nhằm lựa chọn phƣơng án toán ƣu về phƣơng diện kinh tế và khả năng chịu lực dựa trên khả năng ổn định tổng thể. Tác giả đã trình bày cơ sở lý thuyết, trình tự tính toán và kết quả đạt đƣợc sau đó đƣa ra các hƣớng phát triển tiếp theo Từ khóa – So sánh cột thép và cột liên hợp theo tiêu chuẩn Châu Âu; Khả năng ổn định tổng thể của cột thép theo EC3; COMPATIBILITY OF TOTAL STABILITY OF STEEL AND CONCENTRATE STEEL JOINTS BY EC3 AND EC4 Abstract – Steel structure and reinfoced concrete structure is a trend in construction today because if has move advantages than other types of construction in the condition that Vietnam has not issued the standard design of composite steel composite structure the calculation is based on foreign standards in the author's treatise calculated based on EC3 and EC4 are two criteria standard design of steel structure and composite stell structure. However the stell structure and composite concrete structure are two different types of materials, to compare these two structures form that caculation to compare the choise of mathe matical advantage in ferms of economic and bearing capacity. The author presents the theoretical foundations, compatation sequences and the results obtained an then present the following development directions. Key words – Comparing steel columns and steel standard columns according to European standard - The overall stability of steel cotinous according to EC3 standard EC4 MỤC LỤC Trang phụ bìa Lời cam đoan Tóm tắt luận văn Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 1 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................... 2 5. Bố cục luận văn .................................................................................................. 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU THÉP, KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG VÀ ỔN ĐỊNH KẾT CẤU .......................................................................... 3 1.1. Tổng quan về kết cấu thép ....................................................................................... 3 1.1.1. Khái niệm...................................................................................................... 3 1.1.2. Ƣu nhƣợc điểm ............................................................................................. 3 1.1.2.1. Ưu điểm ..................................................................................................... 3 1.1.2.2. Nhược điểm ................................................................................................ 4 1.1.3. Phạm vi ứng dụng ......................................................................................... 4 1.1.4. Vật liệu và phôi chế tạo ............................................................................... 6 1.1.4.1. Phân loại thép xây dựng ............................................................................ 6 1.1.4.2. Cấu trúc và thành phần hóa học của thép ................................................. 8 1.2. Tổng quan về kết cấu liên hợp thép bê tông ............................................................ 9 1.2.1. Khái niệm...................................................................................................... 9 1.2.2. Ƣu nhƣợc điểm ........................................................................................... 11 1.2.2.1. Ưu điểm ................................................................................................... 11 1.2.2.2. Nhược điểm .............................................................................................. 13 1.2.3. So sánh kết cấu liên hợp thép bê tông với các loai kết cấu khác................ 13 1.3. Khái niệm về ổn định kết cấu ................................................................................ 15 1.3.1. Khái niệm chung ......................................................................................... 15 1.3.2. Các dạng mất ổn định ................................................................................. 15 1.3.2.1. Hiện tượng mất ổn định vị trí .................................................................. 16 1.3.2.2. Hiện tượng mất ổn định về dạng cân bằng trong trạng thái biến dạng .. 