Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỂ KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỔl BÊ TÔNG 1. ĐẶC Đ IỂM CHUNG KẾT c ấ u l i ê n h ợ p Ố n g t h é p n h ồ i b ê t ô n g 1. Khái niệm 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 là các ống thép được nhổi đặc bằng bê tông cường độ cao hoặc trung bình. Thông thường dùng ống tròn, nhưng các ong vuông cũng có thể được áp dụng.
Trong sách này sẽ chủ yếu đề cập đến loại dùng ống tròn. Hộ 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 nghiẽn cứu áp dụng cho rất nhiều loại công trinh xây dựng nhà, xưởng và các công trình cầu đường. c 'âu lạo kết cấu ống thép nhồi bê irì/ig (CI-SĨ) Kết Cấu ống thép nhồi bê tông là m ột kết cấu liên hợp bao gồm ống ihép vỏ và bê tông lõi cùng làm việc chung.
Kêì cấu loại này có nhiều ưu ihế: 5 - Đ ộ bền của loi bè tông (có lớp vỏ thép với chức năng như lớp áo bọc chặt bên ngoài) đã được tảng khoảng 2 lần so với độ bền của bê tòng thông thường. - Các nghiên cứu dã chứng tỏ rằng v ỏ thép trong đúng ra là có sự co ngót nhưng cũng đã có sự trương nở của bê tỏng trong ống và sự trương nở đó được đuy trì trong nhiểu năm tạo thuận lợi cho sự làm việc cua bẽ tõng. Không có sự trao đổi độ ẩm giữa bê tông và môi trường bèn ngoài là nguyên nhân gày ra sụ trương nở. N hiều thí nghiệm đã chứng tỏ trị số biến dạng co ngót theo chiổu dọc của mẫu bị cách ly là rất nhỏ, vào khoảng 8 — (2 — 3).
Đó là ưu điểm của kết cấu ống thép đuợc nhồi bê tông so với kết cấu bê tông cốt thép Ihông thường. Ngoài kết cấu ống thép mặt cắt đậc như trên còn có loại ống thép tròn nhồi bê tống mặt cắt rỗng với 2 lớp vỏ thép bọc mặt ngoài và mặt trong, kẹp giữa là H ình 1. Cấu tạo kết cấu ôỉìg ĩhép nhồi bétâng mặt cắt rổng lóp lõi bê tỏng (xem hình 1. Cách sắp xếp đan xen các lớp vật liệu thép và bê lông như vậy sẽ tạo ra cơ cấu chịu lực chung giữa lõi bê tông và vỏ thép nhờ hiệu ứng nở hòng của bê tông khi chịu nén.
Sự cách ly cua bê tỏng với môi trường xung quanh tạo ra những điều kiện tốt hơn cho sự làm việc của bê tông khi chịu tải trọng. Nhiều Ihí nghiệm so sánh 2 loại kết cấu đã cho thấy rằng tải trọng càng tác dụng dài hạn thì càng gây ra sự phá hoại trong bê tông không bị cách ly lớn hơn nhiểu so với bê tòng bị cách ly. Trong bố tống không bị cách ly thì các vết nứt nhỏ ngày càng nhicư, còn trong bê tông bị cách ly khi chịu ứng suất ở mức độ nhỏ tương tự như trong bẻ lông không bị cách ly thì chỉ sau 2 đến 3 ngày đầu sẽ hoàn toàn không bị nứt thêm nữa. Trong các mẫu bê tông không bị cách ly thì tính phi tuyến của biên dạng lừ biên có Ihể quan sát dược trong vòng 20 đến 30 ngày, trong bê tông bị cách Iv thì tính phi tuyến này sẽ mất đi trong vòng 2 đến 7 ngày đầu (với điều kiện chúng chịu ứng suất như nhau).
Việc nhồi bê tông vào ống thcp đã nâng cao độ bền chống ãn m òn mặt Irong cúa ống thcp, làm giảm độ m ảnh của cấu kiện, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và làm tãng khả năng chống móp, méo (biến dạng) của vỏ ống thép khi bị va đập. Đặc điểm chịu lực của kết cấu ông thép nhồi bê tông K hác với ống thép thường, ống thép nhồi bẽ tông chỉ làm việc hiệu quả khi chịu nén. Khi chịu kéo khả năng chịu lực của nó nhỏ hơn nhiều, v ề mặt này ống thép nhồi bê tông tương tự kết cấu bẽ tỏng cốt thép. Do đó trong một hộ thống kết cấu chịu lực ncn dùng ống thcp nhồi bê tông chỉ cho các cấu kiện chịu nén.
v ề nguyên tắc khổng nên dùng kết cáu ống thép nhồi bê tông làm cấu kiện chịu kéo. Tuy nhiên trong m ột số trường hợp cũng có thể dùng ống thép nhồi bê tông làm cấu kiện chịu kéo vì các lý do đặc biệt như: đc chống gỉ cho bề mặt trong ống, để tâng độ cứng chống uốn hay tăng trọng lượng bản thân. Trong thực tế thường có 2 cách lập sơ đồ chịu lực: + Thứ nhất: sử dụng ống thép nhối bê tông trong các sơ đồ kết cấu truyền thống của công trình mà có những cấu kiện chịu nén là chủ yếu, đó là các cột, trụ, thanh biên cột điện, các thanh chịu nén của giàn và vòm. + Thứ hai: lạp các sơ đồ kết cấu mới mà trong đó các tải trọng tính toán chú yếu do ống thép nhồi bê tông chịu.
