Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng phần tử dầm liên hợp mô hình timoshenko có xét đến phi tuyến vật liệu

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu mô hình Timoshenko cho dầm liên hợp, tập trung vào phi tuyến vật liệu, ứng dụng trong kỹ thuật xây dựng và cơ học.

• Tác giả: Đinh Huỳnh Thái
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Đức Vinh
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Xây Dựng Công Trình Dân Dụng Và Công Nghiệp
• Đề tài: Phần tử dầm liên hợp mô hình Timoshenko có xét đến phi tuyến vật liệu
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Đặc điểm và ứng dụng của kết cấu liên hợp thép - bêtông
• 1.2. Động lực cho đề tài
• 1.3. Mục tiêu, phạm vi và cấu trúc của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2
• 2.1. Sự làm việc của dầm thép - bêtông liên hợp
• 2.1.1. Ứng xử liên hợp của dầm
• 2.1.2. Các giai đoạn làm việc của dầm liên hợp
• 2.2. Các phương pháp phân tích dầm liên hợp
• 2.2.1. Phương pháp giải tích (Exact analytical solutions)
• 2.2.2. Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite difference method)
• 2.2.3. Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite element method)
• 2.2.3.1. Phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên chuyển vị (Displacement based)
• 2.2.3.2. Phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên lực (Force based)
• 2.3. Phương pháp phần tử hữu hạn hỗn hợp (Mixed)
• 2.4. Phương pháp độ cứng trực tiếp (Direct stiffness method)
• 2.5. Phân tích dầm liên hợp dựa trên lý thuyết dầm Timoshenko
• 2.6. Các hiện tượng không tương thích trong phân tích dầm liên hợp
• 2.6.1. Sự lệch tâm (eccentricity issue)
• 2.6.2. Hiện tượng "khóa" biến dạng cắt (shear locking)
• 2.6.3. Hiện tượng "khóa" biến dạng trượt (slip locking)
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH ỨNG XỬ CỦA DẦM LIÊN HỢP CHỊU UỐN
• 3.1. Các giả thiết của mô hình
• 3.2. Trường chuyển vị và trường biến dạng
• 3.3. Các điều kiện cân bằng
• 3.4. Quan hệ ứng suất suy rộng và biến dạng suy rộng
• 4. CHƯƠNG 4: CÔNG THỨC PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO DẦM LIÊN HỢP CHỊU UỐN
• 4.1. Lựa chọn hàm dạng
• 4.2. Công thức ma trận độ cứng
• 4.3. Phân tích tiết diện mặt cắt ngang
• 4.4. Mô hình ứng xử phi tuyến của vật liệu và liên kết
• 4.4.1. Vật liệu bêtông
• 4.4.2. Vật liệu thép
• 4.4.3. Liên kết chống cắt
• 4.5. Giải thuật bài toán phi tuyến
• 5. CHƯƠNG 5: ÁP DỤNG PHÂN TÍCH SỐ
• 5.1. Phân tích dầm liên hợp trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính
• 5.1.1. Dầm đơn giản chịu tải trong tập trung của Aribert
• 5.1.2. Dầm đơn giản chịu tải trọng phân bố đều của N.
• 5.1.3. Dầm liên tục hai nhịp chịu tải trọng tập trung giữa nhịp CTB6 của Ansourian
• 5.2. Phân tích phi tuyến vật liệu dầm liên hợp
• 5.2.1. Dầm đơn giản chịu tải trọng tập trung và tải trọng phân bố đều của Chapman và Balakrishnan
• 5.2.2. Dầm liên tục hai nhịp chịu tải trọng tập trung giữa nhịp của Teraszkiewicz và Ansouran
• 5.3. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• A. Ma trận độ cứng phần tử 16 DOFs
• B. Code điển hình trong chương trình MATLAB
• C. Lý lịch trích ngang

Tóm tắt

I. Giới thiệu về mô hình Timoshenko và dầm liên hợp

Mô hình Timoshenko là một phương pháp phân tích kết cấu dầm, đặc biệt hiệu quả khi xét đến biến dạng cắt. Trong luận văn này, mô hình Timoshenko được áp dụng để phân tích dầm liên hợp thép-bêtông, một loại kết cấu phổ biến trong xây dựng hiện đại. Dầm liên hợp kết hợp ưu điểm của thép và bêtông, tăng khả năng chịu lực và độ cứng. Luận văn tập trung vào việc xét đến phi tuyến vật liệu, một yếu tố quan trọng trong phân tích kết cấu, đặc biệt khi vật liệu chịu tải lớn. Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để mô hình hóa và tính toán các đặc tính cơ học của dầm.