16 1.3.3. Các tiêu chí về sự cân bằng ổn định ........................................................... 16 1.3.3.1. Tiêu chí dưới dạng tĩnh học ..................................................................... 16 1.3.3.2. Tiêu chí dưới dạng năng lượng ............................................................... 17 1.3.3.3. Tiêu chí dưới dạng động lực học ............................................................. 17 1.3.4. Các phƣơng pháp nghiên cứu ổn định ........................................................ 17 1.3.4.1. Các phương pháp tĩnh học ...................................................................... 17 1.3.4.2. Các phương pháp năng lượng ................................................................. 18 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ............................................................................................. 18 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ TÍNH TOÁN CẤU KIỆN CỘT THÉP VÀ CỘT LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG THEO EC3 VÀ EC4 .................................................................... 19 2.1. Khái quát về tiêu chuẩn eurocodes ........................................................................ 19 2.2. Tính toán cột thép chịu nén đúng tâm và lệch tâm theo EC3 ................................ 24 2.2.1. Phân lớp tiết diện ........................................................................................ 24 2.2.2. Tính toán độ bền ......................................................................................... 27 2.2.2.1. Những quy định chung ............................................................................. 27 2.2.2.2. Đặc trưng của tiết diện ............................................................................ 27 2.2.2.3. Cấu kiện chịu nén .................................................................................... 28 2.2.2.4. Cấu kiện chịu mômen .............................................................................. 28 2.2.2.5. Cấu kiện chịu cắt ..................................................................................... 29 2.2.2.6. Cấu kiện nén uốn ..................................................................................... 29 2.2.3. Tính toán ổn định của cấu kiện theo EN 1993-1-1:2005............................ 30 2.2.3.1. Cấu kiện tiết diện không đổi chịu nén ..................................................... 30 2.2.3.2. Cấu kiện tiết diện không đổi chịu uốn ..................................................... 33 2.2.3.3. Cấu kiện tiết diện không đổi chịu nén uốn .............................................. 39 2.3. Tính toán cột liên hợp thép bê tông chịu nén đúng tâm và lệch tâm theo EC4..... 41 2.3.1. Tính toán cột LHTBT chịu nén đúng tâm .................................................. 41 2.3.1.1. Sức kháng của cột LHTBT chịu nén đúng tâm ........................................ 41 2.3.1.2. Tính toán cột LHTBT theo điều kiện ổn định .......................................... 43 2.3.2. Tính toán cột LHTBT chịu nén lệch tâm (nén - uốn) ................................. 46 2.3.2.1. Sức kháng của cột LHTBT chịu nén và chịu uốn theo một phương ........ 46 2.3.2.2. Vị trí trục trung hòa của một số dạng tiết diện ....................................... 47 2.3.2.3. Ảnh hưởng của hiệu ứng bậc hai ............................................................. 50 2.3.2.4. Ảnh hưởng của lực cắt ............................................................................. 51 2.3.2.5. Tính toán cột LHTBT chịu nén và chịu uốn theo một phương ................ 52 2.3.2.6. Sức kháng của cột LHTBT chịu nén và chịu uốn theo hai phương ......... 53 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ............................................................................................. 55 CHƢƠNG 3. VÍ DỤ TÍNH TOÁN ............................................................................ 56 3.1. Chọn kích thƣơc hình học cho tiết diện cột thép và cột liên hợp thép bê tông ..... 56 3.1.1. Chọn tiết diện cột thép ................................................................................ 56 3.1.2. Chọn tiết diện cột liên hợp thép bê tông ..................................................... 