CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG VÀ LIÊN KẾT NỬA CỨNG 1. Tổng quan về kết cấu liên hợp thép – bê tông 1. Định nghĩa Kết cấu khung thép liên hợp là loại kết cấu được cấu tạo từ thép kết cấu (Structural steel) kết hợp với bê tông (concrete) hoặc bê tông cốt thép (reinforced concrete) để chúng cùng làm việc chịu lực. Loại kết cấu này đã tích hợp được những ưu điểm nổi bật của hai loại vật liệu khác nhau là thép và bê tông để tạo thành một hệ kết cấu có khả năng chịu lực tốt hơn, tăng độ dai, độ ổn định cho kết cấu, tăng khả năng kháng chấn và khả năng chịu lửa so với việc chỉ sử dụng kết cấu thép hoặc bê tông đơn thuần.
Kết cấu liên hợp thép - bê tông 6 1. Lịch sử phát triển Kết cấu khung thép liên hợp thường được sử dụng cho các công trình cao tầng. Trên thế giới loại kết cấu này được biết từ rất sớm. Vào năm 1894, những công trình đầu tiên sử dụng loại kết cấu này là cầu Rock Rapids ở Bang Iowa và tòa nhà Methodist ở Pittsburgh đã đánh dấu một bước ngoặt mới về giải pháp kết cấu và công nghệ xây dựng.
Tuy nhiên ở giai đoạn này kết cấu liên hợp Thép – Bê tông vẫn chưa được nghiên cứu nhiều và các quy phạm thiết kế của các nước vẫn chưa có hoặc chưa rõ ràng. Ở Châu Âu việc dùng kết cấu khung thép liên hợp lúc đầu cũng xuất phát từ mục đích dùng bê tông bọc kết cấu thép để chống ăn mòn và chịu lửa. Theo tổng kết của giáo sư P. Knowles thì từ những năm 1900 ở Anh đã xuất hiện kết cấu liên hợp Thép – Bê tông, tuy nhiên lúc đầu người ta chưa biết tính toán, họ chỉ xem như phần thép chịu tải trọng, phần bê tông chỉ mang tính chất bảo vệ cho thép.
Mãi đến năm 1922 thì cấu kiện dầm liên hợp đầu tiên được tiến hành kiểm tra ở Canada và tiêu chuẩn thiết kế liên quan ra đời vào năm 1956. Ở Nga các nghiên cứu về kết cấu khung thép liên hợp cũng được tiến hành từ lâu. Năm 1936 dưới sự chỉ đạo của Viện sĩ G.Pêrêđêri người Nga đã xây dựng xong chiếc cầu nhịp 110m qua sông Neeva ở Xanh Pêtecbua. Lý thuyết tính toán bê tông cốt cứng cũng khá hoàn thiện và được đưa vào giáo trình của kết cấu bê tông cốt thép.
Tại Nhật Bản việc nghiên cứu kết cấu khung thép liên hợp cũng được quan tâm rất sớm. Theo báo cáo của giáo sư Minoru Wakabayashi Trường đại học tổng hợp Kyoto, tại hội nghị quốc tế về kết cấu liên hợp thép – bê tông tháng 6 năm 1987 tại Anh cho biết: Kết cấu liên hợp thép – bê tông xuất hiện ở Nhật Bản từ năm 1910, được ứng dụng rộng rãi làm nhà cao tầng (từ 6 tầng trở lên). Sau trận động đất lớn năm 1923 ở Can to người Nhật Bản phát hiện ra rằng kết cấu liên hợp thép – bêtông dùng rất hiệu quả trong việc chống động đất. Sau chiến tranh thế giới lần thứ 2 hàng loạt nhà cao tầng đã được 7 xây dựng bằng kết cấu loại này.
Năm 1958, ở Nhật Bản tiêu chuẩn thiết kế kết cấu hỗn hợp lần đầu tiên ra đời gọi là SRC standard (Steel Reinfoced Concrete). Tại Mỹ việc nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông từ thế kỷ 20 và đến năm 1944 kết cấu này đã được đưa vào tiêu chuẩn quốc gia AASHTO (the American Association of State Highway and Transportation). Tại Anh trên cơ sở tổng hợp các nghiên cứu trước đó, vào năm 1967 các nhà khoa học người Anh đã xuất bản tiêu chuẩn thiết kế kết cấu “ Composite CP117”. Tiêu chuẩn này là cơ sở nền tảng ban đầu cho việc xuất bản các tiêu chuẩn về kết cấu liên hợp sau này như BS5950, Eurocode (EU4).
Gần đây Ủy ban cộng đồng Châu Âu CEC (The Commission of the European Communities) thấy cần thiết phải có một bộ tiêu chuẩn thống nhất chung cho các quốc gia Châu Âu về kết cấu hỗn hợp Eurocode 4 (EU4) [16]. Bộ tiêu chuẩn về kết cấu liên hợp thép – bê tông (Eurocode 4 (EU4) đã được đưa vào sử dụng vào năm 1997. Trong đó ENV 1994-4-1 là tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp cho xây dựng dân dụng. Toàn bộ gồm 268 trang, trong đó đầy đủ các phần từ vật liệu đến thiết kế sàn, khung, liên kết… bằng kết cấu liên hợp thép – bê tông.
Đặc điểm cấu tạo của kết cấu liên hợp Do tính chất cấu tạo của “cốt thép” khác so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường, nó có thể ở dạng thép tấm, thép hình, thép ống, thép ở dạng khung, nó có thể nằm ngoài (ta hay gọi là kết cấu thép nhồi bê tông : Concrete filled Steel Structures) hay có thể nằm bên trong bê tông (kết cấu thép bọc bê tông : Concrete Encased Steel Structures) hay nằm ở 2 thớ khác nhau của tiết diện (Hình dưới) nên tính chất làm việc, sự tương tác giữa bê tông và thép không giống như bê tông cốt thép thông thường (dùng cốt thép tròn) và do đó việc thiết kế loại kết cấu này cũng hoàn toàn khác .3: Các tiết diện kết cấu hỗn hợp thép – bê tông - Kết cấu thép nhồi bê tông : a,b - Kết cấu thép bọc bê tông : h, i, k, l - Kết cấu thép vừa bọc bê tông vừa nhồi bê tông : c, d - Kết cấu liên hợp : e, m Các bộ phận chính trong kết cấu khung liên hợp : + Cột liên hợp. + Sàn liên hợp. + Dầm liên hợp. + Nút liên kết liên hợp ( liên kết dầm sàn, dầm cột ) 1.Cột liên hợp 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 bê tông một phần hoặc toàn bộ, hoặc thép ống được nhồi đầy bê tông hoặc bê tông cốt thép.4 : Cột tiết diện thép hở, bêtông bọc một phần hoặc hoàn toàn Hình 1.5 : Cột tiết diện thép kín, bêtông nhồi trong tiết diện 10 Hình 1.
Ảnh thực tế thi công cấu kiện liên hợp tại công trường 1. Sàn liên hợp Đối với cấu kiện kết cấu sàn liên hợp thì giải pháp sử dụng thường là bản sàn bê tông 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 bê tông, nằm giữa bản sàn bê tông 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 bê tông tươi trong quá trình thi công. Kết cấu sàn liên hợp 12 1.
Dầm liên hợp Dầm liên hợp có cấu tạo gồm dầm thép chữ I tổ hợp hàn hoặc cán nóng và một tấm đan BTCT (thường hoặc ứng suất trước). Tấm đan được liên kết với dầm thép bằng các liên kết để đảm bảo sự làm việc đồng thời giữa chúng. Mô hình thi công sàn-dầm liên hợp Một kiểu dầm liên hợp Hình 1. Kết cấu dầm liên hợp 1.
Ưu – nhược điểm của kết cấu liên hợp 13 1. Ưu điểm + Khả năng chống ăn mòn của thép được tăng cường. Điều này càng có ý nghĩa đối với công trình xây dựng ở vùng khí hậu có độ ẩm cao, công trình ven biển, các cấu kiện bị tiếp xúc với môi trường ăn mòn. + Khả năng chịu lửa tốt.
Đối với các cấu kiện được bọc bê tông, khả năng chịu lửa của thép được đảm bảo tốt hơn là thép bọc ngoài. + Tăng độ cứng của kết cấu. Điều này thấy rõ đối với các cột liên hợp thép - bê tông kể cả bọc ngoài hay nhồi trong đều làm giảm độ mảnh của cột thép làm tăng khả năng ổn định cục bộ cũng như tổng thể của thép. + Khả năng biến dạng lớn hơn kết cấu bê tông cốt thép, đó là ưu điểm lớn trong việc chịu tải trọng động đất.
Nhận định này đã được khảo sát kỹ ở Nhật Bản. + Có thể tạo kết cấu ứng lực trước trong khi thi công, tăng hiệu quả sử dụng vật liệu, nhất là vật liệu cường độ cao. + Có thể dễ dàng dùng phương pháp thi công hiện đại (phương pháp thi công ván khuôn trượt, thi công lắp ghép) làm tăng tốc độ thi công, sớm đưa công trình vào sử dụng. + Có thể đạt hiệu quả kinh tế cao.
So với kết cấu bê tông cốt thép thông thường thì lượng thép dùng trong kết cấu hỗn hợp lớn hơn, nhưng đôi khi chưa hẳn là đắt hơn. Nếu đánh giá hiệu quả kinh tế một cách toàn diện, có thể chi phí vật liệu cao nhưng bù lại bởi tốc độ thi công nhanh, sớm quay vòng vốn thì rất có thể công trình sẽ rẻ hơn. Để có thể so sánh định lượng, các nhà khoa học đã tập hợp một số bảng so sánh như sau: - Bảng 1 là bảng so sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho khung nhà 5 tầng 1 nhịp thiết kế ở 2 giai đoạn đàn hồi và dẻo cho 2 loại khung: Loại khung thép hoàn toàn và khung liên hợp thép - bê tông. So sánh khung thép và khung liên hợp thép - bê tông 5 tầng 1 nhịp Trọng lượng Tổng giá Loại khung thép thành % % 1.
Khung thép - đàn hồi 100 100 2. Khung liên hợp thép - bê tông - đàn hồi. Khung thép - đàn dẻo 89 95. Khung liên hợp thép - bê tông - đàn dẻo 70 87 - Bảng 2: là bảng so sánh trọng lượng thép và giá thành toàn bộ cho khung nhà 6 tầng 3 nhịp được thiết kế ở 2 giai đoạn đàn hồi và đàn dẻo cho 2 loại khung: thép và hỗn hợp thép – bê tông.
So sánh khung thép và khung liên hợp thép - bê tông 6 tầng 3 nhịp Trọng lượng Giá thành Loại khung thép chung % % 1. Khung thép - đàn hồi 100 100 2. Khung liên hợp thép - bê tông - đàn hồi. Khung thép - đàn dẻo 95 102 4.
Khung liên hợp thép - bê tông - đàn dẻo 66 90 - Bảng 3 là bảng so sánh đối với dầm liên tục ba nhịp, mỗi nhịp 32m, tổng chiều dài 96m, làm dầm cầu xây dựng ở Nhật Bản.