CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1. Giới thiệu chung về kết cấu liên hợp bê tông-thép. Kết cấu liên hợp thép bêtông là loại kết cấu sử dụng thép kết cấu (structural steel) kết hợp với bêtông hoặc bêtông cốt thép để chúng cùng tham gia chịu lực. Các giải pháp cấu tạo thường được sử dụng đối với loại cấu kiện kết cấu cột liên hợp là thép định hình, thép tổ hợp hàn dạng chữ H được bọc bêtông một phần hoặc toàn bộ, hoặc thép ống được nhồi đầy bêtông hoặc bêtông cốt thép (hình 1.1: Các dạng của kết cấu liên hợp [5].
Đối với cấu kiện kết cấu sàn liên hợp thì giải pháp sử dụng thường là bản sàn bêtông cốt thép được đặt lên trên dầm thép hình chữ I. Ngoài ra các tấm tôn thép sóng còn được đặt ở mặt dưới của bản sàn bêtông, nằm giữa bản sàn bêtông và dầm thép hình để đóng vai trò vừa là cốt thép chịu kéo trong quá trình sử dụng đồng thời là ván khuôn đỡ bêtông tươi trong quá trình thi công (hình1.2: Kết cấu sàn liên hợp sử dụng tấm tôn sóng [5]. 2 Để thép và bêtông cùng tham gia chịu lực đồng thời, các chốt neo có hình dạng hợp lý được hàn tại bề mặt thép kết cấu tiếp xúc với bêtông nhằm tăng khả năng liên kết toàn khối giữa thép hình và bêtông. Việc sử dụng kết cấu liên hợp mang lại rất nhiều lợi ích vì kết cấu liên hợp có rất nhiều tính năng ưu việt như: Khả năng chịu lực và độ tin cậy cao: Kết cấu liên hợp thép bêtông đã tận dụng được các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lý của cả hai loại vật liệu thép và bêtông.
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 bêtông 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 bêtông cốt thép thuần tuý thì việc sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép bêtông 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 bêtông cốt thép cùng kết hợp tham gia chịu lực. Hơn nữa, nếu so sánh với trường hợp chỉ sử dụng giải pháp kết cấu thép thuần tuý thì việc sử dụng kết cấu liên hợp thép bêtông ngoài việc làm tăng khả năng chịu lực còn tăng độ cứng ngang, tăng khả năng ổn định và nâng cao tính chịu lửa.
Giải pháp kết cấu liên hợp thép bêtông cũng đã được ứng dụng khá hiệu quả trong trường hợp kết cấu công trình nằm trong vùng có động đất, do chúng có mức độ ổn định và độ tin cậy cao khi chịu tải trọng động. Điều này đã được kiểm nghiệm qua thực tế tại nhiều trận động đất lớn, như trận động đất Kobe ở Nhật Bản năm 1995 hay trận động đất Northridge ở Mỹ năm 1994 [5]. Công năng sử dụng hiệu quả: Đối với các công trình nhà nhiều tầng, khi chiều cao nhà càng cao và nhịp khung càng lớn thì nội lực dọc trục trong cột và mômen trong dầm càng lớn; lực dọc trong cột có thể lên đến 3000 tấn đối với công trình nhà cao hơn 30 tầng. Như vậy, nếu chỉ sử dụng giải pháp kết cấu bêtông cốt thép thông thường thì kích thước tiết diện yêu cầu của cột là rất lớn, vì thực tế cấp độ bền của bêtông sử dụng phổ biến cho xây dựng nhà nhiều tầng ở Việt Nam hiện nay vào khoảng B25 đến B40, tương ứng với cường độ chịu nén tính toán khoảng 3 155 đến 215 daN/cm2.
Chẳng hạn khi sử dụng giải pháp kết cấu bêtông cốt thép (không liên hợp) thì kích thước tiết diện cột yêu cầu cho nhà cao 40 tầng xây dựng ở Hà Nội là khoảng 1,5m x 1,5m; tuy nhiên kích thước này sẽ giảm xuống còn khoảng 1m x 1m khi sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép bêtông. Như vậy, việc ứng dụng giải pháp kết cấu liên hợp sẽ tạo cho công trình gọn nhẹ và tăng không gian sử dụng. Mặc dù ở một số nước trên thế giới như Nhật Bản, Úc,… đã sản xuất được bêtông mác siêu cao với cường độ chịu nén có thể vượt trên 1000 daN/cm2. Tuy nhiên để sản xuất bêtông đạt được cường độ cao như vậy và đảm bảo được mức độ tin cậy thì quy trình sản xuất và kiểm tra chất lượng yêu cầu phải được thực hiện rất nghiêm ngặt về thời gian và công nghệ kỹ thuật [5].