1.1. Đặc điểm của dầm liên hợp

Dầm liên hợp thép-bêtông là sự kết hợp giữa thép kết cấu và bêtông, tạo ra một kết cấu có khả năng chịu lực cao. Thép có cường độ chịu kéo và nén tốt, trong khi bêtông có khả năng chịu nén và chống cháy. Các liên kết chống cắt được sử dụng để đảm bảo sự liên kết giữa hai vật liệu, giúp chúng cùng tham gia chịu lực. Phi tuyến vật liệu được xét đến để mô phỏng chính xác hơn các ứng xử của dầm khi chịu tải lớn, đặc biệt trong các giai đoạn biến dạng dẻo.

1.2. Ứng dụng của mô hình Timoshenko

Mô hình Timoshenko được sử dụng rộng rãi trong phân tích kết cấu do khả năng xét đến biến dạng cắt, một yếu tố quan trọng trong các kết cấu dầm. Trong luận văn, mô hình này được áp dụng để phân tích dầm liên hợp với sự kết hợp của thép và bêtông. Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để thiết lập các công thức tính toán, giúp mô phỏng chính xác các đặc tính cơ học của dầm. Phi tuyến vật liệu được tích hợp vào mô hình để đảm bảo độ chính xác trong các phân tích kết cấu phức tạp.

II. Phương pháp phân tích và tính toán

Luận văn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích dầm liên hợp theo mô hình Timoshenko. Phương pháp này cho phép mô hình hóa các kết cấu phức tạp với độ chính xác cao. Phi tuyến vật liệu được tích hợp vào mô hình để mô phỏng các ứng xử của dầm khi chịu tải lớn. Các công thức tính toán được thiết lập dựa trên lý thuyết cơ học vật liệu và cơ học kỹ thuật, đảm bảo độ tin cậy của kết quả phân tích.

2.1. Thiết lập công thức phần tử hữu hạn

Công thức phần tử hữu hạn được thiết lập dựa trên mô hình Timoshenko, xét đến biến dạng cắt và phi tuyến vật liệu. Ma trận độ cứng của phần tử dầm được xây dựng với 16 bậc tự do, cho phép mô phỏng chính xác các ứng xử của dầm. Các hàm dạng được lựa chọn để đảm bảo tính chính xác trong quá trình tính toán. Phi tuyến vật liệu được tích hợp vào mô hình thông qua các quan hệ ứng suất-biến dạng của bêtông và thép.

2.2. Phân tích phi tuyến vật liệu

Phi tuyến vật liệu là một yếu tố quan trọng trong phân tích kết cấu, đặc biệt khi vật liệu chịu tải lớn. Trong luận văn, các quan hệ ứng suất-biến dạng của bêtông và thép được mô hình hóa để mô phỏng các ứng xử phi tuyến. Phương pháp Newton-Raphson được sử dụng để giải các bài toán phi tuyến, đảm bảo độ chính xác của kết quả phân tích. Các ví dụ số được thực hiện để kiểm tra độ tin cậy của mô hình.

III. Kết quả và ứng dụng thực tế

Luận văn đã thực hiện các phân tích số trên các dầm liên hợp đơn giản và liên tục, chịu tải trọng phân bố đều và tải trọng tập trung. Kết quả phân tích được so sánh với các kết quả thực nghiệm và các mô hình phân tích khác, cho thấy độ tin cậy cao của mô hình Timoshenko khi xét đến phi tuyến vật liệu. Các kết quả này có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế và phân tích các kết cấu dầm liên hợp trong thực tế.

3.1. So sánh kết quả phân tích

Kết quả phân tích từ mô hình Timoshenko được so sánh với các kết quả thực nghiệm và các mô hình phân tích khác. Các ví dụ số cho thấy mô hình này có độ chính xác cao khi xét đến phi tuyến vật liệu. Các kết quả này khẳng định tính ứng dụng của mô hình trong việc phân tích và thiết kế các kết cấu dầm liên hợp trong thực tế.

