Chương 1 GIỚI THIỆU 5 thép – bê tông liên hợp sử dụng thép cán nóng. Tiêu biểu có thể kể đến bộ tiêu chuẩn Eurocode 4 [2]. Tuy nhiên, do có sự khác biệt lớn về độ mảnh của tiết diện giữa thép cán nóng và thép cán nguội, dẫn đến sự ứng xử khác nhau của hai loại thép này. Do đó các yếu tố: biến dạng xoắn, mất ổn định trong và ngoài mặt phẳng, mất ổn định cục bộ là một trong những hạn chế phải xem xét, tính toán khi ứng dụng thép cán nguội vào kết cấu dầm – sàn liên hợp.
Từ những ưu điểm của thép cán nguội được trình bày sơ bộ trong Mục 1. Không thể phủ nhận thép cán nguội hoàn toàn phù hợp với tốc độ phát triển của ngành công nghiệp xây dựng và điều kiện kinh tế, xã hội ở nước ta. Đặc biệt ở các khu đô thị vừa và nhỏ. Bên cạnh đó, việc còn thiếu hụt thông tin, hướng dẫn tính toán thiết kế, chỉ dẫn kĩ thuật cho việc ứng dụng thép cán nguội vào hệ kết cấu liên hợp.
Tựu chung các yếu tố kể trên lại, cũng chính là động lực nghiên cứu cho đề tài này.3 Mục tiêu và giới hạn của đề tài 1.1 Mục tiêu Trên cơ sở thừa kế những nghiên cứu đi trước và vận dụng phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam, trong nghiên cứu này sẽ tập trung trình bày các vấn đề sau: • Đánh giá khả năng chịu lực và ứng xử của tiết diện dầm thép - bê tông liên hợp sử dụng thép hình C cán nguội khi chịu uốn, trên cơ sở tính toán lý thuyết và kiểm chứng bằng thực nghiệm. • Đề xuất khả năng ứng dụng thực tiễn: kết hợp giữa nhu cầu thực tiễn về các loại hình nhà ở dân dụng kinh phí thấp, và sự hiểu biết về loại hình kết cấu này sau nghiên cứu. Từ đó bổ sung và phát triển thêm những chỉ 6 Chương 1 GIỚI THIỆU dẫn kĩ thuật, để có thể đánh giá tính khả thi khi ứng dụng vào thực tế của đề tài.2 Giới hạn Với những hạn chế về thời gian và kinh phí. Các tham số quan trọng được chọn để khảo sát khi xây dựng chương trình thực nghiệm bao gồm: đặc trưng tiết diện thép hình cán nguội, đặc trưng cơ lý của bê tông, mức độ liên kết của hệ liên kết kháng cắt.
Do đó, để phản ảnh một cách tổng thể và chính xác các yếu tố ảnh hưởng lên ứng xử của dầm liên hợp. Hay xa hơn nữa, là việc tối ưu hóa và xây dựng các chỉ dẫn kĩ thuật cho việc tính toán thiết kế; nhằm đảm bảo các điều kiện an toàn và điều kiện sử dụng của tiết diện dầm liên hợp trong một hệ kết cấu hoàn chỉnh. Cần có thêm nhiều nghiên cứu khác bổ sung, và phát triển cho đề tài này.4 Phương pháp nghiên cứu 1.1 Khảo sát lý thuyết Trước khi xây dựng mô hình thí nghiệm cho các nhóm mẫu; kích thước của tiết diện liên hợp được tính toán sơ bộ theo chỉ dẫn của Eurocode 4 [2]. Song song đó là việc đánh giá nhu cầu xây dựng thực tế, cũng như tham khảo các nghiên cứu trước đây.
