Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFT VÀ LIÊN KẾT VỚI SÀN PHẲNG BTCT 1. Cột ống thép nhồi bê tông Đặc điểm Cột CFT là cấu kiện kết cấu liên hợp gồm vỏ ống thép và bê tông lõi cùng làm việc chung (Hình 1. Cột CFT ngày càng được sử dụng rộng rãi do có nhiều ưu điểm hơn so với cột thép và cột BTCT truyền thống về mặt kết cấu, thi công và kiến trúc như sau [34]: − Hiệu quả về mặt kết cấu: + Sự tương tác giữa ống thép và lõi bê tông: Lõi bê tông giúp giảm nguy cơ xảy ra mất ổn định cục bộ và hạn chế sự suy giảm cường độ sau khi mất ổn định cục bộ của ống thép; Cường độ chịu nén của bê tông được tăng lên do hiệu ứng bó lõi bê tông của ống thép và sự suy giảm cường độ của lõi bê tông cũng không xảy ra đột ngột do có vỏ thép ngăn sự nứt tách của bê tông; Những điều trên làm tăng cường độ, độ dẻo dai và khả năng hấp thu năng lượng khi chịu động đất của cấu kiện; + Sự co ngót và từ biến của bê tông nhỏ hơn nhiều so với BTCT thông thường; + Khả năng chống va đập của bề mặt cột cao. − Hiệu quả về mặt thi công: Ống thép làm kiêm nhiệm vụ cốp pha và thường không cần cốt thép; Thông thường cột ống thép được thi công trước để tạo hệ kết cấu chắc chắn và ổn định thì bê tông mới được bơm nhồi vào nên có thể đẩy nhanh tốc độ thi công và giảm chi phí làm sạch công trường.
− Khả năng chống cháy: Tốt hơn cột thép do có lõi bê tông ngăn cản sự tăng nhiệt của vỏ thép khi chịu lửa. − Cột CFT tiết diện nhỏ gọn nên tiết kiệm không gian sử dụng và cấu kiện thanh mảnh nên có tính thẩm mỹ cao. 7 Lõi bê tông Vỏ thép a) Cột vuông, chữ nhật b) Cột tròn Hình 1.1: Cấu tạo điển hình của cột ống thép nhồi bê tông Phân loại Cấu tạo của cột CFT rất đa dạng. Dựa vào hình dạng và cấu tạo của mặt cắt ngang, cột CFT được phân loại như sau: Cột CFT đặc Cột CFT đặc là loại cột CFT điển hình có cấu tạo gồm ống thép tiết diện rỗng hình tròn, hình vuông, hình chữ nhật được nhồi bê tông đặc [17].
Trong một số trường hợp do yêu cầu về mặt kiến trúc và cần có sự chịu lực khác nhau theo hai phương, tiết diện ống thép có thể là hình đa giác, ô-van hay e-lip như Hình 1. Ống thép Ống thép Ống thép Bê tông Bê tông Bê tông Ống thép Ống thép Bê tông Ống thép Bê tông Bê tông Hình 1.2: Cấu tạo cột CFT đặc [17] Trong các trường hợp trên, cột tròn có tác động bó lõi bê tông tốt nhất trong 8 khi sự mất ổn định cục bộ dễ xảy ra đối với cột tiết diện vuông hoặc chữ nhật. Cột CFT mặt cắt rỗng Cột CFT mặt cắt rỗng có 2 lớp vỏ thép bọc mặt ngoài và mặt trong, kẹp ở giữa là lớp lõi bê tông (Hình 1. Dạng cột này có khả năng chịu lực, độ cứng kháng uốn, độ dẻo dai và khả năng chống cháy cao hơn so với cột CFT đặc, phù hợp với dạng cột có tiết diện ngang lớn.
