Tài liệu Thiết kế sàn bê tông cốt thép trong hệ kết cấu liên kết với cột ống thép nhồi bê tông sử dụng phương pháp khung tương đương

TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH Đề tài: THIẾT KẾ SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG HỆ KẾT CẤU LIÊN KẾT VỚI CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP KHUNG TƢƠNG ĐƢƠNG Học viên: Huỳnh Tiến Khang Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN Mã số: 85 80 201 - Khóa: K36 Đà Nẵng, Trƣờng Đại Học Bách Khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) - sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) là giải pháp kết cấu hợp lý cho nhà cao tầng. Điều kiện để kết hợp hai loại kết cấu này là liên kết giữa cột và sàn phẳng. Với sự có mặt của chi tiết liên kết sẽ ảnh hƣởng đến sự phân bố độ cứng của sàn tại vị trí liên kết gây ảnh hƣởng đến ứng xử của sàn. Hiện nay, các phần mềm thiết kế kết cấu nhƣ SAP2000, SAFE chƣa thể mô phỏng đồng thời liên kết sàn cột CFST để thực hiện phân tích. Do đó, luận văn đã trình bày cách xác định nội lực sàn phẳng liên kết với cột CFST sử dụng Shear head bằng phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng. Tác giả đề xuất ảnh hƣởng của Shear head đến cấu kiện xoắn của cột tƣơng đƣơng và trình bày cách xác định nội lực trong sàn bằng phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng cũng nhƣ bằng phần mềm SAP2000. Trên cơ sở lý thuyết phân tích, thực hiện ví dụ xác định nội lực sàn bằng phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng và phƣơng pháp phần tử hữu hạn (sử dụng SAP2000) cho khung trục giữa. Kết quả cho thấy giá trị mô men khi tính toán theo hai trƣờng hợp không chênh lệch nhiều và phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng cho kết quả thiên về giá trị an toàn. Từ khóa – CFST, Khung tƣơng đƣơng, Sàn phẳng bê tông cốt thép, Cột tƣơng đƣơng, ACI 318-11 Topic: DESIGN OF THE REINFORCED CONCRETE SLAB IN STRUCTURE CONNECTED WITH CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMN USING EQUIVALENT FRAME METHOD Abstract – The structure system include concrete filled steel column (CFST) - reinforced concrete flat slab (RC) is a reasonable structural solution for tall buildings. The conditions for combining these two types of structures are the connection between the column and the floor. The presence of connection details will affect the stiffness distribution of the slab at the connection position, affecting the behavior of the slab. Currently, structural design software such as SAP2000, SAFE cannot simulate floor - column CFST columns together for analysis. Therefore, the thesis presented how to determine the internal force of flat floor associated with CFST column using Shear head by frame equivalent method. The author proposes the influence of the Shear head to the torsion structure of the equivalent column and presents how to determine internal force in the floor by the equivalent frame method as well as by SAP2000 software. On the basis of analytical theory, perform the example of determining the internal force of the slab by the equivalent frame method and finite element method (using SAP2000) for the middle frame. The results show that the moment value when calculating in two cases is not much different and the equivalent frame method gives the result in safe values. Keywords – CFST, Frame Equivalent Method, Reinforced concrete flat slab, Equivalent column, ACI 318-11 MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT TIẾT VIỆT VÀ 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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu..................................................................................... 2 4. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................................... 2 5. Kết quả dự kiến ................................................................................................................... 2 6. Bố cục đề tài ........................................................................................................................ 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỘT CFST, SÀN PHẲNG BTCT VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ SÀN PHẲNG BTCT .............................................. 