Chương 1. Giới thiệu chung về kết cấu liên hợp thép – bê tông Lịch sử phát triển của việc dùng 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 cốt thép khác so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường, phần tiết diện thép có thể ở dạng thép tấm, thép hình, thép ống, thép dạng khung., nó có thể nằm ngoài (ta thường gọi là kết cấu thép nhồi bê tông: Concrete filled Steel Structures), hay có thể nằm bên trong bê tông (gọi là kết cấu bọc bê tông: Concrete encased Steel Structures), có thể nằm trong hai thớ khác nhau của tiết diện, hoặc bố trí cùng với cốt thép thường.
Vì vậy, tính chất làm việc, sự tương tác giữa bê tông và thép không giống như bê tông cốt thép thông thường (dùng cốt tròn) và do đó việc thiết kế kết cấu loại này cũng mang tính chất hoàn toàn khác[1]. Các dạng tiết diện dầm – cột liên hợp thép bê tông [3] Nhu cầu xây dựng nhà cao tầng và nhà 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. Khi sử dụng các giải pháp kết cấu bê tông cốt thép thông thường, công trình nhà cao tầng n 2 đòi hỏi kích thước các cấu kiện kết cấu có thể rất lớn, nặng nề, tốn kém, giảm không gian sử dụng và giảm tính thẩm mỹ.
Để khắc phục các nhược điểm kể trên, giải pháp kết cấu 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. Vật liệu thép có cường độ chịu kéo và nén cao, khả năng cho phép biến dạng dẻo lớn, độ tin cậy, độ an toàn chịu lực cao nhưng khả năng chịu lửa kém và giá thành lại cao. Trong khi đó vật liệu bê tông mặc dù chỉ có cường độ chịu nén tương đối nhưng lại có tính chịu lửa tốt, giá thành rẻ và được sử dụng phổ biến.
Như vậy, so với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu bê tông cốt thép thuần tuý thì việc sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép bê tông sẽ đảm bảo tăng khả năng chịu lực và nâng cao độ tin cậy của kết cấu, do bao gồm khả năng chịu lực của cả 2 thành phần kết cấu thép hình và bê tông cốt thép cùng kết hợp tham gia chịu lực. Bên cạnh đó, công trình sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp sẽ đáp ứng được công năng sử dụng cao, hiệu quả về kinh tế và đảm bảo tính thẩm mỹ. 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 [1,2]. Thông thường thiết kế dầm thép - BTCT liên hợp phải thỏa mãn điều kiện về độ bền cực hạn, độ võng và dao động ở mức độ bình thường.
Với yêu cầu tính toán thiết kế độ bền uốn, quan điểm xem chỉ có lõi thép hình bên trong chịu lực là kém chính xác khi bỏ qua tỷ lệ tham gia đáng kể của thành phần bê tông. Với yêu cầu tính toán thiết kế độ võng, xác định thông số mômen quán tính tương đương (Ieff) của tiết diện liên hợp là rất quan trọng cho phép cả hai thành phần thép hình và bê tông có đáp ứng đàn hồi như nhau. Dựa trên giả thiết về tương tác toàn phần, điều này có thể thực hiện được bằng chuyển đổi diện tích một thành phần (thép hình, hay thép thanh, hay bê tông) thành diện tích tương đương bằng cách chia cho tỷ số môđun e E0 / Ee , với Eo là môđun đàn hồi cơ sở và Ee là môđun đàn hồi của thành phần đó [4]. Việc tính toán thông số Ieff cần phải xem xét trạng thái nứt và chưa nứt của bê tông, tuy nhiên vấn đề này lại phụ thuộc vào sự tiếp xúc giữa bê n 3 tông và thép, mà trong đó sự trượt giữa phần thép hình và bê tông là yếu tố không thể bỏ qua.
Ngày nay, để thu hút được sự quan tâm của khách hàng, các kết cấu mới được thiết kế phải vừa đảm bảo độ bền, độ ổn định vừa phải đảm bảo tính thẩm mỹ. Do đó, người chúng ta cần phải thực hiện nhiều nghiên cứu để có một sự hiểu biết đúng về các ứng xử cơ học của những kết cấu mới đó. Tình hình nghiên cứu của đề tài 1. Nghiên cứu ngoài nước Kết cấu liên hợp thép bê tông đã phát triển từ rất sớm tại các nước phát triển, và với nhiều ưu điểm của nó trong ngành xây dựng đã thu hút được nhiều nghiên cứu từ các nhà khoa học.
Một số công bố của các nhà nghiên cứu về ứng xử của dầm liên hợp thép bê tông trong thời gian gần đây: - Mazen AL-Bdoor (2013) [13] thực hiện luận văn thạc sỹ về đề tài ứng xử cột bê tông cốt cứng dưới tác động của tải trọng ngang tuần hoàn. Trong nghiên cứu này tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích bất ổn định, kết quả mô phỏng được so sánh với thực nghiệm và kết quả tính theo tiêu chuẩn EC4. Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) được dùng để phân tích nứt cho mô hình, kết quả được kiểm chứng bằng thực nghiệm. - Eva Maria Regy, Basil Sabu (2017) đã nghiên cứu ứng xử của dầm bê tông cốt cứng dưới tác động của lửa dựa trên phương pháp PTHH.
