CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG, SÀN PHẲNG VÀ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP 1. Tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông Khái niệm Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) là một kết cấu liên hợp bao gồm vỏ ống thép và lõi bê tông cùng làm việc chung với nhau (Hình 1. Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tông Cường độ chịu nén của bê tông lớn hơn rất nhiều so với cường độ chịu kéo và khả năng chịu nén của bê tông sẽ được tăng lên khi bê tông bị hạn chế nở hông.
Đối với kết cấu thép, cường độ chịu kéo cao nhưng dễ bị mất ổn định cục bộ dưới tải trọng nén. Như vậy, thép và bê tông được sử dụng kết hợp để có thể phát huy hết bản chất tự nhiên của từng loại vật liệu để tạo ra kết cấu có nhiều ưu điểm. Loại kết cấu này hiện đang được nghiên cứu áp dụng cho công trình nhà cao tầng, nhà công nghiệp và các công trình cầu tại Việt Nam. Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông - Cách sắp xếp vật liệu trên trên mặt cắt ngang làm tối ưu cường độ và độ cứng của cấu kiện.
Cốt thép được phân bố ở chu vi ngoài cùng của tiết diện nên phát huy hiệu quả làm việc cao nhất khi chịu mô men uốn. Bê tông tạo một lõi lý tưởng để chống lại tải trọng nén trong quá trình làm việc, trì hoãn và chống lại sự luan an 6 mất ổn định cục bộ của ống thép, đặc biệt các cấu kiện có tiết diện hình vuông hoặc chữ nhật. Ngoài ra, ống thép cản trở biến dạng nở hông của lõi bê tông làm tăng khả năng chịu nén và độ dẻo dai đối với cấu kiện CFST. - Việc nhồi bê tông vào trong ống thép làm nâng cao độ chống ăn mòn bên trong ống thép, làm giảm độ mảnh, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả năng chống móp méo của vỏ ống thép khi va đập.
- Khả năng chống cháy của cột CFST tốt hơn so với cột thép. - Giá thành tổng thể của công trình làm bằng kết cấu ống thép nhồi bê tông nói chung nhỏ hơn nhiều so với giá thành của công trình tương tự làm bằng kết cấu bê tông cốt thép hay kết cấu thép thông thường. Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn so với kết cấu bê tông do đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn đồng thời làm giảm tải trọng xuống móng. Kết cấu ống thép nhồi bê tông kinh tế hơn so với kết cấu bê tông cốt thép vì không cần ván khuôn, giá vòm, đai kẹp và các chi tiết đặt sẵn, nó có sức chịu đựng tốt hơn, ít hư hỏng do va đập.
Do không có cốt chịu lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tông với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỉ lệ N/X có thể lấy nhỏ hơn) và sẽ dễ dàng đạt chất lượng bê tông cao hơn [5]. Hạn chế lớn nhất ảnh hưởng đến việc sử dụng rộng rãi loại kết cấu này đó là cấu tạo liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông với sàn bê tông cốt thép, dầm bê tông cốt thép hay dầm thép. Các ứng xử, cơ chế làm việc, trạng thái phá hoại liên kết chưa được hiểu rõ, do đó gây ra không ít những khó khăn cho tính toán, thiết kế, cấu tạo liên kết nhằm kết hợp các loại kết cấu này thành hệ kết cấu hiệu quả sử dụng cho công trình nhà cao tầng tại Việt Nam. Phân loại cột ống thép nhồi bê tông Cột ống thép nhồi bê tông về mặt cấu tạo rất đa dạng.