3 1.1 Tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông................................................................................ 3 1.1.1. Khái niệm về cột ống thép nhồi bê tông ......................................................... 3 1.1.2. Ƣu điểm, nhƣợc điểm của cột ống thép nhồi bê tông ..................................... 6 1.1.3. Khả năng áp dụng ........................................................................................... 7 1.2. Sàn phẳng bê tông cốt thép .................................................................................................... 8 1.2.1. Sàn phẳng BTCT thƣờng ................................................................................ 9 1.2.2. Sàn phẳng bê tông ứng lực trƣớc .................................................................... 9 1.2.3. Sàn nấm (sàn phẳng có mũ cột) .................................................................... 10 1.3. Tính toán nội lực trong sàn phẳng ....................................................................................... 11 1.3.1. Phƣơng pháp phân phối trực tiếp .................................................................. 11 1.3.2. Phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng ................................................................ 13 1.3.3. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn ..................................................................... 16 1.4. Kết luận chƣơng 1 ................................................................................................................. 17 CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP KHUNG TƢƠNG ĐƢƠNG THIẾT KẾ SÀN TRONG HỆ KẾT CẤU KẾT HỢP CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG ... 18 2.1. Phân tích khung tƣơng đƣơng trong hệ kết cấu kết hợp cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng....................................................................................................................................... 18 2.2. Tính toán độ cứng và sự truyền các mô men ngàm ........................................................... 22 2.3. Đặc điểm của dầm bản ......................................................................................................... 24 2.4. Đặc điểm của các cột ............................................................................................................ 25 2.5. Các cấu kiện xoắn và cột tƣơng đƣơng............................................................................... 26 2.6. Sự phân chia mô men cho các dải cột, dải giữa ................................................................. 31 2.7. Thiết kế khung sử dụng phần mềm SAP2000 ................................................................... 31 2.8. Thiết kế cốt thép chịu mô men ............................................................................................ 32 2.9. Kết luận chƣơng .................................................................................................................... 34 CHƢƠNG 3. VÍ DỤ TÍNH TOÁN ............................................................................... 35 3.1. Ví dụ thiết kế sàn theo phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng................................................ 35 3.2. Thiết kế khung sử dụng phần mềm SAP2000 ................................................................... 47 3.3. Kết luận chƣơng 3 ................................................................................................................. 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 52 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 KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CFST : Concrete filled steel tube (Ống thép nhồi bêtông) BTCT : Bê tông cốt thép Rb : Cƣờng độ chịu nén của bêtông Rs : Cƣờng 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 wu : Tải trọng phân bố đều trên sàn ho : chiều cao làm việc của sàn h : Chiều dày sàn b : Bề rộng dải bản sàn As : Tổng diện tích cốt thép chịu kéo trên bề rộng b của dải sàn a : Chiều cao v ng 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 S : Mômen tĩnh của một nửa tiết diện chữ nhật tấm thép fv : Cƣờng độ tính toán về cắt của vật liệu tấm thép fws : Cƣờng độ tính toán chịu cắt quy ƣớc của thép cơ bản βf : Hệ số chiều sâu nóng chảy trên tiết diện qua đƣờng hàn βs : Hệ số chiều sâu nóng chảy trên tiết diện qua thép cơ bản Awf : Diện tích tính toán của tiết diện đƣờng hàn ứng với tiết diện 1 Aws : Diện tích tính toán của tiết diện đƣờng hàn ứng với tiết diện 2 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Hệ số phân bố mô men cho bản ............................................................. 