56 3.1.3. Quy đổi tiết diện ......................................................................................... 58 3.2. Ví dụ 1 so sánh khả năng chịu nén đúng tâm của cột thép và cột liên hợp thép bê tông .............................................................................................................................. 58 3.2.1. Cột thép ....................................................................................................... 58 3.2.2. Cột liên hợp ................................................................................................ 60 3.2.3. Lập biểu đồ so sánh .................................................................................... 64 3.3. Ví dụ 2 so sánh khả năng chịu nén lệch tâm của cột thép và cột liên hợp thép bê tông theo phƣơng trục chính ......................................................................................... 65 3.3.1. Cột thép ....................................................................................................... 65 3.3.2. Cột liên hợp ................................................................................................ 66 3.3.3. Lập biểu đồ so sánh .................................................................................... 70 3.4. So sánh về kinh tế .................................................................................................. 71 3.4.1. Dự toán chi phí thi công cột thép ................................................................ 72 3.4.2. Dự toán chi phí thi công cột liên hợp ......................................................... 72 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 76 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu chính - Diện tích tiết diện nguyên C - A Hệ số - với giá trị cố định E - Môđun đàn hồi F - Lực tác dụng G - Mô đun trƣợt I - Mômen quán tính K - Hệ số độ cứng L - Chiều dài M - Mômen uốn MRd - Giá trị tính toán của momen bền của tiết diện khi uốn Msd - Giá trị tính toán của momen ngoại lực N - Lực dọc Q - Hoạt tải VRd - Sức bền chịu cắt tính toán của tiết diện Sd - Nội lực tính toán do tải trọng gây ra V - Lực cắt W - Mômen kháng uốn e - Độ lệch tâm f - Cƣờng độ của vật liệu fck - Cƣờng độ đặc trƣng khi nén của bê tông fsk - Giới hạn đàn hồi đặc trƣng khi kéo của thép thanh fy - Giá trị tiêu chuẩn của giới hạn đàn hồi khi kéo của thép kết cấu h - Chiều cao i - Bán kính quán tính t - Chiều dày - Hệ số an toàn - Độ võng, tỷ lệ lƣợng thép - Biến dạng, hệ số - Độ mảnh - Tỷ số giữa các mô men - Khối lƣợng riêng, hàm lƣợng cốt thép, % - Ứng suất pháp - Ứng suất tiếp Φ - đƣờng kính cốt thép thanh - Hệ số uốn dọc Các ký hiệu dƣới đi kèm theo a - Lõi thép hình c - Bê tông s - Cốt thép thanh cr - Tới hạn f - Bản cánh w - Bản bụng pl - Dẻo y - Trục khỏe của tiết diện ngang z - Trục yếu của tiết diện ngang Chữ viết tắt LHTBT: - Liên hợp thép bê tông EC3: - Eurocode 3 EC4: - Eurocode 4 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. So sánh kích thƣớc của dầm liên hợp với dầm không liên hợp khi khả năng chịu lực nhƣ nhau (EUROCODE) ....................................................................14 Bảng 1.2. So sánh kích thƣớc của dầm và cột liên hợp với dầm và cột bê tông cốt thép thƣờng khi khả năng chịu lực nhƣ nhau (EUROCODE) ..................................14 Bảng 1.3. So sánh trọng lƣợng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà năm tầng một nhịp.....................................................................................................................15 Bảng 1.4. So sánh trọng lƣợng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà sáu tầng ba nhịp .......................................................................................................................15 Bảng 1.5. So sánh trọng lƣợng thép dầm sàn ...........................................................15 Bảng 2.1. Tỷ số bề rộng trên bề dày lớn nhất của bộ phận chịu nén ........................25 Bảng 2.2. Tỷ số bề rộng trên bề dày lớn nhất của bộ phận chịu nén ........................26 Bảng 2.3. Hệ số không hoàn chỉnh đối với các dạng đƣờng cong ............................31 Bảng 2.4. Chọn đƣờng cong oằn cho tiết diện ..........................................................32 Bảng 2.5. Hệ số không