Dạng tiết diện phổ biến nhất của cột CFST là tiết diện mà bê tông được nhồi vào phần rỗng bên trong ống thép có dạng hình tròn (Circular Hollow Section - CHS), hay cột có tiết diện rỗng hình vuông (Square Hollow Section- SHS) hoặc cột có tiết diện rỗng hình chữ nhật (Rectangular Hollow Section - RHS). Đối với tiết diện CHS sự hạn chế biến dạng luan an 7 ngang của lõi bê tông là lớn nhất và mất ổn định cục bộ chỉ xuất hiện đối với tiết diện hình vuông và chữ nhật. Tuy nhiên, cột CFST với các tiết diện SHS và RHS vẫn tiếp tục được sử dụng nhiều trong xây dựng với những ưu điểm riêng của nó. Những dạng tiết diện ngang khác cũng được sử dụng cho mục đích nghệ thuật như dạng đa giác, dạng elip, v.
OÁng theùp OÁng theùp OÁng theùp Loõi beâtoâng Loõi beâtoâng Loõi beâtoâng a a D a b OÁng theùp OÁng theùp OÁng theùp Loõi beâtoâng Loõi beâtoâng Loõi beâtoâng Hình 1. Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tông Cột CFST có tiết diện bao gồm ống thép trong và ống thép ngoài, bê tông được nhồi vào giữa hai ống thép (Hình 1. Với cấu tạo mặt cắt như thế này, cột sẽ có độ cứng chống uốn lớn, cường độ cao, khả năng chống cháy tốt hơn và tránh được sự mất ổn định đối với cấu kiện khi chịu tác động của áp lực bên ngoài. Dạng cột này có thể là lựa chọn tối ưu khi thiết kế những cấu kiện với tiết diện ngang lớn.
OÁng theùp OÁng theùp OÁng theùp OÁng theùp OÁng theùp Loõi beâtoâng Loõi beâtoâng Loõi beâtoâng Loõi beâtoâng Loõi beâtoâng Hình 1. Cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép Trường hợp cột CFST được bao bọc bởi bê tông cốt thép truyền thống (Hình 1. Cấu tạo tiết diện gồm ống thép bên trong được lắp đặt trước tiếp theo là lắp đặt các hệ thép gia cường, lớp bê tông bên trong và bên ngoài được đổ sau đó. Việc luan an 8 nhồi bê tông vào trong ống sẽ làm tăng tối đa khả năng giam hãm bê tông nâng cao cường độ tới hạn của tiết diện.
Bê tông cốt thép bao bọc bên ngoài tạo thành một lớp chống cháy cho lõi bên trong, do đó khả năng chống cháy của loại cột này được tăng đáng kể so với cột CFST truyền thống. Ngoài ra, loại cột này còn có khả năng kháng mất ổn định cục bộ, chống ăn mòn đối với ống thép rất tốt và dễ liên kết với những dầm bê tông cốt thép hoặc dầm thép trong hệ kết cấu công trình. OÁng theùp Beâtoâng OÁng theùp Beâtoâng OÁng theùp Beâtoâng Coát theùp Coát theùp Coát theùp meàm meàm meàm Hình 1. Cột CFST được bao bọc bởi bê tông cốt thép Cột CFST tăng cường kết cấu thép và cốt thép gia cường.
Kết cấu thép và cốt thép thanh gia cường được bố trí vào lõi của ống thép sử dụng để tăng khả năng chịu tải trọng của cấu kiện CFST (Hình 1. Loại kết cấu này thường được sử dụng cho công trình chịu tải trọng lớn. OÁng theùp OÁng theùp OÁng theùp Coát theùp hình Coát theùp meàm Loõi beâtoâng Loõi beâtoâng Loõi beâtoâng Loõi beâtoâng Hình 1. Cột CFST tăng cường kết cấu thép và cốt thép gia cường Cột CFST sử dụng ống thành mỏng cường độ cao.
Những sườn tăng cứng ngang và dọc có thể được hàn vào ống thép để cải thiện cường độ và độ dẻo của cột liên hợp. Đối với cột có tiết diện ngang lớn, các sườn tăng cứng có thể hàn vào mặt trong của ống. Các thanh nối cũng có thể được hàn nối các sườn gia cường như Hình 1.6 nhằm trì hoãn sự mất ổn định cục bộ của ống thép. luan an 9 Söôøn taêng cöùng Thanh noái Söôøn taêng cöùng OÁng theùp OÁng theùp Loõi beâtoâng Loõi beâtoâng Hình 1.