Hiệu quả kinh tế: So với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu thép thuần tuý thì việc sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép bêtông sẽ có hiệu quả kinh tế cao, giảm được trọng lượng thép khoảng 10-15%. Nếu so với trường hợp sử dụng giải pháp kết cấu bêtông cốt thép thì giải pháp sử dụng kết cấu liên hợp giảm được trọng lượng của công trình khoảng 10-20%, dẫn đến giảm nhẹ được kết cấu móng. Do vậy mặc dù lượng thép sử dụng trong kết cấu liên hợp là nhiều hơn một chút nhưng tổng chi phí xây dựng công trình có thể vẫn giảm; đồng thời tăng nhanh được thời gian thi công để sớm đưa công trình vào sử dụng và quay vòng vốn [5]. Sau khi nhận thấy khả năng cũng như tính ưu việt của kết cấu liên hợp thép – bêtông cốt thép (Composite construction), vào những năm đầu của thập niên 1920 cho đến nay thế giới đã có những khảo sát và đưa vào ứng dụng cho loại kết cấu này trong hầu hết các lĩnh vực của xây dựng từ công trình dân dụng, công nghiệp cho đến các công trình giao thông thủy lợi.
Bên cạnh đó những nghiên cứu chuyên sâu về kết cấu liên hợp thép – bêtông cốt thép cũng được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm như: Leonhardt et al, Ushijima et al, Oguejiofor and Hasain, Medberry and Shahrooz,…Để thống nhất cũng như tạo điều kiện cho việc nghiên cứu, tính toán thiết kế kết cấu liên hợp thép – bêtông cốt thép, cho đến hôm nay Châu Âu đã biên soạn riêng một bộ tiêu chuẩn cho một phần của kết cấu liên hợp thép – bêtông cốt thép, đó là tiêu chuẩn Euro 4 Code 4. Từ đó rất nhiều công trình trên thế giới được hình thành dựa trên những nghiên cứu và bộ tiêu chuẩn này như: Hình 1.3: Citibank Duisburg (Duisburg – Germany) [2] Hình 1.4: Parking deck “DEZ” (Innsbruck- Austria) [2] 5 Hình 1.5: Karl-Heine footbridge in Leipzig-Germany [3] Hình 1.6: Millennium Tower Vienna (Austria) [2] 6 Không dừng lại ở đó, hiện nay các nhà khoa học trên thế giới đã và đang nỗ lực nghiên cứu kết cấu liên hợp thép – bêtông cốt thép để ngày càng hoàn thiện, mở rộng hơn, đồng thời khai thác triệt để hơn những ưu điểm của loại kết cấu này trong tương lai. Tại Việt Nam hiện nay nhu cầu xây dựng nhà cao tầng và nhà siêu cao tầng đang bùng nổ mạnh mẽ, 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 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 để tạo ra kết cấu 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 liên hợp sẽ đáp ứng được công năng sử dụng cao, hiệu quả về kinh tế và đảm bảo tính thẩm mỹ.
Ở Việt Nam, từ năm 2006 tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp thép- bêtông đang được tiến hành nghiên cứu và biên soạn theo tiêu chuẩn Châu Âu. Từ đó nhiều công trình bằng kết cấu liên hợp đã và đang được xây dựng ở nhiều nơi trong cả nước: Hình 1.7: Cầu vượt Ngã tư Hàng Xanh 7 Hình 1.8: Cầu vượt Ngã tư Thủ Đức Hình 1.9: Cầu vượt Ngã tư Láng Hạ 1. Động lực cho nghiên cứu. Khi dùng kết cấu liên hợp thép – bêtông cốt thép người ta nhận thấy rằng khi kết cấu liên hợp bêtông - thép chịu uốn thì bản sàn bêtông bên trên và dầm thép bên dưới có sự trượt lên nhau, lúc này sự làm việc của hai lớp vật liệu này là gần như độc lập.
Chính vì thế việc tạo các chi tiết neo để tăng lực dính kết giữa bêtông và thép là rất quan trọng và không thể thiếu được. Với mong muốn đáp ứng ngày càng cao những yêu cầu này, thì liên kết chống cắt trong kết cấu liên hợp thép – bêtông cốt thép liên tục được tìm hiểu và 8 nghiên cứu bởi các nhà khoa học trên thế giới. Phổ biến và xuyên suốt trong thời gian qua là liên kết kháng cắt sử dụng đinh tán, khi đó đinh tán được hàn vào dầm thép đóng vai trò là chốt chặn, chống trượt nhằm đảm bảo liên kết giữa dầm thép và bản sàn. Hình dưới đây thể hiện việc ứng dụng liên kết kháng cắt bằng đinh tán trong xây dựng: a) b) Hình 1.10: Công trình sử dụng liên kết kháng cắt bằng đinh tán [11] a) Nhà máy sản xuất ôtô ở Đức b) Văn phòng hãng Adope, California, Mỹ Hiện nay trong tiêu chuẩn Eurocode 4 [2] đã trình bày sơ bộ về phương pháp tính toán, trình tự tính toán, cũng như cách bố trí liên kết kháng cắt giữa sàn bêtông và dầm thép nhưng chỉ áp dụng cho loại liên kết truyền thống bằng đinh tán.
Khi sử dụng đinh tán làm liên kết kháng cắt sẽ gặp phải một số hạn chế mà trong điều kiện thi công ở nước ta vẫn còn vấp phải như: đinh tán được đưa vào sử dụng phải là loại thép có cường độ cao, được chế tạo đặt biệt, công tác hàn đinh tán vào dầm rất phức tạp, nếu sử dụng những máy hàn thông thường thì khi hàn sẽ làm cho tiết diện tại chân đinh tán bị thu hẹp từ đó làm giảm khả năng chịu lực của đinh tán, không còn chính xác so với thiết kế ban đầu.