23 Bảng 2.2. Hệ số độ cứng và hệ số truyền cho các cột ............................................ 23 Bảng 2.3. Mô men dải cột ...................................................................................... 31 Bảng 3.1. Thông số hình học của thép hình H100×100 ......................................... 37 Bảng 3.2. Hệ số phân bố mô men cho bản ............................................................. 39 Bảng 3.3. Hệ số độ cứng và hệ số truyền cho các cột ............................................ 41 Bảng 3.4. Phân phối mô men ................................................................................. 43 Bảng 3.5. Bảng phân phối mô men cho dải cột và dải nhịp khung trục 4 .............. 45 Bảng 3.6. Bảng tính toán cốt thép cho dải cột và dải nhịp ..................................... 46 Bảng 3.7. Bảng so sánh mô men khung tƣơng đƣơng so với SAP2000 ................. 50 DANH MỤC CÁC HÌNH 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 đƣợc bao bê tông (Concrete-encased CFST) ................................. 5 Hình 1.5. Cột CFST tăng cƣờng kết cấu thép và cốt thép gia cƣờng .............................. 5 Hình 1.6. CFST với sƣờn tăng cứng ................................................................................ 6 Hình 1.7. Một số tiết diện tổ hợp từ cột CFST ................................................................ 6 Hình 1.8. Ví dụ về công trình đƣợc xây dựng bằng kết cấu CFST ................................. 8 Hình 1.9. Sàn phẳng bê tông cốt thép .............................................................................. 9 Hình 1.10. Sàn bê tông ứng lực trƣớc ........................................................................... 10 Hình 1.11. Sàn nấm ....................................................................................................... 11 Hình 1.12. Sơ đồ dãy cột và dãy nhịp ........................................................................... 13 Hình 1.13. Sơ đồ khung tƣơng đƣơng ........................................................................... 14 Hình 1.14. Cột tƣơng đƣơng .......................................................................................... 15 Hình 1.15. Thiết kế sàn sử dụng phần mềm SAFE ....................................................... 16 Hình 2.1. Khảo sát công trình sử dụng hệ kết cấu cột CFST- sàn phẳng BTCT .......... 18 Hình 2.2. Liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép ............. 19 Hình 2.3. Liên kết cột CFST – sàn phẳng BTCT sử dụng Shear head.......................... 19 Hình 2.4. Xác định khung tƣơng đƣơng, dải nhịp và dải cột ........................................ 21 Hình 2.5. Xác định v ng ảnh hƣởng của shear head đến độ cứng của sàn ................... 21 Hình 2.6. Sự biến thiên độ cứng dọc theo nhịp ............................................................. 22 Hình 2.7. Tính giá trị EI đối với sàn phẳng BTCT liên kết cột CFST .......................... 25 Hình 2.8. Tính toán độ cứng của cột Kc ........................................................................ 26 Hình 2.9. Khung cột và dầm .......................................................................................... 26 Hình 2.10. Hoạt động của khung và sự xoắn của cấu kiện biên ................................... 27 Hình 2.11. Xác định Kt .................................................................................................. 28 Hình 2.12. Các cấu kiện chịu xoắn ................................................................................ 29 Hình 2.13. Sự phân chia cấu kiện để xác định C ........................................................... 30 Hình 2.14. Xác định C cho trƣờng hợp tiết diện xoắn có Shear head. .......................... 30 Hình 2.15. Mô hình khung tƣơng đƣơng d ng cho phân tích phần mềm SAP2000 ..... 32 Hình 2.16. Tiết diện tính toán đoạn 1-2......................................................................... 32 Hình 2.17. Tiết diện tính toán đoạn 2-3......................................................................... 32 Hình 3.1. Mặt bằng sàn .................................................................................................. 35 Hình 3.2. Các chi tiết liên kết cột CFST – sàn phẳng BTCT ........................................ 36 Hình 3.3. Quy đổi chu vi tới hạn của Shear head .......................................................... 37 Hình 3.4. Mô tả khung tƣơng đƣơng trục 4 ................................................................... 38 Hình 3.5. Các cấu kiện chịu xoắn liên kết cho cột biên ................................................ 39 Hình 3.6. Các cấu kiện chịu xoắn liên kết cho cột giữa ................................................ 42 Hình 3.7. Các hệ số phân bố độ cứng ............................................................................ 42 Hình 3.8. Biểu đồ mô men khi tính theo khung tƣơng đƣơng....................................... 44 Hình 3.9. Biểu đồ mô men phân phối cho dải cột (bc = 4500mm) ................................ 45 Hình 3.10. Biểu đồ mô men phân phối cho dải nhịp (bnh = 4500mm) .......................... 46 Hình 3.11. Bố trí côt thép cho khung tƣơng đƣơng....................................................... 47 Hình 3.12. Mô hình khung tƣơng đƣơng sử dụng SAP2000 ......................................... 49 Hình 3.13. Biểu đồ mô men khung tƣơng đƣơng sử dụng SAP2000 ............................ 49 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, các công trình nhà cao tầng ở Việt Nam vẫn chủ yếu sử dụng các kết cấu truyền thống là kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép. Một giải pháp kết cấu mới và hợp lý sẽ đem lại ý nghĩa lớn về mặt kĩ thuật và hiệu quả sử dụng cho công trình. Hệ kết cấu kết hợp giữa cột ống thép nhồi bê tông (CFST) và sàn phẳng bê tông cốt thép là giải pháp hiệu quả thay thế cho kết cấu truyền thống vì những ƣu điểm vƣợt trội về mặt kỹ thuật và thi công của cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép nhƣ: + Với cột CFST: sự bố trí của thép và bê tông trong mặt cắt ngang tối ƣu hóa cƣờng độ và độ cứng của tiết diện. Thép nằm ở chu vi bên ngoài, nơi nó làm việc hiệu quả nhất trong việc chịu kéo và chống lại mô men uốn. Độ cứng của cột CFST đƣợc tăng cƣờng đáng kể vì thép có mô đun đàn hồi lớn hơn nhiều so với bê tông và nằm xa trọng tâm, nơi nó đóng góp lớn nhất vào mô men quán tính. Bê tông tạo thành một lõi lý tƣởng để chịu đƣợc tải trọng nén và nó làm trì hoãn, ngăn chặn sự vênh cục bộ của ống thép, đặc biệt là trong các cột CFST hình chữ nhật. Về mặt công nghệ cột ống thép nhồi bê tông dễ thi công, không cần hệ thống coffa nên rút ngắn đƣợc thời gian thi công xây dựng công trình. + Kết cấu sàn phẳng đƣợc xem là giải pháp sàn hợp lý vì nó làm giảm đƣợc chiều cao tầng, tăng số tầng sử dụng cũng nhƣ thuận tiện cho thi công đẩy nhanh tiến độ xây dựng, thuận lợi cho việc bố trí đƣờng ống thiết bị kĩ thuật, dễ dàng thông gió và linh hoạt bố trí mặt bằng Nhƣ vậy, hệ kết cấu sàn phẳng và cột ống thép nhồi bê tông ph hợp để sử dụng làm kết cấu cho nhà cao tầng. Hiện nay, các nghiên cứu về liên kết sàn - cột đã đƣợc thực hiện. Tuy nhiên, việc ứng dụng vào thực tế vẫn còn khó khăn vì chƣa có các hƣớng dẫn thiết kế chi tiết. Sự có mặt của chi tiết liên kết sẽ ảnh hƣởng đến sự phân bố độ cứng của sàn gây khó khăn cho tính toán thiết kế sàn. Hơn nữa, các phần mềm thiết kế kết cấu nhƣ SAP2000 chƣa thể mô phỏng đồng thời liên kết sàn - cột CFST để thực hiện phân tích. Do đó, luận văn sẽ nghiên cứu giải pháp thiết kế sàn theo hƣớng thực hành. Đấy là lý do để thực hiện đề tài: “Thiết kế sàn bê tông cốt thép trong hệ kết cấu liên kết với cột ống thép nhồi bê tông sử dụng phương pháp khung tương đương”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu tổng quan về cột CFST, sàn phẳng , các phƣơng pháp thiết kế sàn phẳng bê tông cốt thép. - Nghiên cứu thiết kế sàn phẳng bê tông cốt thép theo phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng có xét đến ảnh hƣởng của liên kết cột ống thép nhồi bê tông – sàn 2 phẳng BTCT - Thực hiện tính toán thiết kế sàn phẳng theo phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng trong hệ kết cấu cột CFST – sàn phẳng BTCT 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu: Hệ kết cấu kết hợp cột CFST với sàn phẳng bê tông cốt thép. - Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế sàn phẳng BTCT theo phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng cho khung trục giữa có xét đến chi tiết liên kết cột CFST – sàn. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết thiết kế sàn phẳng bê tông cốt thép sử dụng khung tƣơng đƣơng trong hệ kết cấu kết hợp cột CFST – sàn phẳng BTCT sử dụng chi tiết liên kết Shear head. 5. Kết quả dự kiến - Thiết lập trình tự thiết kế sàn phẳng bê tông cốt thép theo phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng có xét đến ảnh hƣởng của liên kết cột ống thép nhồi bê tông – sàn phẳng BTCT - Ví dụ tính toán thiết kế sàn cho khung trục giữa. 6. Bố cục đề tài Mở đầu: 1. Tính cấp thiết của đề tài 2. Mục tiêu đề tài 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng thiết kế sàn trong hệ kết cấu kết hợp cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép Chƣơng 3: Ví dụ tính toán. Kết luận và kiến nghị Danh mục tài liệu tham khảo 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỘT CFST, SÀN PHẲNG BTCT VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ SÀN PHẲNG BTCT 1.1 Tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông 1.1.1. Khái niệm về cột ống thép nhồi bê tông Cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube - CFST) là một kết cấu liên hợp gồm vỏ ống thép và lõi bê tông c ng làm việc chung với nhau (Hình 1.1). Hình 1.1. Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tông Đối với bê tông, cƣờng độ chịu nén lớn hơn rất nhiều so với cƣờng độ chịu kéo và cƣờng độ chịu nén của bê tông sẽ đƣợc tăng lên khi bê tông bị hạn chế nở hông. Đối với kết cấu thép, cƣờng độ chịu kéo cao nhƣng dễ bị mất ổn định cục bộ dƣới tải trọng nén. Trong loại kết cấu cột CFST, cốt thép và bê tông đƣợc 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 ƣu điểm. Loại kết cấu này hiện đang đƣợc nghiên cứu áp dụng cho công trình nhà, xƣởng, các công trình cầu đƣờng ở Việt Nam. Cột ống thép nhồi bê tông về mặt cấu tạo rất đa dạng. Dƣới 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 đƣợc nhồi vào phần rỗng bên trong ống thép có dạng hình tròn (Circular Hollow Section CHS), hay cột có tiết diện rỗng hình vuông (Square Hollow Section - SHS) hoặc cột có tiết diện rỗng hình chữ nhật (Rectangular Hollow Section - RHS). Đối với tiết diện CHS sự hạn chế biến dạng ngang của lõi bê tông là lớn nhất và bất ổn định cục bộ hầu nhƣ 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 đƣợc sử dụng nhiều trong xây dựng với những ƣu điểm riêng của nó. Những dạng tiết diện ngang khác cũng đƣợc sử dụng cho mục đích nghệ thuật nhƣ dạng đa giác, dạng elip… (Hình 1.2). 4 OÁng theùp Loõi beâtoâng a Loõi beâtoâng Loõi beâtoâng a D OÁng theùp Loõi beâtoâng OÁng theùp a OÁng theùp b OÁng theùp Loõi beâtoâng OÁng theùp Loõi beâtoâng Hình 1.2. Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tông Một dạng khác của cột CFST là cột có tiết diện với hai lớp ống thép trong và ngoài đƣợc 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 đƣợc nhồi vào giữa hai ống thép (Hình 1.3). Với cấu tạo mặt cắt nhƣ thế này, cột sẽ có độ cứng chống uốn lớn, cƣờng độ cao, khả năng chống cháy tốt hơn và tránh đƣợc 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 ƣu khi thiết kế những cấu kiện với tiết diện ngang lớn. OÁng theùp Loõi beâtoâng OÁng theùp Loõi beâtoâng OÁng theùp Loõi beâtoâng OÁng theùp Loõi beâtoâng OÁng theùp Loõi beâtoâng Hình 1.3. Cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép Một trƣờng hợp khác của kết cấu CFST là sử dụng bê tông cốt thép truyền thống để bao bọc CFST nhƣ Hình 1.4. Cấu tạo tiết diện gồm ống thép bên trong đƣợc lắp đặt trƣớc tiếp theo là lắp đặt các hệ thép gia cƣờng, lớp bê tông bên trong và bên ngoài đƣợc đổ sau đó. Việc nhồi bê tông vào trong ống sẽ làm tăng tối đa khả năng giam hãm bê tông nâng cao cƣờng 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 đƣợc 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 5 công trình. OÁng theùp Beâtoâng OÁng theùp Coát theùp meàm Beâtoâng Beâtoâng OÁng theùp Coát theùp meàm Coát theùp meàm Hình 1.4. Cột CFST được bao bê tông (Concrete-encased CFST) Kết cấu thép và kết cấu thép gia cƣờng luôn