Chiều dày vỏ và trọng lượng bản thân của cấu kiện loại này cũng nhỏ hơn so với cột CFT đặc. Thêm nữa, các loại vật liệu khác nhau có thể được sử dụng cho loại cột này để đảm bảo tính thẩm mỹ và khả năng chống ăn mòn, ví dụ ống thép ngoài có thể dùng thép không gỉ trong khi ống thép trong vẫn dùng thép thông thường [17]. Ống thép Bê tông Hình 1.3: Cấu tạo cột CFT mặt cắt rỗng [17] Cột CFT được bọc BTCT Cột CFT được bao bởi BTCT có cấu tạo gồm ống thép nhồi bê tông đặt bên trong cột BTCT truyền thống (Hình 1. Ống thép đặt chìm ở phía trong sẽ làm tăng sự bó lõi của bê tông bên trong và làm tăng khả năng chịu lực của cột.
Phần BTCT bọc bên ngoài tạo thành lớp chống cháy cho phần cột CFT bên trong làm cho khả năng chống cháy của loại cấu kiện này tốt hơn cột CFT thông thường. Loại cột này có thể liên kết dễ dàng với sàn phẳng BTCT hay sàn sườn BTCT hay dầm thép [17]. Bê tông Ống thép Bê tông Ống thép Bê tông Cốt thép Cốt thép Hình 1.4: Cấu tạo cột CFT được bọc BTCT [17] 9 Cột CFT có gia cường bằng cốt thép, cốt cứng và sườn tăng cứng Việc gia cường cốt thép và cốt cứng nằm bên trong ống thép (Hình 1.5) làm tăng khả năng chịu lực của cột mà không làm thay đổi dạng tiết diện của cột. Trường hợp cột có tiết diện lớn hoặc có vỏ thép thành mỏng làm bằng thép cường độ cao cần bố trí các sườn tăng cứng, có thể hàn bên trong ống theo phương dọc trục hoặc hàn vuông góc tiết diện ống, giúp giảm nguy cơ ổn định cục bộ của ống thép và làm tăng thêm độ dẻo dai của cột [17].
Ống thép Ống thép bên trong Cốt cứng Bê tông Cốt thép Sườn tăng cứng Ống thép Bê tông Hình 1.5: Cấu tạo cột CFT được gia cường bằng cốt thép, cốt cứng (thép hình) và sườn tăng cứng [17] Một số công trình sử dụng cột CFT Cột CFT có nhiều ưu điểm nên được sử dụng thay thế cho cột BTCT và cột thép truyền thống trong giải pháp kết cấu công trình ở các nước như Anh, Nhật Bản, Trung Quốc, Việt Nam… cho nhà dân dụng và công nghiệp, ga điện ngầm, tháp điện cao thế, cột điện, cầu… Sau đây sẽ trình bày một số công trình nhà tiêu biểu. Tòa nhà Fleet Place House (Anh) Tòa nhà phức hợp Fleet Place House ở nước Anh gồm 8 tầng (Hình 1.6) sử dụng cột ống thép tròn nhồi bê tông với đường kính ngoài của ống thép là 323. Độ dày của thành ống thép của tầng 1 là 30 mm, tầng 2 đến tầng 6 là 16 mm và các 10 tầng còn lại là 12. Bê tông được sử dụng có cấp độ bền từ B40 đến B60 [34].6: Tòa nhà Fleet Place House [34] Tòa nhà Queensberry House (Anh) Tòa nhà văn phòng thương mại Queensberry House ở nước Anh gồm 6 tầng (Hình 1.7) với bước cột 6 m và nhịp của công trình là 12 m.
Tòa nhà sử dụng cột ống thép tròn nhồi bê tông mặt cắt rỗng với ống thép ngoài có đường kính ngoài là 457 mm và chiều dày là 10 mm, ống thép trong có đường kính ngoài là 323.9 mm và chiều dày là 6.7: Tòa nhà Queensberry House [34] 11 Tòa nhà Strong Building (Nhật) Tòa nhà Strong Building gồm 8 tầng (Hình 1.8) sử dụng giải pháp kết cấu gồm cột tròn ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng BTCT được xây dựng ở thành phố Kobe của Nhật với diện tích sàn là 6593 m2.8: Tòa nhà Strong Building (Nguồn http://www.jp/takenaka_e/projects/retail/a43500142005. Sàn phẳng bê tông cốt thép Sàn phẳng BTCT được sử dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng vì có những ưu điểm vượt trội hơn so với hệ sàn dầm như sau [15]: − Phù hợp với công trình có hệ lưới cột phức tạp. − Thỏa mãn những yêu cầu về kiến trúc: Thuận lợi cho việc chiếu sáng, thông gió và thoát nhiệt; không cần sử dụng trần giả, việc ngăn chia các phòng trên mặt sàn linh hoạt, rất thích hợp với việc sử dụng vách ngăn nhẹ di động. − Giảm được chiều cao tầng nên giảm được chiều cao toàn bộ công trình.