hoàn chỉnh đối với các dạng đƣờng cong oằn bên kèm xoắn ...................................................................................................................................35 Bảng 2.6a. Giới thiệu về các loại đƣờng cong oằn ...................................................35 Bảng 2.6. Giá trị các hệ số C1, C2 và C3 .................................................................37 Bảng 2.7. Gới thiệu về các loại đƣờng cong oằn ......................................................38 Bảng 2.8. Hệ số điều chỉnh kc...................................................................................39 Bảng 2.9. Giá trị NRk = fy Ai, Mi,Rk = fi Wi và ΔWi,Ed ..............................................40 Bảng 2.10. Hệ số tƣơng tác kij cho cấu kiện không chịu biến dạng xoắn ................40 Bảng 2.11. Hệ số tƣơng tác kij cho cấu kiện chịu biến dạng xoắn ...........................40 Bảng 2.12. Hệ số khuyết tậc đối với các đƣờng cong uốn dọc .................................44 Bảng 2.13. Các loại tiết diện cột và đƣờng cong uốn dọc tƣơng ứng .......................45 Bảng 3.1. Bảng dự toán chi phí thi công cột thép .....................................................71 Bảng 3.2. Bảng dự toán chi phí thi công cột thép .....................................................72 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Dự án tái định cƣ Phƣờng 11 - Quận 6 - Thành phố HCM ........................6 Hình 1.2. Các dạng kết cấu liên hợp thép – bê tông ...................................................9 Hình 1.3. Tòa nhà Diamond Plaza, TP HCM ...........................................................10 Hình 1.4. Dự án toà nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ .........................11 Hình 2.1. Bản bụng tính toán loại 2 ..........................................................................27  Hình 2.2. Giá trị hệ số giảm đối với hệ số độ mảnh tƣơng đƣơng  ................32 Hình 2.3. Hiện tƣợng kiềm chế bê tông ....................................................................42 Hình 2.4. Đƣờng cong tƣơng tác M-N ......................................................................46 Hình 2.5. Sự phân bố ứng suất tƣơng ứng đƣờng cong tƣơng tác ............................46 Hình 2.6. Sự phân bố mô men dọc theo trục cột .......................................................51 Hình 2.7. Phƣơng pháp tính toán cột liên hợp chịu nén và chịu uốn theo một phƣơng ...................................................................................................................................52 Hình 2.8. Cách xác định χn .......................................................................................53 Hình 3.1. Tiết diện cột thép .......................................................................................56 Hình 3.2. Tiết diện cột liên hợp thép bê tông............................................................57 Hình 3.3. Biểu đồ so sánh khả năng chịu nén đúng tâm theo phƣơng yy .................64 Hình 3.4. Biểu đồ so sánh khả năng chịu nén đúng tâm theo phƣơng zz .................64 Hình 3.5. Đƣờng cong tƣơng tác M-N theo phƣơng trục chính yy ..........................69 Hình 3.6. Biểu đồ so sánh khả năng chịu nén lệch tâm ............................................70 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, nhu cầu xây dựng nhà cao tầng, nhà siêu cao tầng cũng nhƣ nhà có khung nhịp lớn đã và đang phát triển mạnh để phần nào đáp ứng đƣợc nhu cầu phát triển cơ sở vật chất của đất nƣớc, đặc biệt ở các khu đô thị lớn nhƣ Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh và Đà Nẵng thì vấn đề này càng thể hiện rõ hơn. Khi công trình sử dụng các giải pháp kết cấu bê tông cốt thép thông thƣờng thì có thể đòi hỏi kích thƣớc các cấu kiện rất lớn, nặng, dẫn đến tốn kém, khó khăn trong thi công, giảm không gian sử dụng và giảm tính thẩm mỹ. Để khắc phục các nhƣợc điểm kể trên, giải pháp kết cấu thép và kết cấu thép liên hợp thép bê tông đã đƣợc đƣa vào vận dụng rộng rãi ở nƣớc ta cung nhƣ trên toàn thế giới. Mục đích của giải pháp này là tận dụng các ƣu điểm riêng về đặc trƣng cơ lý giữa vật liệu thép và bê tông để tạo ra kết cấu thép và kết cấu liên hợp có khả năng chịu lực và độ tin cậy cao, đồng thời