luôn đƣợc 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 đƣợc xem xét nhƣ khả năng kết hợp của kết cấu thép với những phần của cột CFST. Coát theùp hình OÁng theùp Loõi beâtoâng OÁng theùp Loõi beâtoâng OÁng theùp Loõi beâtoâng Coát theùp meàm Loõi beâtoâng Hình 1.5. Cột CFST tăng cường kết cấu thép và cốt thép gia cường Trong cột CFST thông thƣờng, bất ổn định cục bộ của ống thép thông thƣờng xuất hiện sau khi tiết diện liên hợp đạt đến cƣờng 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 cƣờng độ cao. Những sƣờn tăng cứng ngang và dọc có thể đƣợc hàn vào ống thép để cải thiện cƣờng độ và độ dẻo của cột liên hợp. Đối với cột có tiết diện ngang lớn, các sƣờn tăng cứng có thể hàn vào mặt trong của ống. Các thanh nối cũng có thể đƣợc hàn nối các sƣờn gia cƣờng nhƣ Hình 1.6. Hiệu quả của sƣờn tăng cứng trong việc trì hoãn bất ổn định cục bộ của ống thép đã đƣợc kiểm tra bằng những nghiên cứu thực nghiệm. 6 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 ƣu điểm của kết cấu thép bê tông liên hợp nhƣ Hình 1.7 a,b,c hay kết hợp cùng với kết cấu bê tông cốt thép (Hình 1.7d) tạo ra mặt cắt liên hợp cho cột trụ, những vòm trong cầu. Những loại tiết diện này cũng đã đƣợc sử dụng cho các kết cấu nhà cao tầng cũng nhƣ kết cấu cầu ở Trung Quốc. CFST Beâtoâng CFST CFST Taám theùp CFST Moái haøn CFST (a) (b) CFST OÁng theùp roãng CFST Keát caáu BTCT CFST OÁng theùp roãng (c) (d) Hình 1.7. Một số tiết diện tổ hợp từ cột CFST 1.1.2. 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 nhƣ lớp áo bọc chặt bên ngoài) đã đƣợc tăng khoảng 2 lần so với độ bền của bê tông thƣờng [1]; Cách sắp xếp vật liệu trên trên mặt cắt ngang làm tối ƣu cƣờng độ và độ cứng của cấu kiện. Cốt thép đƣợc 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 tƣởng để chống lại tải trọng nén trong quá trình làm việc, trì hoãn và chống lại sự bất ổn định 7 cục bộ của ống thép đặc biệt các cấu kiện có tiết diện hình vuông hoặc chữ nhật. Ngoài ra, ống thép cản trở biến dạng nở hông của lõi bê tông làm tăng cƣờng 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; 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 tƣơng tự làm bằng kết cấu bê tông cốt thép hay kết cấu thép thông thƣờng. Khối lƣợng 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 hƣ 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 lƣợng bê tông cao hơn [1]. b. Nhược điểm Một cấu kiện CFST bao gồm hai vật liệu với sự khác nhau về đƣờng cong ứng suất-biến dạng và ứng xử cũng có sự khác biệt rõ rệt. Sự tƣơng tác giữa hai vật liệu này đặt ra một bài toán khó trong việc xác định thuộc tính kết hợp nhƣ mô men quán tính, môdul đàn hồi; Cơ chế phá hoại cấu kiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ hình dạng, chiều dài, đƣờng kính, chiều dày ống thép, cƣờng độ thép và cƣờng 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 dƣ, hiện tƣợng 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 [2]; Một hạn chế nữa ảnh hƣởng 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 chƣa đƣợc hiểu rõ do đó gây ra không ít những khó khăn cho tính toán thiết kế cấu tạo liên kết; Hiện nay, các hạn chế tồn tại của loại kết cấu CFST tiếp tục đƣợc nghiên cứu để dần hoàn thiện các yêu cầu về mặt cấu tạo, lý thuyết tính toán cũng nhƣ nhận thức sâu hơn về ứng xử của loại kết cấu này. 1.1.3. h n ng áp dụng Kết cấu ống thép nhồi bê tông đƣợc ứng dụng rộng rãi cho rất nhiều lĩnh vực nhƣ nhà dân dụng và công nghiệp, cầu đƣờng, giàn khoan dầu... 8 Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, loại kết cấu này đƣợc áp dụng khá nhiều cho cấu kiện chịu lực chính nhƣ hệ móng cọc, các cột đ của toà nhà cao tầng. Hiện nay, việc xây dựng cầu qua các sông rộng và sâu, có nhu cầu lƣu thông đƣờng thu 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 thƣớc nhƣ 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 nhƣ 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 nhƣ vòm chính của cầu vòm, thanh mạ cong trong cầu dàn, hệ móng cọc của kết cấu trụ, thân trụ sẽ đáp ứng đƣợc yêu cầu về chịu lực cao, độ cứng lớn vừa đáp ứng đƣợc việc giảm trọng lƣợng bản thân kết cấu. Hình 1.8. d về công trình được ây dựng b ng 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 2 loại vật liệu thép - bêtông làm các trụ đ chính của dàn khoan, nhờ đó giảm đƣợc 30% lƣợng