Nhằm mục đích xây dựng mô hình thực nghiêm có kích thước phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm và nâng cao tính ứng dụng thực tiễn (các tiết diện thép cán nguội được tính toán và lựa chọn là phổ biến trên thị trường, kích thước mẫu thí nghiệm phù hợp với các module nhà ở dân dụng, thi công nhanh và đơn giản.) Chương 1 GIỚI THIỆU 7 1.2 Khảo sát thực nghiệm Tiết diện dầm liên hợp được nghiên cứu trong đề tài bao gồm 3 phần chính: bản bê tông cốt thép; dầm thép sử dụng hai thép C cán nguội, được liên kết bản lưng với nhau bằng đinh vít; hệ liên kết kháng cắt liên tục sử dụng thép C cán nguội, với bản cánh được cắt và bẻ ra nhằm tạo liên kết dạng perfobond với bê tông. Hệ liên kết kháng cắt được liên kết với bản cánh trên của dầm thép bằng đinh vít. Concrete slab Continuous CFS shear connector 60 80 20 CFS I-section beam 200 Hex washer head self-drilling screws #12-14-20mm 75 75 500 Hình 1.3 Tiết diện dầm liên hợp điển hình trong nghiên cứu (chiều dày tiết diện của thép cán nguội được thay đổi theo các nhóm mẫu) Có thể nhận thấy rằng, những ưu điểm của tiết diện liên hợp ở Hình 1.3 bao gồm: • Các loại thép hình cán nguội được chọn đều phổ biến và dễ dàng tìm mua trên thị trường. • Các tiết diện thép hình được liên kết với nhau hoàn toàn bằng đinh vít.
Do đó, thời gian, chi phí và yêu cầu về trình độ thi công được kéo giảm. 8 Chương 1 GIỚI THIỆU • Hệ liên kết kháng cắt liên tục được đề xuất không chỉ đóng vai trò đảm bảo ứng xử liên hợp. Mà còn tăng khả năng chịu lực cho bản bê tông, tăng độ ổn định cho cánh trên của dầm thép. • Giảm khoảng cách từ trục trung hòa của tiết diện đến mặt bản bê tông cốt thép, với mục đích hạn chế tối đa tiết diện dầm thép cán nguội chịu ứng suất nén khi làm việc.
Nhằm đưa ra được kết quả thực tế nhất về loại kết cấu đang nghiên cứu, trên cơ sở xây dựng đường cong quan hệ lực – chuyển vị (P − δ) dưới sự ảnh hưởng của các tham số chính được đề cập ở Mục 1. Chương trình thí nghiệm được xây dựng với: • 12 mẫu thí nghiệm push-out được tiến hành để đánh giá khả năng chịu lực và ứng xử của hệ liên kết kháng cắt liên tục. • 3 mẫu thí nghiệm dầm với mục đích kiểm chứng, nghiên cứu ứng xử và triển vọng ứng dụng thực tiễn.5 Ý nghĩa của đề tài 1.1 Ý nghĩa thực tiễn Khẳng định những ưu điểm của kết cấu liên hợp nói chung, và kết cấu liên hợp sử dụng thép hình cán nguội nói riêng. Cung cấp một giải pháp kết cấu mới cho các dự án nhà ở cấp vừa và thấp, chịu sự giới hạn về chi phí đầu tư và năng lực thi công, vốn đang là một xu thế ở các khu đô thị mới.
Chương 1 GIỚI THIỆU 9 1.2 Ý nghĩa khoa học Với những kết quả đạt được từ nghiên cứu, sẽ góp phần bổ sung thêm những luận điểm, kiến thức mới, đồng thời là nguồn dữ liệu bổ ích, phục vụ cho những hướng nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.6 Cấu trúc Luận văn Luận văn được trình bày gồm những phần chính sau: • Chương 1: Giới thiệu. • Chương 2: Tổng quan nghiên cứu. • Chương 3: Khảo sát thực nghiệm. • Chương 4: Kết luận và kiến nghị.
Chương 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Khác với kết cấu bêtông cốt thép thông thường, có cốt thép chịu lực là các thanh thép gân. Kết cấu liên hợp thép – bêtông cốt thép là kết cấu mà thép chịu lực có dạng thép tấm, thép hình, thép ống. Nó có thể nằm ngoài bê tông (được gọi là kết cấu thép nhồi bêtông), nằm bên trong bê tông (được gọi là kết cấu thép bọc bêtông), hoặc được liên kết với nhau để cùng làm việc. Lịch sử phát triển của kết cấu liên hợp gắn liền với lịch sử phát triển của kết cấu thép và kết cấu bêtông cốt thép.