Cột CFST với sườn tăng cứng Khả năng áp dụng Kết cấu ống thép nhồi bê tông được ứng dụng rộng rãi cho rất nhiều lĩnh vực như nhà dân dụng và công nghiệp, cầu đường, v. Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, loại kết cấu này được áp dụng khá nhiều cho cấu kiện chịu lực chính như hệ móng cọc, các cột đỡ của toà nhà cao tầng. Chẳng hạn, toà nhà được xây dựng bằng kết cấu cột CFST ở Chuo-ku, thành phố Kobe, Nhật Bản (Hình 1.7 - Thiết kế: Công ty Takenaka, tổng diện tích sàn 20.642m2, gồm 12 tầng nổi và 2 tầng hầm). Các công trình nhà ở tại thành phố Kobe được xây dựng nhằm chống lại những tác động lớn từ những động đất và kết cấu CFST đáp ứng được điều này [5].
Nhà được xây dựng bằng kết cấu CFST [5] Trung tâm thương mại Ruifeng được xây dựng tại Hàng Châu, Trung Quốc năm 2001 (Hình 1. Công trình có chiều cao lớn nhất 84. Hệ kết cấu bao gồm cột ống thép nhồi bê tông tiết diện vuông cạnh 600mm chiều dày thành ống lớn nhất là 28mm và nhỏ nhất là 16mm, hệ dầm thép và hệ vách bê tông cốt thép [29]. luan an 10 Dầm thép Cột CFST Hình 1.
Trung tâm thương mại Ruifeng, Trung Quốc [28] Công trình Tokyo Baycourt Club Hotel & Spa Resort, Nhật Bản (Hình 1.9) được hoàn thành năm 2007 với quy mô gồm 27 tầng nổi và 2 tầng hầm với tổng chiều cao công trình là 101,1m sử dụng kết cấu cột ống thép nhồi bê tông kết hợp với kết cấu bê tông cốt thép cho sàn, vách [60]. Tokyo Baycourt Club Hotel & Spa Resort, Nhật Bản [60] 1. Tổng quan các giải pháp sàn phẳng trong công trình xây dựng Với xu hướng phát triển của công nghệ cũng như yêu cầu về mặt kiến trúc, kinh tế cho công trình, hệ kết cấu sàn sườn truyền thống dần dần được thay thế bởi hệ sàn phẳng không dầm với nhiều ưu điểm nổi trội như tạo ra không gian sử dụng linh hoạt phù hợp với công năng của công trình, chiều cao thông thuỷ hợp lý, dễ luan an 11 dàng đáp ứng các yêu cầu bố trí hệ kỹ thuật. Dưới đây sẽ giới thiệu tổng quan về một số loại sàn phẳng có thể kết hợp được với kết cấu cột ống thép nhồi bê tông được sử dụng ở Việt Nam.
Sàn phẳng bê tông cốt thép thông thường Là hệ thống chịu lực theo một hoặc hai phương được kê trực tiếp lên cột hoặc tường chịu lực (Hình 1. Điểm đặc biệt của loại sàn này là chiều dày gần như không đổi tạo ra mặt phẳng phía dưới của sàn dẫn tới sự đơn giản trong thi công. Sàn này cho phép linh hoạt trong việc tạo vách ngăn và có thể không cần phải sử dụng trần giả. Nhịp kinh tế của sàn phẳng BTCT là 6m đến 8m.
Sàn phẳng bê tông cốt thép Ưu điểm: Cốt pha đơn giản, thi công nhanh; tạo không gian linh hoạt, dễ dàng bố trí mặt bằng; không dầm, tạo khoảng thông thủy lớn ở dưới sàn; chiều dày kết cấu nhỏ và từ đó giảm được chiều cao tầng.