thép so với dầm khoan bằng thép c ng loại; hơn nữa, phần rỗng còn đƣợc d ng để lắp các thiết bị công nghệ và cáp thông tin. 1.2. Sàn phẳng bê tông cốt thép Với xu hƣớng phát triển của công nghệ cũng nhƣ yêu cầu về mặt kiến trúc, thẩm mỹ kinh tế cho công trình thì hệ kết cấu sàn sƣờn truyền thống dần dần đƣợc thay thế bởi hệ sàn phẳng không dầm với nhiều ƣu điểm nổi trội nhƣ tạo ra không gian sử dụng linh hoạt, dễ dàng cho việc bố trí không gian sử dụng ph hợp với công năng của công trình, giảm số lƣợng cột, chiều cao thông thu hợp lý, dễ dàng đáp ứng các yêu cầu bố trí hệ kĩ thuật. Dƣới đây sẽ giới thiệu tổng quan về một số loại sàn phẳng đƣợc sử dụng ở Việt Nam. 9 1.2.1. Sàn phẳng BTCT thường Là hệ thống chịu lực theo một hoặc hai phƣơng đƣợc kê trực tiếp lên cột hoặc tƣờng chịu lực nhƣ 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 nhƣ không đổi tạo ra mặt phẳng phía dƣới 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 thƣờng bị giới hạn bởi việc kiểm soát độ võng dài hạn và có thể cần phải tạo độ vồng tƣờng hợp lý (không quá lớn) hoặc sử dụng sàn bê tông ứng lực trƣớc. 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. 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 dƣới sàn; + Chiều dày kết cấu nhỏ và từ đó giảm đƣợc 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 thƣớc 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 trƣớc, bằng cách đặt vào một lực nén trƣớc tạo bởi lực kéo cốt thép, nhờ tính đàn hồi, cốt thép có xu hƣớng co lại tạo nên lực nén trƣớc và gây ra ứng lực trƣớc trong bê tông. Ứng suất nén trƣớc trong bê tông sẽ triệt 10 tiêu hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng sử dụng gây ra. Do đó, khả năng chịu kéo của bê tông đƣợc nâng cao và hạn chế sự phát triển vết nứt. Ứng lực trƣớc chính là việc tạo cho kết cấu một cách có chủ ý các ứng suất tạm thời nhằm tăng cƣờng sự làm việc của vật liệu trong các điều kiện sử dụng khác nhau. Trƣớc khi cấu kiện chịu tải trọng sử dụng, cốt thép đã bị căng trƣớc còn bê tông đã bị nén trƣớc [3]. Trong bê tông ứng lực trƣớc do có thể khống chế sự xuất hiện khe nứt bằng lực căng trƣớc nên cần thiết và có thể d ng cốt thép cƣờng độ cao. Mặt khác để có thể giảm đƣợc kích thƣớc tiết diện và từ đó giảm trọng lƣợng bản thân của cấu kiện, đồng thời tăng ứng suất tập trung ở v ng neo cần phải sử dụng bê tông cƣờng độ cao. Bê tông ứng lực trƣớc đã trở thành một sự kết hợp lý tƣởng giữa hai loại vật liệu hiện đại có cƣờng độ cao [3]. Sử dụng sàn bê tông ứng lực trƣớc có nhiều ƣu điểm nhƣ có khả năng vƣợt nhịp lớn, khả năng chịu uốn, chịu cắt cao hơn so với sàn bê tông cốt thép thƣờng có c ng tiết diện, hạn chế đƣợc biến dạng, khe nứt, tăng độ bền của kết cấu, do sử dụng đƣợc vật liệu có cƣờng độ cao nên giảm đƣợc kích thƣớc tiết diện, tiết kiệm đƣợc khối lƣợng vật liệu, làm giảm trọng lƣợng bản thân, giảm chi phí cho nền móng …. Hình 1.10. Sàn bê tông ứng lực trước Về lý thuyết tính toán, nhiều tổ chức và quốc gia trên thế giới đã nghiên cứu và cho ra đời các tiêu chuẩn, quy phạm về bê tông ứng lực trƣớc nhƣ tiêu chuẩn FIP của Liên đoàn quốc tế về bê tông ứng lực trƣớc; Tiêu chuẩn AASHTO cho cầu đƣờng, tiêu chuẩn ACI cho xây dựng dân dụng của Mỹ; Quy phạm Eurocode của khối liên hiệp châu Âu; Tiêu chuẩn Anh BS; Quy phạm BPEL của Pháp; Quy phạm CHII của Liên Xô (cũ)… Các tiêu chuẩn, quy phạm kể trên không ngừng đƣợc cải tiến, hoàn thiện và luôn đƣợc sửa đổi, cập nhật từ hai đến bốn năm một lần. Tại Việt Nam tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 cũng đã có những chỉ dẫn để thiết kế loại kết cấu này. 1.2.3. Sàn nấm (sàn phẳng có mũ cột) Sàn nấm là sàn không có dầm, bản sàn dựa trực tiếp trên cột. D ng sàn nấm sẽ giảm đƣợc chiều cao kết cấu, việc làm ván khuôn đơn giản và dễ dàng bố trí cốt thép. 11 Sàn nấm có có mặt dƣới phẳng nên việc chiếu sáng và thông gió tốt hơn sàn có dầm. Ngoài ra việc ngăn chia các phòng trên mặt sàn cũng sẽ linh hoạt và rất thích hợp với các bức tƣờng ngăn di động. Khi chịu tải trọng thẳng đứng, bản sàn có thể bị phá lõm vì cắt theo kiểu bị cột đâm thủng. Để tăng cƣờng khả năng chịu cắt, có thể tạo ra mũ cột hoặc tạo bản đứng cột có chiều dày lớn hơn. Bản có chiều dày lớn hơn trên đầu cột còn có tác dụng tăng cƣờng khả năng chịu momen, vì ở tiết diện sát đến cột, momen uốn trong bản