Với những đặc trưng cấu tạo như vậy, khi làm việc kết cấu liên hợp thép – bêtông cốt thép cũng có những điểm khác biệt so với kết cấu bêtông cốt thép thông thường. Khi tiết diện dầm thép - bê tông liên hợp làm việc, bản bê tông cốt thép chịu nén và phần lớn tiết diện dầm thép chịu kéo đồng thời. Hệ liên kết kháng cắt đóng vai trò đảm bảo ứng xử liên hợp bao gồm: kháng lại chuyển vị trượt tương đối giữa dầm thép và bản bê tông, và kháng lại lực tách theo phương vuông góc bề mặt bản bê tông của hai loại kết cấu thành phần này.1 cho thấy ứng xử khác nhau trong hai hệ kết cấu khi có và không có liên kết kháng cắt. 11 12 Chương 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Concrete slab Slip CFS beam Non-composite section strain stress a) Concrete slab CFS continuous shear connector Composite section strain stress CFS beam b) Hình 2.1 Ảnh hưởng của hệ liên kết kháng cắt lên ứng xử liên hợp của dầm 2.1 Trình tự tính toán, thiết kế dầm thép - bê tông liên hợp theo Eurocode 4 [2] Trình tự tính toán, thiết kế kết cấu thép - bêtông cốt thép liên hợp nhìn chung cũng giống như các loại kết cấu khác, được thực hiện theo các bước chính sau: • Lựa chọn sơ bộ hình dạng và kích thước của các tiết diện cấu kiện kết cấu chính (bản sàn, dầm, cột, hệ giằng) và cấu tạo nút khung liên kết (khớp, nửa cứng, cứng).
• Tiến hành phân tích hệ kết cấu nhằm xác định nội lực và biến dạng của các cấu kiện dầm, cột và nút khung ứng với từng trường hợp tổ hợp tải trọng gây nguy hiểm cho kết cấu công trình. Khi phân tích hệ kết cấu thì bản sàn có thể được tính toán riêng rẽ, nhưng một phần bề rộng của tiết diện bản sàn cần được kể đến để cùng tham gia làm việc với dầm sàn. • Xác định khả năng chịu lực của các cấu kiện đã chọn. Kiểm tra theo các trạng thái giới hạn về cường độ (sức kháng moment, liên kết chịu cắt, lực cắt dọc), và trạng thái giới hạn sử dụng (kiểm soát độ võng, kiểm soát nứt bê tông).
Chương 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 13 2.2 Bề rộng hiệu dụng của bản sàn Khi dầm liên hợp làm việc, chỉ một phần của bản bê tông cốt thép tham gia làm việc cùng dầm thép. Đây chính là bề rộng hiệu dụng của bản sàn: bef f [2]. Bề rộng hiệu dụng được lấy bằng L/8 về mỗi bên, với L là chiều dài nhịp của dầm liên hợp. Và bề rộng hiệu dụng theo cách tính trên không được lớn hơn bề rộng thực tế của bản sàn.3 Phân tích dẻo ứng xử liên hợp Trong kết cấu liên hợp, khi ứng xử liên hợp giữa bản bê tông cốt thép và dầm thép được đảm bảo.
Tiết diện dầm liên hợp được phân tích dẻo. Lúc này khối ứng suất phân bố theo chiều cao tiết diện không còn ở dạng tam giác như khi phân tích đàn hồi, và sức kháng moment của tiết diện được tính toán với tổng của các thành phần tải trọng [2].1 Tiết diện chịu moment uốn dương Đây là trường hợp thường gặp nhất của cấu kiện dầm, và dầm sàn khi làm việc trong thực tế. Các thông số vật liệu: • Bê tông: 0.1) • Thép: fy /γa với γa = 1.2) 14 Chương 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU • Lực nén của bản bê tông: 0.85fck Rc = × bef f × hc (2.57 × fck × bef f × hc (2.