tăng cƣờng khả năng chống cháy. Qui chuẩn Việt Nam cho phép áp dụng 7 Tiêu chuẩn thiết kế của nƣớc ngoài để thiết kế các công trình xây dựng tại Việt Nam, trong đó có Tiêu chuẩn Eurocode. Ngoài ra rất nhiều công ty nƣớc ngoài sử dụng Tiêu Chuẩn Mỹ, Úc, Nhật, Eurocode... để thiết kế các công trình của họ tại Việt Nam. Trƣớc tình hình trên việc tìm hiểu các Tiêu chuẩn trong đó có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép và kết cấu thép liên hợp theo tiêu chuẩn Eurocode là điều cần thiết. Trong điều kiện Việt Nam chƣa có tiêu chuẩn thiết kế riêng về kết cấu liên hợp thép bê tông thì đề tài: “So sánh khả năng ổn định tổng thể của cột thép và cột liên hợp thép bê tông theo EC3 và EC4” là cần thiết và có ý nghĩa khoa học thực tiển nhằm tính toán chọn ra phƣơng án tối ƣu. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Luận văn nghiên cứu tìm hiểu sự làm việc, cơ sở khoa học tính toán và kiểm tra ổn định tổng thể của cấu kiện cột thép và cột liên hợp thép bê tông, dƣới tác dụng của lực nén đúng tâm và lực nén lệch tâm, áp dụng cụ thể trên cấu kiện cột với các thông số hình học và vật liệu khác nhau; - Kết quả nghiên cứu s nhằm so sánh khả năng ổn định tổng thể của cấu kiện cột thép và cột liên hợp thép bê tông, làm rõ sự làm việc khi chịu nén đúng tâm và nén lệch tâm của cột, làm rõ và áp dụng phƣơng pháp tính toán kiểm tra cột theo EC3 và EC4; - So sánh khả năng ổn định tổng thể của của cấu kiện cột thép và cột liên hợp thép bêtông khi chịu nén đúng tâm và nén lệch tâm theo tiêu chí trọng lƣợng vật liệu nhỏ 2 nhất, chi phí gia công thấp nhất mà vẫn đảm bảo hiệu quả về mặt kết cấu. Từ đó, đề xuất phƣơng án lựa chọn cấu kiện cột cho từng trƣờng hợp cụ thể. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tƣợng nghiên cứu - Cấu kiện cột thép - Cấu kiện cột liên hợp thép bêtông; 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Cấu kiện cột thép và cột liên hợp thép bêtông có gối tựa trung gian - Cấu kiện cột thép có tiết diện chữ I và cột liên hợp thép bêtông có tiết diện chữ nhật. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Dựa trên cơ sở lý thuyết về kết cấu thép và kết cấu liên hợp thép bê tông, áp dụng cho việc so sánh hai cấu kiện cột thép và cột thép liên hợp dƣới tác dụng của lực nén đúng tâm và lệch tâm theo tiêu chuẩn EC3 và EC4; - Áp dụng tính toán minh họa bằng các ví dụ số từ đó tổng hợp so sánh phân tích và đánh giá kết quả. 5. Bố cục luận văn A. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài 2. Mục tiêu nghiên cứu 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 4. Phƣơng pháp nghiên cứu 5. Bố cục luận văn Gồm mở đầu, nội dung chính và kết luận.Nội dung chính 3 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan về kết cấu thép, kết cấu liên hợp thép bê tông và ổn định kết cấu Chƣơng 2: Cơ sở tính toán cấu kiện cột thép và cột liên hợp thép bê tông theo tiêu chuẩn EC3 và EC4 Chƣơng 3: Ví dụ tính toán 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU THÉP, KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG VÀ ỔN ĐỊNH KẾT CẤU 1.1. Tổng quan về kết cấu thép 1.1.1. Khái niệm Kết cấu thép là kết cấu chịu lực của các công trình xây dựng đƣợc thiết kế và cấu tạo bởi thép. Đây là loại kết cấu đƣợc sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng, đặc biệt là trong các công trình xây dựng có quy mô lớn (Nhà thép tiền chế) bởi những đặc tính hữu ích của thép. Cùng với nhịp độ phát triển mạnh m của công nghiệp xây dựng ở nƣớc ta hiện nay, việc xây dựng các công trình bằng thép đã và đang phát triển rộng rãi.Trong tƣơng lai, kết cấu thép s là loại kết cấu chủ yếu trong xây dựng hiện đại. Khác với kết cấu bê tông cốt thép truyền thống sử dụng cốt thép chịu kéo kết hợp với bê tông chịu nén cấu tạo lên các cấu kiện chịu lực chính của công trình. Kết cấu thép sử dụng hoàn toàn thép làm kết cấu chịu lực. (cột thép, dầm thép hình) Tùy vào từng dạng công trình, yêu cầu không gian, tải trọng... mà sử dụng những hệ kết cấu phù hợp. 1.1.2. Ưu nhược điểm 1.1.2.1. Ưu điểm Kết cấu thép có những ƣu điểm sau khiến nó đƣợc sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng - Tính công nghiệp hóa cao do sự sản xuất vật liệu (cán thép) hoàn toàn nằm trong các nhà máy luyện kim và sự chế tạo kết cấu thép đƣợc làm chủ yếu trong các nhà máy chuyên ngành hoặc dùng những loại máy móc thiết bị chuyên dụng. Kết cấu thép thích hợp nhất với điều kiện xây dựng công nghiệp hóa. - Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp. Do trọng lƣợng nhẹ, độ cứng lớn nên việc vận chuyển và lắp ráp kết cấu thép dễ dàng và nhanh chóng. Kết cấu thép dễ sửa chữa, thay thế, tháo dỡ, di chuyển. Điều kiện này đặc biệt quan trọng khi cần cải tạo các cơ sở sản xuất cho phù hợp với dây chuyền công nghệ mới, các công trình di chuyển khi cần thiết, hoặc dễ khôi phục, sửa chữa nhƣ: cầu, nhà máy… đã bị hƣ hỏng, xuống cấp - Khả năng chịu lực lớn, độ tin cậy cao. Kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn do vật liệu thép có cƣờng độ lớn, lớn nhất trong các loại vật liệu xây dựng, có độ tin cậy cao là do cấu trúc thuần nhất của vật liệu, sự làm việc đàn hồi và dẻo của vật liệu thép 4 gần sát với giả thiết tính toán. - Trọng lƣợng nhẹ. Kết cấu thép nhẹ nhất trong số các kết cấu chịu lực nhƣ: Bê tông cốt thép, gạch, đá, gỗ - Tính kín. Vật liệu và liên kết kết cấu thép có tính kín không thấm nƣớc, không thấm khí 1.1.2.2. Nhược điểm Ngoài các ƣu điểm nhƣ trên, kết cấu thép còn có một số khuyết điểm hạn chế việc sử dụng sau - Chịu lửa kém. Thép không chảy nhƣng ở nhiệt độ từ 500 đến 600oC thì thép chuyển sang dẻo, mất khả năng chịu lực, kết cấu bị sụp đổ dễ dàng. Độ chịu lửa của kết cấu thép thậm chí kém hơn cả kết cấu gỗ dán. Bởi vậy đối với các công trình nguy hiểm về phòng cháy nhƣ: Kho chất cháy, nhà ở, nhà công cộng, khung thép nhà cao tầng… thép phải đƣợc bọc bằng lớp chịu lửa (bê tông, tấm gốm, sơn phòng lửa…) - Bị ăn mòn. Trong môi trƣờng không khí ẩm, nhất là môi trƣờng xâm thực, thép bị gỉ, từ gỉ bề mặt cho đến phá hoại hoàn toàn có thể chỉ sau vài năm. Bởi vậy cần phải bảo vệ, chống ăn mòn cho thép nhất là ở những nơi ẩm ƣớt, có hàm lƣợng các chất ăn mòn cao. Tùy mức độ ăn mòn mà sử dụng các lớp bảo vệ khác nhau cho thép: Sơn thông thƣờng, sơn tĩnh điện, mạ k m, mạ crôm… Chi phí bảo dƣỡng kết cấu thép là khá cao. 1.1.3. Phạm vi ứng dụng Do có các đặc điểm trên, kết cấu thép thích hợp với những công trình lớn (Nhịp rộng, chiều cao lớn, chịu tải trọng nặng), các công trình cần trọng lƣợng nhẹ, các công trình cần độ kín không thấm nƣớc hoặc khí. Phạm vi ứng dụng của kết cấu thép rất rộng, có thể chia làm các loại công trình sau: - Khung nhà nhiều tầng, đặc biệt các kiểu nhà dạng tháp ở các thành phố khi nhà trên 20 – 30 tầng nội lực trong cột s rất lớn, yêu cầu độ cứng cao, dùng khung thép s có lợi hơn khung bê tông cốt thép. Với các nhà siêu cao tầng thì kết cấu thép chịu lực chính là duy nhất. Hiện nay đối với nhà cao tầng thƣờng dùng kết cấu liên hợp thép bê tông (cột thép hình bọc hoặc nhồi bê tông cùng chịu lực, sàn liên hợp dầm thép cùng làm việc với bản sàn bê tông), loại kết cấu này có nhiều ƣu điểm khi chịu lực và có khả năng chống cháy tốt. - Nhà công nghiệp, khung nhà công nghiệp đƣợc làm toàn bộ bằng thép khi nhà cao, cầu trục nặng, hoặc có thể là hỗn hợp bê tông cốt thép, dàn và dầm thép. - Các loại kết cấu di động nhƣ cần trục, cửa van, gƣơng ăngten parabol… cần trọng lƣợng nhẹ để có thể di chuyển nâng cất thật dễ dàng. 5 Ngày nay kết cấu thép còn đƣợc ứng dụng trong công trình của một số ngành công nghiệp hiện đại nhƣ dàn khaon dầu trên biển, kết cấu lò phản ứng hạt nhân… - Nhà nhịp lớn, là những loại nhà do yêu cầu sử dụng cần phải có nhịp khá lớn trên 30 – 40 mét, nhƣ nhà biểu diễn ca nhạc, nhà thi đấu thể dục thể thao, nhà triển lãm, nhà chứa máy bay, cung hội nghị… dùng kết cấu thép là hợp lý nhất. Có những trƣờng hợp nhịp đặc biệt lớn, ví dụ trên 100 mét thì kết cấu thép là duy nhất áp dụng đƣợc. Có thể giảm trọng lƣợng kết cấu chịu lực nhà nhịp lớn nhờ dùng thép cƣờng độ cao hoặc sử dụng ứng suất trƣớc. - Cầu đƣờng bộ, cầu đƣờng sắt, làm bằng thép khi nhịp vừa, nhịp lớn, khi cần thi công nhanh. Cầu treo bằng thép có thể vƣợt đƣợc nhịp rất lớn, trên 100 mét. - Kết cấu tháp cao, nhƣ các loại cột điện, cột ăngten tháp trắc đạc, hoặc một số loại kết cấu đặc biệt nhƣ tháp khoan dầu. Sử dụng dụng ở đây có lợi vì kết cấu nhẹ, dễ vận chuyển, dễ lắp dựng. - Kết cấu bản, nhƣ các loại bể chứa dầu, bể chứa khí, các thiết bị của lò cao, của nhà máy hóa chất, các nhà máy lọc dầu. Đây