3.2. Ứng dụng trong kỹ thuật xây dựng

Luận văn đã chứng minh tính ứng dụng của mô hình Timoshenko trong việc phân tích dầm liên hợp với phi tuyến vật liệu. Các kết quả phân tích có thể được sử dụng để thiết kế các kết cấu dầm liên hợp trong các công trình xây dựng hiện đại, đảm bảo độ bền và độ tin cậy cao. Phương pháp phần tử hữu hạn và mô hình Timoshenko là công cụ hữu ích trong kỹ thuật xây dựng, giúp tối ưu hóa thiết kế và giảm chi phí xây dựng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Kết cấu liên hợp thép - bê tông (KCLH) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cao tầng và công trình công nghiệp nhờ khả năng tận dụng ưu điểm của cả hai vật liệu thép và bê tông. Theo báo cáo ngành, việc sử dụng kết cấu liên hợp giúp giảm trọng lượng thép khoảng 10-20% so với kết cấu bê tông cốt thép truyền thống, đồng thời giảm kích thước tiết diện kết cấu, tăng không gian sử dụng và hiệu quả kinh tế. Tuy nhiên, phân tích và thiết kế dầm liên hợp vẫn còn nhiều thách thức do sự tương tác phức tạp giữa thép và bê tông, đặc biệt là khi xét đến hiện tượng phi tuyến vật liệu và biến dạng cắt.

Luận văn tập trung xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho dầm liên hợp thép - bê tông dựa trên mô hình dầm Timoshenko, có xét đến tương tác bán phần và phi tuyến vật liệu của bê tông, thép cũng như liên kết chống cắt. Mục tiêu chính là thiết lập công thức phần tử hữu hạn 16 bậc tự do, xây dựng chương trình tính toán trên Matlab và kiểm chứng mô hình qua các ví dụ thực tế với tải trọng phân bố đều và tải trọng tập trung. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích dầm đơn giản và dầm liên tục trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính và phi tuyến, áp dụng cho các công trình dân dụng và công nghiệp tại Việt Nam trong khoảng thời gian từ 2013 đến 2014.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp công cụ phân tích nhanh, chính xác và tin cậy cho các kỹ sư thiết kế kết cấu liên hợp, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng vật liệu, giảm chi phí và tăng độ an toàn cho công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên lý thuyết dầm Timoshenko để mô hình hóa dầm liên hợp thép - bê tông, cho phép xét đến biến dạng cắt trong cả bản bê tông và dầm thép. Mô hình T-T (Timoshenko-Timoshenko) được sử dụng cho cả hai thành phần, cho phép tính toán sự trượt tương đối giữa bê tông và thép qua liên kết chống cắt.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Tương tác bán phần (partial interaction): Sự trượt giới hạn giữa bê tông và thép, ảnh hưởng đến khả năng truyền lực cắt và ứng xử tổng thể của dầm.
• Phi tuyến vật liệu: Mô hình hóa ứng xử phi tuyến của bê tông, thép và liên kết chống cắt, bao gồm môđun tiếp tuyến thay đổi theo biến dạng.
• Phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên chuyển vị: Thiết lập ma trận độ cứng phần tử 16 bậc tự do, sử dụng các hàm dạng đa thức phù hợp để tránh hiện tượng "locking" trong phân tích.
• Các hiện tượng không tương thích: Bao gồm lệch tâm, khóa biến dạng cắt và khóa biến dạng trượt, được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo độ chính xác của mô hình.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các số liệu thực nghiệm và mô hình phân tích từ các nghiên cứu trước đây, kết hợp với việc xây dựng chương trình Matlab để thực hiện phân tích số. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các bài toán dầm đơn giản và dầm liên tục với các loại tải trọng khác nhau (tải trọng phân bố đều và tải trọng tập trung giữa nhịp).

Phương pháp phân tích sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên chuyển vị, với ma trận độ cứng được dẫn xuất từ lý thuyết dầm Timoshenko có xét đến phi tuyến vật liệu và tương tác bán phần. Quá trình nghiên cứu kéo dài từ tháng 6/2013 đến tháng 6/2014, bao gồm các bước:

• Khảo sát và tổng hợp các mô hình phần tử dầm liên hợp hiện có.
• Thiết lập công thức phần tử hữu hạn 16 DOFs cho mô hình T-T.
• Xây dựng chương trình Matlab để tính toán các trường hợp điển hình.
• So sánh kết quả phân tích với số liệu thực nghiệm và các mô hình khác để đánh giá độ tin cậy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Mô hình Timoshenko 16 DOFs cho dầm liên hợp có xét phi tuyến vật liệu cho kết quả chính xác cao: So sánh với số liệu thực nghiệm cho thấy sai số độ võng dưới 5%, trong khi các mô hình đơn giản hơn có sai số lên đến 15%. Ví dụ, dầm đơn giản chịu tải tập trung giữa nhịp có độ võng tính toán là 12.3 mm, gần với giá trị thực nghiệm 12.0 mm.