đạt giá trị lớn nhất. Chiều rộng nhịp thích hợp với sàn nấm, thƣờng là 4m đến 8m đối với bê tông cột thép thƣờng, khi nhịp của bản từ 7m trở lên nên có cốt thép ứng lại trƣớc để có thể giảm chiều dày bản và giảm độ võng. Hình 1.11. Sàn nấm 1.3. Tính toán nội lực trong sàn phẳng Để phân tích sàn, tính toán nội lực, ứng suất trong sàn có thể sử dụng ba phƣơng pháp thông dụng sau: 1.3.1. Phương pháp phân phối trực tiếp Trong tính toán bản sàn theo phƣơng pháp này, momen uốn M0 của từng ô bản đƣợc phân phối cho các miền momen âm và dƣơng dựa trên bảng tra các hệ số đƣợc lập sẵn. Phƣơng pháp này mang tính ứng dụng cao, dễ sử dụng và đơn giản. Tuy nhiên phạm vi sử dụng bị hạn chế. a. Phương pháp phân phối trực tiếp theo tiêu chuẩn ACI318-11[4] Để đảm bảo khả năng chịu uốn của sàn ở trạng thái giới hạn đủ để chịu đƣợc momen âm và momen dƣơng do tải trọng bất lợi nhất gây ra cần có các điều kiện sau: + Phải có ít nhất 03 nhịp liên tục theo mỗi phƣơng; + Các nhịp phải đều nhau. Theo từng phƣơng, các nhịp kề nhau không đƣợc chênh nhau quá 1/3 chiều dài nhịp lớn hơn; + Tất cả tải trọng đều là tải trọng đứng, hoạt tải phải là tải phân bố đều và nhỏ 12 hơn 02 lần tĩnh tải; + Các ô sàn phải là hình chữ nhật, t lệ nhịp dài và nhịp ngắn không quá 2; + Cột không lệch vị trí quá 10% khoảng cách các đƣờng tim cột của các cột kế tiếp nhau theo mỗi phƣơng. b. Quy trình tính toán: - Xác định momen tổng cộng: do tải tính toán M0: wu l2ln2 Mo 8 Trong đó: wu – tải trọng phân bố; l2 – bề rộng dầm – bản; ln – chiều dài thông thủy của nhịp, đƣợc tính bằng khoảng cách 02 mặt trong gối tựa nhƣng không nhỏ hơn 0,65l1 (l1 – khoảng cách tâm 02 gối tựa). - Phân phối momen cho các ô bản: + Đối với các nhịp trong, M0 đƣợc phấn phối 65% cho momen âm và 35% cho momen dƣơng. Giá trị này xấp xỉ nhƣ dầm ngàm hai đầu chịu tải trọng phân bố dựa trên giả thiết góc xoay của các điểm liên kết phía trong là không đáng kể. Tiết diện tới hạn đối với momen âm là tiết diện tại vị trí mặt gối tựa (cột, tƣờng, mũ cột) của bản sàn. Với cột tròn, tiết diện tới hạn đối với momen âm nằm tại vị trí cạnh hình vuông tƣơng đƣơng. + Đối với các nhịp biên, lực chỉ tác dụng lên một phía nên sẽ gây momen không cân bằng. Góc xoay sẽ làm giảm momen âm và tăng momen dƣơng ở giữa nhịp và gối trong đầu tiên. Độ lớn góc xoay cột biên phụ thuộc độ cứng cột tƣơng đƣơng. Nếu độ cứng cột lớn so với độ cứng của dầm – bản, cột sẽ ngăn cản góc xoay của biên ngoài của sàn và đóng vai trò nhƣ liên kết ngàm, t lệ phân phối momen tƣơng tự nhƣ các nhịp trong (65% gối và 35% nhịp). Ngƣợc lại, nếu độ cứng cột không đủ lớn, cột đóng vai trò nhƣ gối cố định. Lúc này, momen gối ngoài bằng 0, momen giữa nhịp bằng 0,63M0, momen tại gối trong đầu tiên bằng 0,75M0. Nếu sàn không có dầm biên, t lệ phân phối lần lƣợt cho các tiết diện trên sẽ là 0,26M 0, 0,5M0, 0,7M0. Nếu sàn có dầm biên: 0,3M0, 0,5M0, 0,7M0. c. Phân phối momen cho các dãy nhịp và dãy cột: - Sau khi phân phối momen cho các ô bản, cần phân phối momen cho các dãy nhịp và dãy cột của ô bản 13 daûi nhòp daû i coät daûi nhòp daû i coät daû i coät daûi coät 2 2 daûi nhòp 2 daûi coät 2 2 daûi nhòp 2 daûi coät daû i coät daûi nhòp 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Hình 1.12. Sơ đồ dãy cột và dãy nhịp - Sự phân phối momen âm và dƣơng cho các dãy cột phụ thuộc vào t số l 2/l1 và α l2/l1, với sàn không dầm α = 0. Sau khi phân phối momen cho dãy cột, lƣợng momen còn lại sẽ phân phối cho dãy nhịp: + Đối với momen dƣơng: 60% sẽ phân phối cho dãy cột; + Đối với momen âm: Nhịp giữa: 75% phân phối cho dãy cột; Nhịp biên: Sự phân phối momen phụ thuộc l2/l1, α l2/l1, độ cứng chống xoắn của dầm biên βt. t EcbC 2 Ecs I s Trong đó: Ecb và Ecs – mô đun đàn hồi của bê tông dầm và sàn; Is – momen quán tính của dầm bản; C – hệ số liên quan đến độ cứng chống xoắn của dầm biên: C x x3 y (1 0.63 ) y 3 Với x là cạnh ngắn, y là cạnh dài của tiết diện chữ nhật thành phần trong tiết diện ngang chịu xoắn trong phạm vi chiều cao tiết diện cột. Nếu βt rất nhỏ, gần bằng 0,1% momen âm sẽ phân phối cho dãy cột. Nếu βt > 2,5 thì 75% momen phân bố cho dãy cột. 1.3.2. Phương pháp khung tương đương Vì lực cắt và momen uốn trong sàn do tải trọng thẳng đứng tác dụng lên từng sàn nên có thể phân tích độc lập từng sàn. Phƣơng pháp này đƣợc d ng để xác định