là phạm vi ứng dụng đặc biệt có lợi, nhiều khi là duy nhất của kết cấu thép, vì tính kín, chống thấm của kết cấu thép, vì khả năng làm việc trong những điều kiện bất lợi về nhiệt độ và áp suất. Nói chung, đối với nhiều nƣớc trên thế giới, thép là vật liệu quý và hiếm, vì thép cần dùng cho mọi ngành của nền kinh tế quốc dân. Do đó trong những trƣờng hợp có thể, ngƣời ta vẫn tìm cách thay thế bằng những vật liệu khác nhƣ bê tông cốt thép, gỗ dán. Ở nƣớc ta, phần lớn thép xây dựng là phải nhập ngoại nên việc sử dụng kết cấu thép hay bằng vật liệu khác lại càng phải cân nhắc, so sánh trong từng trƣờng hợp cụ thể. Xét riêng về mặt giá vật liệu thì kết cấu thép đắt hơn kết cấu bê tông cốt thép khoảng ba lần: Một đơn vị thể tích thép đắt hơn một đơn vị bê tông khoảng 70 lần, trong khi cƣờng độ thép cao hơn bê tông khoảng hơn 20 lần. Tuy nhiên, nếu xét toàn diện giá thành xây dựng, kể cả hiệu quả kinh tế của việc thi công nhanh thì nhiều trƣờng hợp dùng kết cấu thép có lợi hơn ngay cả những công trình nhỏ. Các tiêu chuẩn thiết kế của nƣớc ta chƣa có quy định cụ thể về việc sử dụng thép trong kết cấu xây dựng; việc chọn dùng vật liệu nào là do ngƣời thiết kế và thi công quyết định trong từng trƣờng hợp trên cơ sở so sánh toàn diện các phƣơng án thiết kế. Một số hình ảnh công trình sử dụng kết cấu thép tại Việt Nam 6 Hình 1.1. Dự án tái định cư Phường 11 - Quận 6 - Thành phố HCM 1.1.4. Vật liệu và phôi chế tạo 1.1.4.1. Phân loại thép xây dựng Thép và gang là hợp kim đen của sắt (Fe) và cacbon (C), ngoài ra còn một số các chất khác có tỷ lệ không đáng kể, nhƣ oxy (O), phôtpho (P), silic (Si),... Từ quặng sắt, thành phần chính là sắt oxyt (Fe2O3, Fe3O4) ngƣời ta luyện trong lò cao đƣợc gang là hợp kim Fe và C, trong đó lƣợng C chiếm trên 1,7%. Qua lò luyện thép để khử bớt C trong gang, ngƣời ta thu đƣợc thép. Có rất nhiều loại thép khác nhau do thành phần hóa học, do phƣơng pháp luyện, phƣơng pháp rót. Dƣới đây ta chỉ nêu một số phƣơng pháp chính đối với thép dùng trong xây dựng. a. Theo thành phần hóa học của thép Thép đƣợc chia ra các loại sau: - Thép cacbon, với lƣợng cacbon dƣới 1,7%, không có các thành phần hợp kim khác. Tùy theo hàm lƣợng cacbon, lại chia ra: thép cacbon cao, thép cacbon vừa, thép 7 cacbon thấp. Thép xây dựng là loại thép cacbon thấp, với hàm lƣợng cacbon dƣới 0,22%, đó là loại thép mềm, dẻo, dễ hàn. Thép cacbon vừa và cao là loại thép sử dụng trong các ngành công nghiệp khác. - Thép hợp kim, có thêm thành phần kim loại khác nhƣ crôm (Cr), kền (Ni), mangan (Mn), … nhằm nâng cao chất lƣợng thép nhƣ tăng độ bền, tăng độ chống gỉ. Thép hợp kim thấp là thép có tỷ lệ của tổng các nguyên tố phụ thêm dƣới 2,5%, đây là loại thép đƣợc dùng trong xây dựng. Thép hợp kim vừa và hợp kim cao không dùng làm kết cấu xây dựng. b. Theo phương pháp luyện thép Luyện thép từ gang là nhằm khử bớt cacbon và các chất phụ khác trong gang để đƣa về hàm lƣợng yêu cầu đối với thép. Có hai phƣơng pháp luyện chính: bằng lò quay và bằng lò bằng - Luyện bằng lò quay. Lò quay là một cái bầu, quay xung quanh một trục nằm ngang. Không khí đƣợc thổi qua đáy vào nƣớc gang lỏng để oxy hóa các hợp chất cần khử của gang (C, Si, Mn, P). Tùy theo thành phần của quặng làm gang mà có ít hay nhiều phôtpho, mà cấu tạo lò quay khác nhau: lò Bessmer – Lớp lót lò gạch silic, có tính axit; lò Thomas – lớp lót lò đôlômit có tính kiềm, nên có thể dùng vôi để khử phôtpho của gang. Luyện bằng lò quay có năng suất cao, thời gian luyện mỗi mẻ chỉ chừng 30 phút, nhƣng chất lƣợng thép không tốt vì nitơ của không khí hòa tan trong thép thành những bọt khí làm thép giòn. Ngoài ra không thể khử hết hoàn toàn phôtpho là thành phần có hại làm cho thép bị già. Phƣơng pháp luyện bằng lò quay tiên tiến mới đƣợc áp dụng trong mấy chục năm gần đây là lò thổi oxy. Oxy nguyên chất đƣợc thổi với áp lực cao từ trên xuống. Ngoài ra có thể trộn thêm bột vôi để khử phôtpho trong gang. Thép đƣợc sản xuất theo phƣơng pháp này có chất lƣợng tốt tƣơng đƣơng nhƣ thép lò bằng, nhƣng rẻ hơn nhiều vì năng suất cao, thời gian luyện nhanh (40 đến 50 phút) nên ngày càng đƣợc sử dụng nhiều. Thực tế hiện nay, các lò Bessmer và lò Thomas hầu nhƣ không đƣợc dùng nữa. - Luyện bằng lò bằng (lò Martin). Trong lò bằng, nƣớc gang lỏng đƣợc trộn lẫn với thép vụn và đƣợc đốt nóng bằng khí đốt (hoặc bằng điện trong lò điện). Các chất của gang đƣợc oxy hóa bằng các sắt oxyt trong thép vụn. Thời gian luyện một mẻ từ 8 đến 12 giờ, do luyện lâu nên năng suất thấp, giá thành thép cao. Nhƣng thép có chất lƣợng tốt cấu trúc thuần nhất và thành phần thép có thể điều chỉnh đƣợc trong quá trình luyện. Với các phƣơng pháp sản xuất hiện nay, không cần phân biệt thép lò bằng hay thép lò quay thổi oxy, hai loại thép này coi nhƣ có chất lƣợng tƣơng đƣơng. 