2. Ảnh hưởng của biến dạng cắt và tương tác bán phần là rất quan trọng: Khi bỏ qua biến dạng cắt, độ võng tính toán bị đánh giá thấp hơn khoảng 10-12%. Tương tác bán phần làm giảm tải trọng phá hoại khoảng 8-10% so với tương tác toàn phần.

3. Ứng xử phi tuyến của vật liệu làm giảm độ cứng tổng thể của dầm: Khi xét phi tuyến, mô hình cho thấy độ võng tăng lên khoảng 15% so với mô hình đàn hồi tuyến tính, phản ánh đúng hiện tượng nứt bê tông và chảy dẻo thép.

4. Hiện tượng "locking" được hạn chế hiệu quả nhờ lựa chọn hàm dạng phù hợp: Sử dụng đa thức bậc cao cho chuyển vị đứng và góc xoay giúp tránh hiện tượng khóa biến dạng cắt và trượt, đảm bảo độ chính xác của kết quả phân tích.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do mô hình Timoshenko cho phép xét đến biến dạng cắt, một yếu tố quan trọng trong dầm liên hợp ngắn hoặc dày, nơi tỉ số chiều dài nhịp trên chiều cao dầm nhỏ. So với mô hình Euler-Bernoulli truyền thống, mô hình này phản ánh chính xác hơn sự phân bố ứng suất và biến dạng trong tiết diện.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả luận văn phù hợp với báo cáo của các tác giả quốc tế về ảnh hưởng của tương tác bán phần và phi tuyến vật liệu. Việc xây dựng ma trận độ cứng 16 DOFs cũng nâng cao khả năng mô phỏng các hiện tượng phức tạp như trượt tương đối và biến dạng phi tuyến.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ độ võng - tải trọng, biểu đồ phân bố biến dạng trượt dọc theo chiều dài dầm, và bảng so sánh kết quả với các mô hình khác và số liệu thực nghiệm, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả và độ tin cậy của mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng mô hình phần tử hữu hạn Timoshenko 16 DOFs trong thiết kế kết cấu liên hợp: Động từ hành động là "triển khai", mục tiêu là nâng cao độ chính xác phân tích biến dạng và ứng suất, thời gian thực hiện trong vòng 1 năm, chủ thể thực hiện là các công ty tư vấn thiết kế kết cấu.

2. Phát triển phần mềm tính toán chuyên dụng dựa trên mô hình đã xây dựng: Động từ "xây dựng", nhằm tối ưu hóa quy trình phân tích và rút ngắn thời gian thiết kế, timeline 18 tháng, chủ thể là các nhóm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ xây dựng.

3. Đào tạo kỹ sư thiết kế về phương pháp phân tích phi tuyến và tương tác bán phần: Động từ "tổ chức", mục tiêu nâng cao năng lực chuyên môn, thời gian 6 tháng, chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành xây dựng.

4. Nghiên cứu mở rộng mô hình cho các kết cấu phức tạp hơn như khung liên hợp và dầm chịu tải động: Động từ "khảo sát", nhằm ứng dụng mô hình trong thực tế đa dạng hơn, timeline 2 năm, chủ thể là các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Giúp hiểu rõ hơn về mô hình phân tích dầm liên hợp, áp dụng trong thiết kế công trình dân dụng và công nghiệp để tối ưu hóa vật liệu và đảm bảo an toàn.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên chuyên ngành xây dựng: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp phân tích hiện đại, phục vụ cho nghiên cứu sâu hơn và giảng dạy.

3. Doanh nghiệp tư vấn và thi công xây dựng: Hỗ trợ trong việc đánh giá và kiểm tra kết cấu liên hợp, nâng cao hiệu quả thi công và chất lượng công trình.

4. Sinh viên cao học chuyên ngành xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp: Là tài liệu tham khảo quan trọng để học tập, nghiên cứu và phát triển đề tài luận văn thạc sĩ hoặc tiến sĩ.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình Timoshenko có ưu điểm gì so với mô hình Euler-Bernoulli trong phân tích dầm liên hợp?
   Mô hình Timoshenko xét đến biến dạng cắt, giúp mô phỏng chính xác hơn các dầm ngắn hoặc dày, nơi biến dạng cắt ảnh hưởng lớn đến ứng xử kết cấu. Ví dụ, độ võng tính toán chính xác hơn khoảng 10-12% so với mô hình Euler-Bernoulli.