Theo cách thứ hai này thì cần lưu ý áp dụng mây nguyên lý sau: * N guyên lí tập trung vật liệu, các cấu kiện nên được làm to lên thì tổng khối lượng toàn kết cấu sẽ được giảm nhẹ nhờ khả năng chịu lực của kết cấu tăng nhanh hơn so với sự tãng khối lượng của nó; * Nguvên lí đơn giản hoá hình dạng kết cấu * Nguyên lí về sự kết hợp chức năng. Diện tích bể m ặt ngoài của kết cấu ông thép nhồi bê tông chỉ nhỏ bằng khoảng một nửa so với của kết cấu thép cán có cùng khả nâng chịu lực, do đó chi phí về sơn phủ và bảo dưỡng cũng ít hơn. Trên bể m ặt của ống hình trụ sẽ đọng lại rất ít bụi và chất bấn vì vậy kết cấu ống thép nhồi bê tông có độ bền chống gỉ cao. Do kết cấu là các thanh hình trụ tròn ncn cải thiện được tính chất khí dộng học và tính ốn định.
Độ cứng chống xoắn của các thanh loại ống tròn này cao hơn nhiểu so với thanh mặt cắt hư. Các ống thép nhồi bê tông không cần sơn phủ, mạ kim loại hoặc bịt kín mặt trong của ống. Giá thành tổng the của công trình làm bằng kết cấu ống thép nhổi bê tông nói chung nhỏ hơn nhiều so với giá thành của công trình tương tự làm bằng kết cấu bê tỏng cốt thép hoặc kết cấu thép thông thường. Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi bẽ tông nhỏ hơn so với kết cấu bê lông cốt ihép do đó việc vận chuyển và láp ráp dễ dàng hom.
Kết cấu ống thép nhồi bê tồng 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 sẩn. nó có sức chịu đựng lốt hơn, ít hư hỏng do va đập. Do khỏng có cốt chịu lực và cốt ngang nên có thể đổ bc tông với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỷ lộ nước/xi màng có thể lấy nhỏ hơn) và sẽ dễ dàng đạl chất lưựng bê tông cao hưn. 7 Ong ihép sản xuất bằng thép cán uốn tròn rồi được hàn nối theo dọc ống thường có độ chính xác cao vể bề dày, đường kính, độ ovan và đo đó thoả m ãn các điều kiện lắp dựng và khai thác.
Loại ống thép hàn xoắn có thể được ch ế tạo bằng cách uốn các tấm thép hẹp theo đường xoắn ốc rồi hàn lại dọc theo đường nối xoản ốc là kinh tế nhất (loại ống nàv đã được dùng làm cọc ống cho cầu Bính ở Hải Phòng). Nói chung đặc điểm cơ bản của loại kết cấu ống thép nhồi bẽ tông có thể được tổng kết như sau: - M ặt cắt ngang của cột trong hộ thống kết cấu ống thép nhồi bê tông có thể được giảm do tăng cường dộ vật liệu. - Các nguyên nhân dao động kết cấu do động đất và gió có thể được giảm do nó được lăng cường độ cứng hơn kết cấu thép thông thường. - Anh hưởng của sự cố cháy có thể được giảm hoặc bỏ qua do hiệu ứng của bê tông nhồi đặc trong ống thép.
K ẾT CẤU ỐNG THÉP LIÊN HỢP Trong xây dựng công trình, phẩm chất của vật liệu xây dựng thông thường được đánh giá dựa trẽn những yếu tố như là tính kinh tế, cường độ (độ bền) kết cấu, tính bền lâu và khả nãng khai thác thuận tiện. Người thiết kế còn quan tâm lựa chọn tối ưu các vật liệu khác nhau và các phương pháp xây dựng, sao cho kết cấu có giá thành rẻ nhất mà vẫn đảm bao các yêu cầu khai thác. Theo Yam (1 9 8 ỉ), các phương pháp cải tiến việc sử dụng vật liệu có thể được phân thành hai loại. Thứ nhất là lựa chọn và thứ hai là tổ hợp các loại vật liệu thích hợp từ các vậi liệu mới với các đặc tính cần thiết trong xây dựng, vì vậv kết quả là đã ra đời một loại vật liệu liên hợp.
Sự lựa chọn các vật liệu khác nhau có thể được gán vào các dạng mật cắt ngang với các đặc trưng hình học thích hợp nhất, sao cho các đậc tính cúa mỗi loại vật liệu sẽ được tận dụng triệt dể. Kết cấu liên hợp và phương pháp xây dựng thích hợp tương ứng được gọi là phương pháp xây dựng liên hợp. Tuy nhiên, sự tổ hợp của các kết cấu liên hợp và phương pháp xây dựng liên hợp có thể là nguyên nhân làm tâng việc sử dụng vật liệu nhiều hơn. Việc ứng dụng các kết cấu liên hợp thép - bê tông tà một xu hướng tất yêu và ngàv càng được cải tiến trong kỹ thuật xây dựng, đặc biệt trong xây dựng công nghiệp, nhà cửa và cầu đường.
Các kết cấu ống thép liên hợp trong xây dựng dân dụng thường là kết cấu cột liên hợp, đó là một kết cấu chỉ chịu nén dọc trục. Nhưng trong thực tế, các cột không chỉ chịu nén mà còn chịu uốn do lực nén đặt lệch tâm. Tiêu chuẩn chung của cột liên hợp là phần tứ thép có tác động liên hợp với phần tử bc tông, vì vậy cả hai phần tử thép và bẻ 8 tông đều tham gia kháng lại lực nén. Cột liên hợp gồm các thành phần kết cấu thép ở bén trong và bẽ tông bọc ở bên ngoài đã tận dụng hiệu quả về mặt cường độ của 2 loại vật liệu và đồng thời còn tạo thành các kết cấu có tính kháng cháy cao.