Nghiên cứu trong nước - Huỳnh Phúc Linh và Hồ Hữu Chỉnh (2011) [2] đã thực hiện nghiên cứu lý thuyết tính toán và khảo sát thực nghiệm về ứng xử và độ bền của dầm n 4 bê tông cốt cứng với cốt cứng là thép hình chữ I. Trong nghiên cứu này, PP PTHH cũng được sử dụng để mô phỏng ứng xử uốn của dầm. - Hàn Ngọc Đức và Vũ Anh Tuấn (2011) [4] đã nghiên cứu xây dựng quá trình tự động hóa thiết kế tối ưu dầm liên hợp thép bê tông sử dụng tiết diện chữ I tổ hợp theo tiêu chuẩn thiết kế Eurocode 4. Phương pháp tối ưu được sử dụng trong nghiên cứu này là phương pháp thiết kế tối ưu sử dụng DE-A.
Tính cấp thiết của đề tài Trong những thập niên gần đây, sự phát triển của ngành công nghiệp xây dựng đặc biệt trong xây dựng cao ốc, yêu cầu về mặt kiến trúc, kỹ thuật, kinh tế rất cao. Nên việc lựa chọn giải pháp kiến trúc, kết cấu là một vấn đề lớn đặt ra cho ngành thiết kế xây dựng. Giải pháp sử dụng kết cấu bê tông cốt thép cổ điển không đáp ứng được yêu cầu, việc sử dụng kết cấu bê tông cốt thép thông thường sẽ làm kích thước của tiết diện quá to, hàm lượng thép cũng rất lớn. Cùng với sự phát triển của thép và bê tông cường độ cao thì việc sử dụng kết cấu liên hợp thép-bê tông đã đáp ứng được các yêu cầu đặt ra trong xây dựng.
Ngày nay, chúng được sử dụng rộng rãi trong kết cấu hiện đại và đã thể hiện được những ưu điểm trong quá trình sử dụng. Đặc biệt với các nhà có chiều cao lớn (khoảng > 40 tầng), biên độ giao động ở đỉnh nhà sẽ lớn, đòi hỏi khả năng biến dạng đàn hồi của kết cấu tăng theo, kết cấu thép dễ đáp ứng yêu cầu này. Do đó, kết cấu dầm liên hợp thép – bê tông thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu, đặc biệt là dầm bê tông cốt cứng. Tuy nhiên, tại Việt Nam, những công bố về phân tích ứng xử của dầm bê tông cốt cứngcòn ít, và đa phần tập trung vào phương pháp nghiên cứu theo các tiêu chuẩn tính của nước ngoài.
Vì vậy, trong luận văn này, tác giả chọn đề tài “Phân tích ứng xử dầm bê tông cốt cứng bằng phương pháp phần tử hữu hạn” dưới sự hướng dẫn của PGS. Trương Tích Thiện. Mục tiêu nghiên cứu Luận văn này được thực hiện nhằm đáp ứng 3 mục tiêu sau: n 5 - Mục tiêu 1: Dầm bê tông cốt cứng là một loại kết cấu đặc biệt thuộc dạng dầm liên hợp thép – bê tông. Điểm đặc biệt của loại dầm này là thép hình được đặt hoàn toàn trong bê tông thay vì liên kết ngoài như các loại dầm liên hợp khác.
Do đó, lý thuyết tính toán ứng xử của loại dầm này cũng có những điểm khác biệt so với dầm liên hợp thông thường. Thông qua quá trình thực hiện luận văn, học viên tìm hiều các lý thuyết tính toán cho dầm bê tông cốt cứng. Ngoài ra, học viên cũng tìm hiểu và nghiên cứu về các mô hình ứng xử của vật liệu bê tông, thép, đặc biệt là các thông số cơ học của các loại vật liệu này khi mô hình trong ANSYS. - Phương pháp phần tử hữu hạn (PP PTHH) là phương pháp phổ biến được áp dụng thành công cho nhiều dạng bài toán trong đó có các bài toán phân tích kết cấu bê tông cốt thép (BTCT).
Do đó, mục tiêu thứ 2 của luận văn là tìm hiểu PP PTHH cho kết cấu BTCT nói chung và dầm bê tông cốt cứng nói riêng, cụ thể, luận văn cần tìm hiểu các loại phần tử dùng để mô hình cho bê tông, thép dọc và thép hình; cũng như qui trình phân tích bài toán kết cấu BTCT bằng PP PTHH. - ANSYS – chương trình tính toán số mạnh mẽ được xây dựng trên nền tản PP PTHH– được chọn để thực hiện các bài toán trong luận văn. Do đó, mục tiêu thứ 3 của luận văn là tập trung nghiên cứu cách sử dụng chương trình ANSYS để phân tích ứng xử của dầm bê tông cốt cứng.Tính toán kiểm tra bền kết cấu cũng như phân tích ứng xử rạn nứt kết cấu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Dầm bê tông cốt cứng Phạm vi nghiên cứu: - Phân tính ứng xử của dầm bê tông cốt cứng dưới tác động của tải trọng tĩnh.
- Vật liệu được sử dụng để tính toán trong luận văn có các thông số sát với các loại vật liệu ngoài thực tế. n 6 - Với một mô hình dầm, luận văn tập trung phân tích ứng xử của dầm với cốt cứng là thép hình I. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về ưu nhược điểm của các loại dầm liên hợp. Khái quát hóa tình hình nghiên cứu trong nước.
Dựa trên cơ sở này để lựa chọn mô hình nghiên cứu của luận văn.