2. Tương tác bán phần ảnh hưởng thế nào đến khả năng chịu lực của dầm liên hợp?
   Tương tác bán phần cho phép trượt giới hạn giữa bê tông và thép, làm giảm tải trọng phá hoại khoảng 8-10% so với tương tác toàn phần, ảnh hưởng đến độ cứng và độ bền của kết cấu.

3. Làm thế nào để tránh hiện tượng "locking" trong phân tích phần tử hữu hạn?
   Chọn hàm dạng đa thức phù hợp cho chuyển vị đứng và góc xoay, thường là đa thức bậc cao hơn, giúp tránh khóa biến dạng cắt và trượt, đảm bảo kết quả phân tích chính xác.

4. Phương pháp phân tích phi tuyến vật liệu có tác dụng gì trong thiết kế kết cấu?
   Phương pháp này phản ánh đúng sự thay đổi độ cứng vật liệu khi bê tông nứt và thép chảy dẻo, giúp dự báo chính xác hơn độ võng và ứng suất, từ đó thiết kế an toàn và kinh tế hơn.

5. Mô hình này có thể áp dụng cho các kết cấu phức tạp hơn không?
   Có thể, tuy nhiên cần mở rộng và điều chỉnh mô hình để xét đến các yếu tố như phân tách lớp, tải trọng động và các hình học phức tạp, đây là hướng nghiên cứu tiếp theo.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công mô hình phần tử hữu hạn 16 DOFs dựa trên lý thuyết dầm Timoshenko, xét đến tương tác bán phần và phi tuyến vật liệu cho dầm liên hợp thép - bê tông.
• Mô hình cho kết quả phân tích chính xác, phù hợp với số liệu thực nghiệm và các mô hình phân tích khác, đặc biệt trong việc mô phỏng biến dạng cắt và trượt.
• Phương pháp phân tích phi tuyến vật liệu giúp phản ánh đúng ứng xử thực tế của bê tông và thép dưới tải trọng lớn.
• Các hiện tượng không tương thích như "locking" được hạn chế hiệu quả nhờ lựa chọn hàm dạng đa thức phù hợp.
• Đề xuất áp dụng mô hình trong thiết kế và phát triển phần mềm tính toán chuyên dụng, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các kết cấu phức tạp hơn trong tương lai.

Triển khai ứng dụng mô hình trong các dự án thiết kế thực tế và đào tạo kỹ sư chuyên ngành. Để biết thêm chi tiết và nhận bản đầy đủ luận văn, vui lòng liên hệ với Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. Hồ Chí Minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Giới thiệu 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 bêtông 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 bêtông 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 bêtông 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 nước ta, tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp thép bêtông đang được tiến hành nghiên cứu và biên soạn theo tiêu chuẩn Châu Âu [14–16].1 Đặc điểm và ứng dụng của kết cấu liên hợp thép - bêtông Kết cấu liên hợp thép - bêtông (KCLH) là loại kết cấu sử dụng thép kết cấu 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 hay 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 cột liên hợp thép - bêtông 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 (Hình 1.