− Giảm thiểu năng lượng cần làm mát hoặc sưởi ấm công trình. − Không có những góc cạnh lồi ra như sàn dầm nên có khả năng chống cháy cao hơn. − Thuận lợi cho thi công: Công tác ván khuôn đơn giản, tiết kiệm và dễ dàng trong việc bố trí cốt thép. − Giảm chi phí xây dựng và vận hành công trình và rút ngắn thời gian thi công 12 công trình.
Với các ưu điểm nêu trên, hệ sàn phẳng BTCT hiện nay rất được ưa chuộng và được sử dụng rộng rãi trong nhà nhiều tầng ở nhiều quốc gia như các tòa cao ốc văn phòng và chung cư, nhà để xe. Khi thiết kế sàn phẳng BTCT, vấn đề quan trọng là liên kết sàn − cột rất dễ bị phá hoại do hiện tượng nén thủng và đó là bộ phận duy nhất truyền lực từ sàn vào cột. Khái niệm về hiện tượng nén thủng Nén thủng của liên kết sàn phẳng − cột BTCT là hiện tượng phá hoại do cắt cục bộ thường có dạng hình chóp cụt tại liên kết đầu cột và sàn (Hình 1. Đây là dạng phá hoại giòn, xảy ra đột ngột và thường khó phát hiện dấu hiệu báo trước, làm mất đi hoàn toàn khả năng truyền lực của các ô sàn xung quanh vào cột tại vị trí bị nén thủng, gây ra sự quá tải của các liên kết lân cận khác, làm phá hoại chúng và cuối cùng có thể dẫn đến phá hoại toàn bộ kết cấu công trình.9: Nén thủng sàn dạng hình côn với những góc 60o, 45o và 30o [31] Kinnuen và Nylander (1960) [25] đã tiến hành các thí nghiệm nén thủng của liên kết sàn phẳng tròn - cột giữa tròn BTCT.
Kết quả thí nghiệm cho thấy có 2 dạng phá hoại chính gồm sự chảy dẻo của cốt thép chịu uốn khi có hàm lượng nhỏ và sự phá hoại của sàn do hiện tượng nén thủng (Hình 1. Tháp nén thủng trong thí nghiệm của Kinnuen và Nylander (1960) [25] được hình thành qua 5 giai đoạn như sau: (1) Các vết nứt do uốn theo phương tiếp tuyến xuất hiện đầu tiên tại mặt trên 13 của sàn xung quanh chu vi cột do mô men âm.10: Dạng phá hoại mẫu thí nghiệm của Kinnuen và Nylander (1960) [25] (3) Sau đó các vết nứt tiếp tuyến khác sẽ xuất hiện bên ngoài chu vi cột. (4) Khi tiếp tục gia tải, các vết nứt tiếp tuyến (3) phát triển lệch khỏi phương thẳng đứng ban đầu và hướng xiên về phía mặt cột ở mặt dưới sàn. (5) Với sự gia tăng chuyển vị đứng, vết nứt mở rộng đến mép cột.
Vết nứt cắt cuối cùng hoặc trùng hoặc nằm ngoài vết nứt tiếp tuyến ngoài cùng mà đã xuất hiện trước khi phá hoại.11: Sự hình thành tháp nén thủng theo thí nghiệm Kinnuen và Nylander [25] Trong thời gian qua, nhiều tai nạn thảm khốc đã xảy ra do dạng phá hoại nén thủng tại liên kết sàn phẳng – cột BTCT (Hình 1.12: Sự sụp đổ của cao ốc Sampoong-Hàn Quốc do phá hoại nén thủng [16] Hình 1.