8 c. Theo mức độ khử oxy Thép lỏng từ lò luyện đƣợc rót vào các khuôn và để nguội cho kết tinh lại. Tùy theo phƣơng pháp để lắng nguội, chia ra các loại sau: - Thép sôi: Thép khi nguội, bốc ra nhiều bọt khí oxy, cacbon oxyt (nên trông nhƣ sôi); các bọt khí tạo thành những chỗ không đồng nhất trong cấu trúc của thép, khiến thép sôi có chất lƣợng không tốt, dễ bị phá hoại giòn và bị lão hóa. - Thép tĩnh (thép lặng): Thép tĩnh trong quá trình nguội không có hơi bốc ra cuồn cuộn nhƣ thép sôi, do đã đƣợc thêm những chất khử oxy nhƣ silic, nhôm, măngan. Những chất này khử hết oxy có hại và những tạp chất phi kim loại khác tạo nên xỉ nổi trên mặt. Phần xỉ này đƣợc loại bỏ đi, thép còn lại trở nên đồng nhất, chịu lực động tốt, khó bị phá hoại giòn. Thép tĩnh đắt hơn thép sôi, đƣợc dùng trong những công trình quan trọng hoặc chịu tải trọng động. - Thép nửa tĩnh (nửa lặng): Là trung gian giữa thép tĩnh và thép sôi, trong đó oxy không đƣợc khử hoàn toàn. Về chất lƣợng thép cũng nhƣ về giá thành thì thép nửa tĩnh là trung gian giữa hai loại thép trên. 1.1.4.2. Cấu trúc và thành phần hóa học của thép a. Cấu trúc của thép Thép có cấu trúc tinh thể. Quan sát một mẫu thép dƣới kính hiển vi ta thấy thép gồm có hai tổ chức chính (1) Ferit, các hạt màu sáng, chiếm tới 99% thể tích (Ferit là sắt nguyên chất), có tính mềm dẻo; (2) Xenmentit là hợp chất sắt cacbua (Fe3C), rất cứng và giòn Ở thép cacbon thấp, xenmentit hỗn hợp với ferit thành peclit, là lớp mỏng màu thẫm nằm giữa các hạt ferit. Cƣờng độ peclit là trung gian giữa xenmentit và ferit. Các lớp peclit bao quanh các hạt ferit mềm dèo nhƣ một màng đàn hồi, quyết định sự làm việc dƣới tải trọng và các tính chất dẻo của thép. Thép càng nhiều cacbon thì màng peclit càng dày và thép càng cứng, kém dẻo. b. Thành phần hóa học của thép Thép cacbon, ngoài hai thành phần chính là sắt và cacbon, còn có các thành phần phụ khác nhƣ măngan, silic, lƣu huỳnh, phôtpho. - Mangan (Mn), làm tăng cƣờng độ dai của thép, làm giảm ảnh hƣởng có hại của lƣu huỳnh, nên thƣờng đƣợc cho thêm vào thép lỏng, nhất là trong thép hợp kim. Nếu hàm lƣợng Mn lớn quá 1,5%, thép trở nên giòn - Silic (Si) là chất khử oxy nên cũng đƣợc cho thêm vào đối với thép tĩnh. Silic làm tăng cƣờng độ của thép nhƣng làm giảm tính chống gỉ, tính dễ hàn, cho nên hàm lƣợng cũng cần hạn chế. 9 Những hợp chất sau đây có hại, làm ảnh hƣởng xấu đến chất lƣợng thép: - Phôtpho (P), làm giảm tính dẻo và độ dai va chạm của thép, đồng thời làm thép trở nên giòn nguội (giòn ở nhiệt độ thấp). - Lƣu huỳnh (S), làm cho thép giòn nóng (giòn ở nhiệt độ cao), nên dễ bị nứt khi hàn và rèn. - Các khí nitơ (N), oxy (O2), trong không khí hòa tan vào kim loại lỏng và không đƣợc khử hết, làm cho thép bị giòn, làm giảm cƣờng độ thép. Do đó cần phải khử hết các khí này, và ngăn không cho kim loại lỏng tiếp xúc với không khí. 1.2. Tổng quan về kết cấu liên hợp thép bê tông 1.2.1. Khái niệm Kết cấu liên hợp thép và bê tông (composite steel and concrete structures) là bộ phận kết cấu đƣợc chế tạo từ 2 thành phần bê tông và thép kết cấu, đƣợc liên kết với nhau bằng các liên kết chống cắt nhằm hạn chế sự trƣợt dọc giữa 2 vật liệu cũng nhƣ hạn chế sự phân tách giữa 2 thành phần. Hình 1.2. Các dạng kết cấu liên hợp thép – bê tông a, b) Kết cấu thép nhồi bê tông; c, d, g) Kết cấu thép vừa bọc vừa nhồi bê tông; h, i, k) Kết cấu thép bọc bê tông; e, f, l, m) Thép bản và bê tông liên kết với nhau. Trên thế giới, các công trình xây dựng đã áp dụng rộng rãi dạng kết cấu liên hợp thép-bê tông. Hiện nay, nhiều nƣớc trên thế giới đã đƣa và tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp, ví dụ - Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings. - AS 2327.1-2003: Composite structures - Part 1: Simply supported beams