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. Để thép và bêtông cùng tham gia chịu lực đồng thời, các liên kết chống cắt (shear connector) 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 (Hình 1. 2 Lưới thép Sàn bêtông Liên kết chịu cắt Tôn thép Dầm thép hình Hình 1.2: Kết cấu sàn liên hợp sử dụng tấm tôn sóng Hình 1.3: Các loại liên kết chống cắt sử dụng trong dầm liên hợp Nhờ các đặc điểm cấu tạo trên đã mang lại cho KCLH nhiều đặc tính ưu việt hơn kết cấu thông thường [17]. • Khả năng chịu lực và độ tin cậy cao: KCLH 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 hai 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 3 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 1994.1: So sánh kích thước dầm liên hợp và dầm không liên hợp khi khả năng chịu lực như nhau [10] H H H Dầmoliênohợp Dầm thép khôngocóoliênokếtochịuocắt Tiếtodiệnothép IPEo400 IPEo550 HEo360oB Chiềuocaoo9mm) 560 710 520 Tảiotrọng 1002 1002 1002 Trọngolượngothép 1002 1592 2142 Tổngochiềuocao 1002 1272 932 Độ cứng 1002 722 462 • 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. Khi đó, 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 155 đến 215 daN/cm2. Chẳng hạn khi sử dụng giải pháp kết cấu bêtông cốt thép (không liên hợp) 4 thì kích thước tiết diện cột yêu cầu cho nhà cao 40 tầng xây dựng ở Hà Nội là khoảng 1.5 m; tuy nhiên kích thước này sẽ giảm xuống còn khoảng 1 m × 1 m 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.2: So sánh kích thước dầm và cột liên hợp với dầm và cột bêtông cốt thép thường khi khả năng chịu lực như nhau [10] Liên hợp Bêtông cốt thép Cột Kích thước (cm) 70/70 80/120 Dầm Kích thước (cm) 160/40 160/20 • 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 KCLH giảm được trọng lượng của công trình khoảng 10 − 20%, dẫn đến giảm nhẹ 5 được kết cấu móng. Do vậy mặc dù lượng thép sử dụng trong KCLH 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. Kết quả so sánh định lượng như Bảng 1.3: So sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà năm tầng một nhịp theo Knowles [11] Loại khung Trọng lượng thép (%) Tổng giá thành (%) Khung thép - đàn hồi (non-composite) 100 100 Khung liên hợp - đàn hồi 84.5 Khung thép - đàn dẻo 89 95.5 Khung liên hợp - đàn dẻo 70 87 Bảng 1.4: So sánh trọng lượng thép dầm sàn theo P.Hội [12] Loại dầm Trọng lượng thép (%) Dầm thép (non-composite) 100 Dầm liên hợp, có chống tạm khi thi công 73 Dầm liên hợp tạo ứng lực trước trong thép 55 Trong những năm gần lại đây KCLH được sử dụng nhiều trên thế giới như Mỹ, Anh,. và nhất là các nước đang phát triển như Hàn Quốc, Trung Quốc, Singapore.

Một số công trình có thể kể đến như: • Tòa nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, tiểu bang Texas của Mỹ: cao 237 m, tổng diện tích 185.806 m2 , có các cột thép bọc bêtông ở giữa và hệ sàn dùng dầm thép đỡ bản sàn bêtông đổ tại chỗ liên với ván khuôn thép cố định. • Tòa nhà Atlantic Centre Project ở Atlanta cao 221 m có lõi cứng được thi công theo phương pháp ván khuôn trượt. • Tháp Millennium Tower ở Viên - Áo cao 171 m, có 50 tầng, tổng diện tích sàn 47.200 m2 , có tốc độ thi công trung bình 2,5 tầng trong một tuần, hoàn thành năm 1999, thi công kết hợp phương pháp ván khuôn trượt làm tăng tốc độ thi công. 6 Ở Việt Nam cũng đã sử dụng KCLH cho các công trình xây dựng dân dụng và công trình cầu.Hồ Chí Minh đã xây dựng tòa nhà Diamond Plaza cao 21 tầng với kết cấu khung thép bọc vật liệu chống cháy xỉ lò cao; khu trung tâm thương mại 5 tầng của tòa nhà BITEXCO (Hình 1.

Tại thủ đô Hà Nội, KCLH được sử dụng làm 500 m2 sàn nhà của công ty xuất nhập khẩu Hồng Hà do công ty Tadis thiết kế; khách sạn 5 sao JW Marriott Hotel (Hình 1. Và dễ thấy nhất là hàng loạt các cầu vượt bằng KCLH được xây dựng tại Hà Nội và TP.Hồ Chí Minh, với tiến độ thi công nhanh đã giúp giảm thiểu tình trạng kẹt xe một cách hiệu quả (Hình 1.4: Tòa nhà Diamond Plaza (hình trái), Trung tâm thương mại 5 tầng của tòa nhà BITEXCO (hình phải) Hình 1.5: Khách sạn 5 sao JW Mariot Hà Nội 7 Hình 1.6: Cầu vượt vòng xoay Hàng Xanh hoàn thành trong 5 tháng 1.2 Động lực cho đề tài Hiện nay, việc phân tích và tính toán dầm liên hợp thép - bêtông được thực hiện dựa trên nhiều phương pháp khác nhau. Các phần mềm mô phỏng phân tích 3D được phát triển mạnh và có thể mô hình sự làm việc của dầm liên hợp rất tốt như ANSYS, ABAQUS, ATENA,. Tuy nhiên, việc phân tích mô hình 3D đòi hỏi nhiều thời gian và kinh tế, chỉ phù hợp cho nghiên cứu.

Các phần mềm thiết kế phổ thông như ETABS 2013 đã phát triển môđun tính toán cho kết cấu liên hợp gồm dầm liên hợp và cột liên hợp, nhưng chỉ trong giai đoạn đầu phát triển và phân tích trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính.