Đặt vấn đề Hiện nay, các tòa nhà cao tầng tại các đô thị lớn có nhu cầu tăng tối đa hiệu quả sử dụng mặt bằng với hệ số sử dụng đất cao, đa dạng về công năng, kết hợp nhiều loại hình dịch vụ. Các khu dưới của tòa nhà thường sử dụng làm bãi đậu xe, trung tâm thương mại, vườn treo hoặc các không gian mở, trong khi đó các tầng phía trên thường là các căn hộ và văn phòng với hệ kết cấu cột vách phân chia không gian sử dụng. Cấu trúc này đòi hỏi phải có một kết cấu chuyển bố trí giữa khu trên và khu dưới của tòa nhà cao tầng; là một kết cấu chịu uốn/cắt có khả năng vượt nhịp lớn, dùng để chịu tải trọng từ cột hay vách phía trên, sau đó phân phối lại, truyền xuống hệ kết cấu cột phía dưới. Trong nhà cao tầng hệ kết cấu chuyển có thể ở dưới dạng dầm chuyển, giàn, vòm hay dầm có thêm gối đỡ ở giữa.
Do yêu cầu kết cấu chuyển phải có khả năng vượt nhịp và chịu tải trọng lớn nên loại kết cấu này thường có độ cứng và kích thước hình học (chiều cao, bề rộng tiết diện) lớn hơn so với các kết cấu truyền thống [1]. Đối với kết cấu chuyển dưới dạng là vòm hay dầm có thêm gối đỡ ở giữa khi sử dụng sẽ gây chia cắt không gian ở bên trong công trình, không đáp ứng được yêu cầu về công năng sử dụng và tính thẩm mỹ, đặc biệt là yêu cầu cần có một không gian rộng để bố trí sảnh đón ở phía dưới kết cấu chuyển. Đối với kết cấu chuyển sử dụng dạng giàn thép có ưu điểm là khả năng vượt được nhịp lớn, nhưng để chịu được tải trọng lớn của hệ thống cột, sàn ở phía trên đòi hỏi phải có một hệ kết cấu giàn thép có kích thước rất lớn, dẫn đến việc thiết kế và thi công phức tạp, chi phí đầu tư cao. Vì vậy, trên thực tế người ta thường dùng kết cấu chuyển là dầm BTCT.
Ở các tòa nhà lớn, nếu sử dụng bê tông cốt thép thông thường thì để đảm khả năng chịu lực 1 và vượt nhịp, kích thước dầm chuyển thường khá lớn (chiều cao dầm có khi đạt đến 2,5m), gây ra các khó khăn về kiến trúc, thẩm mỹ và biện pháp thi công. Do đó, yêu cầu cần có giải pháp gia cường cho dầm chuyển bê tông cốt thép (như sử dụng bê tông cốt sợi thép, bê tông cốt thép dự ứng lực…) để tăng cường khả năng chịu lực và giảm chiều cao dầm chuyển. Tổng quan về dầm chuyển 1. Khái niệm về dầm chuyển Dầm chuyển BTCT là một loại dầm có độ cứng và tiết diện hình học tương đối lớn, có tác dụng thay đổi trạng thái làm việc của hệ kết cấu từ hệ dầm cột chịu lực sang hệ dầm vách chịu lực hoặc hệ dầm cột nhưng với số lượng cột phía trên dầm nhiều hơn số lượng cột phía dưới dầm [1].
Lý thuyết tính toán Cấu kiện dầm chịu uốn được nghiên cứu và tính toán với hai thông số đặc trưng: chiều cao tiết diện và nhịp dầm. Sự làm việc của dầm (dầm thông thường hay dầm cao) thường phụ thuộc vào tỷ lệ giữa chiều cao và nhịp của dầm hoặc tỷ số giữa nhịp chịu cắt của dầm (khoảng cách từ gối tựa đến điểm đặt lực tập trung) với chiều cao tiết diện dầm. Trong cấu kiện BTCT đối với cấp tải trọng thông thường, tiết diện hình học của dầm được lựa chọn sơ bộ thông qua tỷ lệ giữa chiều cao và nhịp của dầm thường khoảng từ 1 : 12 đến 1 : 8 đối với dầm chính và 1 : 20 đến 1 : 12 đối với dầm phụ [2]. Các dầm này được xem là dầm thông thường và việc tính toán loại cấu kiện này được tiến hành theo các lý thuyết quen thuộc của kết cấu BTCT, dựa trên cơ sở chấp nhận một số giả thiết của sức bền vật liệu.
Như đã đề cập, kết cấu dầm chuyển có các đặc điểm là chịu tác dụng của tải trọng lớn, dẫn đến chiều cao dầm là khá lớn, tỷ lệ giữa nhịp dầm và chiều cao tiết diện nhỏ hơn so với dầm thông thường. Với loại dầm này, sự phân bố ứng suất và biến dạng trên mặt cắt dầm có những thay đổi khác hơn so với kết cấu dầm chịu uốn thông thường. Do đó, việc tính toán dầm chuyển (transfer beam) được dựa trên lý thuyết của 2 tính toán của dầm cao (deep beam) và đã được chấp nhận, áp dụng trong tiêu chuẩn thiết kế của một số nước trên thế giới. Do đó, trong Luận văn này, việc tính toán thiết kế cấu kiện dầm chuyển BTCT chủ yếu áp dụng các phương pháp tính toán dầm cao BTCT.
Lịch sử phát triển lý thuyết tính toán dầm cao (Deep beam) Lý thuyết tổng quan về tính toán dầm cao BTCT đã được trình bày và tổng kết bởi Albritton (năm 1965) [3], Hiệp hội Xi măng và Bê tông (C&CA, năm 1969) [4], Hiệp hội Nghiên cứu và Thông tin Công nghệ Xây dựng (CIRIA, năm 1977) [5]. Sau đó đã được nghiên cứu bổ sung bởi Tang và Wong (năm 1987) [6], Chemrouk (năm 1988) [7]. Những nghiên cứu đầu tiên này chủ yếu xem xét các dầm cao làm việc trong giai đoạn đàn hồi. Ngày nay các nghiên cứu dựa trên mô hình đàn hồi dễ dàng được thực hiện bằng phương pháp sai phân hữu hạn và phần tử hữu hạn.
Tuy nhiên, một bất lợi quan trọng của nghiên cứu dựa trên mô hình đàn hồi là phải các giả thiết về vật liệu đồng chất, đẳng hướng và tuân theo định luật Hooke. Do đó, khó có hướng dẫn đầy đủ cho việc thiết kế trong thực tế khi vật liệu có thể hoạt động ở trạng thái phi đàn hồi hoặc tới hạn (phá hủy). Vì vậy, cần phải tiến hành các nghiên cứu có xét đến trạng thái phi đàn hồi(đặc biệt là các dạng hay cơ chế phá hoại) của dầm cao, trong đó cách nghiên cứu tốt nhất là nghiên cứu thực nghiệm. Trong những thập niên 1960, hệ thống có thể thí nghiệm đến tải trọng giới hạn được thử nghiệm bởi Paiva và Siess [8], Loenhardt và Walther [9].
Những thử nghiệm này đã đạt được bước tiến lớn trong việc nghiên cứu về dầm cao. Từ cuối những năm 1960, một chương trình dài hạn đã được khởi xướng và hiện vẫn tiếp tục được nghiên cứu bởi Giáo sư F.Kong, Giáo sư Khoa Kết cấu công trình dân dụng tại Đại học Newcastle-upon-Tyne [10], tiến hành thí nghiệm phá hoại trên hơn 490 dầm cao, trong đó bao gồm các mẫu dầm có trọng lượng lên đến 4,5 T (Hình 1. Thí nghiệm trên một dầm cao kích thước lớn [10] Nghiên cứu dầm cao sử dụng khái niệm dẻo đã được báo cáo bởi Nielsen [11], Braestrup và Nielsen [12]. Năm 1971, nghiên cứu của Kong và Evans [13] chỉ ra rằng cốt thép bố trí xiên trong sườn dầm đã đạt hiệu quả đối với dầm cao.
Năm 1973, Kong và Sharp [14] đã tìm ra cường độ và cách thức phá hoại của dầm cao có thêm lỗ mở, từ đó đã đề xuất công thức tính toán tải trọng giới hạn, sau đó đã được chỉnh sửa lại vào những năm 1977 và 1978. Cũng trong năm 1973, Robins và Kong [15] sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn dự đoán tải trọng giới hạn và sự hình thành các vết nứt trong dầm cao. Đến năm 1974, Kong và Singh [16] đã nghiên khả năng làm việc và sự phá hoại của dầm cao dưới tác dụng của tải trọng lặp. Năm 1982, Garcia là một trong những người đầu tiên thực hiện các thí nghiệm về sự mất ổn định trên một loạt các dầm cao bê tông có độ mảnh lớn [17], sau đó đã được Kong và cộng sự tiếp tục thí nghiệm vào năm 1986 [18].
Năm 1987, Mau và Hsu áp dụng các lý thuyết mô hình giàn để tính toán cho dầm cao [19]. Năm 1988, Kotsovos [20] đã cơ bản nghiên cứu toàn diện dầm cao ở trạng thái tới hạn (phá hủy) 4 với nguyên nhân cơ bản là sự phá hoại do cắt. Ứng dụng dầm chuyển BTCT trong xây dựng 1. Các loại dầm chuyển BTCT Trong xây dựng thông thường có 2 loại dầm chuyển dưới dạng BTCT: dầm thường và dầm ứng lực trước.
Dầm chuyển BTCT thường là dầm chuyển được chế tạo bằng BTCT truyền thống. Dầm chuyển ứng lực trước là dầm chuyển được chế tạo bằng BTCT kết hợp với cốt thép cường độ cao được kéo căng (có thể kết hợp với cốt thép thường) để tạo ứng suất trước trong bê tông. Một số công trình sử dụng kết cấu dầm chuyển 1. Trên thế giới.
Trên thế giới dầm chuyển BTCT đã được sử dụng nhiều để vượt các không gian lớn trong các tòa nhà cao tầng đa chức năng tại các thành phố lớn của Mỹ, Hong Kong, Malaysia, Singapore, Thái Lan v. Một số hình ảnh kết cấu dầm chuyển BTCT được thi công ở Mỹ, Malaysia, Thái Lan (Hình 1. Dầm chuyển của tòa nhà The Legacy tại Millennium Park - Mỹ. Công nhân thi công dầm chuyển - Tòa nhà Grand Hyatt - Malaysia.
Dầm chuyển của tòa nhà Ideo Morph - Thái Lan. Lắp đặt cốt thép dầm chuyển The Issara Ladprao - Thái Lan. Ở Việt Nam Có thể nói hệ dầm chuyển thuộc lớp đầu tiên tại Việt Nam được áp dụng trong tòa nhà Khách sạn Melia Hà Nội từ những năm 1997. Khi bố trí khu hội trường, nhà hàng ở tầng 1 và 2 của khu phức hợp khách sạn, đơn vị tư vấn thiết kế đã sử dụng hệ dầm chuyển để vượt nhịp lớn.
Tại thời điểm này các dạng kết cấu dầm chuyển còn ít được sử dụng ở nước ta. Năm 2003, tòa nhà 34 tầng tại Khu đô thị Trung Hoà- Nhân Chính- Hà Nội cũng sử dụng giải pháp kết cấu dầm chuyển. Với chiều cao công trình lên đến 136m, dầm chuyển được đặt ở tầng kỹ thuật với kích thước chiều rộng b = 1800 -2700 mm, chiều cao h = 2150mm, sàn dày 300 mm. Khối lượng bêtông hơn 3.500m3, dầm sàn bê tông liền khối đổ một lần không để mạch ngừng.
Công trình: Toà nhà Donphin Plaza (Mỹ Đình, Từ Liêm, Hà Nội) gồm 4 toà tháp cao 28 tầng, chia thành 2 khối, được nối với nhau bởi khối đế 3 tầng. Các đơn vị tư vấn là Công ty DP Architects (Singapore) và Công ty Tư vấn Đại học Xây dựng Hà Nội sử dụng dầm chuyển ứng lực trước có chiều cao 3m vượt nhịp lớn nhất là 7 28,4 m đặt ở sàn tầng 4 (cao độ + 32,125 m). Thi công dầm chuyển tòa nhà Donphin Plaza – Hà Nội [25] Ở các thành phố lớn như thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, nhiều công trình sử dụng hệ dầm - sàn chuyển, như dự án Kenton (thành phố Hồ Chí Minh) hay khách sạn Hilton (Đà Nẵng), v.