MỞ ĐẦU 1. Tổng quan về khung liên hợp cột bê tông cốt thép (BTCT) và dầm thép Tùy theo biện pháp thi công, chế tạo hoặc tính năng sử dụng mà kết cấu khung liên hợp được phân ra thành nhiều dạng kết cấu khác nhau như: khung thép và sàn bê tông cốt thép; cột và dầm đều là kết cấu liên hợp thép - bê tông cốt thép; cột hoặc dầm là kết cấu liên hợp; dầm thép và cột bê tông cốt thép. Trong các dạng nêu trên, dạng kết cấu khung liên hợp có cấu tạo từ cột bê tông cốt thép (Reinforced Concrete - RC) và dầm thép (Steel – S) được gọi tắt là khung hỗn hợp RCS. Loại khung này đã tích hợp được những ưu điểm nổi bật của 2 loại vật liệu là BTCT và thép để tạo thành 1 kết cấu có khả năng vượt nhịp lớn của dầm thép (là cấu kiện thanh mảnh và có độ dẻo cao) kết hợp với cột BTCT cung cấp khả năng chịu lực lớn và tăng ổn định của kết cấu tốt hơn theo cả 2 phương, cũng như có khả năng chịu lữa vượt trội hơn so với việc khung chỉ sử dụng kết cấu thép hoặc bê tông cốt thép đơn thuần.
Kết cấu khung hỗn hợp RCS xuất hiện muộn hơn so với các dạng khung liên hợp khác, song với những ưu điểm nêu trên nên đã được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng vào nhiều công trình thực tế. [4] Khung RCS bắt đầu được sử dụng ở Mỹ và Nhật Bản trong cuối những năm 1970 và 1980. Ở Mỹ, khung RCS được sử dụng như một biến thể của khung mô men thép truyền thống trong các tòa nhà có chiều cao từ trung bình đến cao tầng. Ở Nhật Bản, khung RCS được ứng dụng vào các công trình nhà văn phòng, nhà ở xây dựng tại các vùng động đất thấp.
Kết cấu RCS có thể được xây dựng bằng phương pháp thi công tại chỗ, lắp ghép hoặc bán lắp ghép dẫn đến thời gian thi công của loại khung này nhanh hơn khung BTCT truyền thống. Việc sử dụng dầm thép để tăng chiều dài của nhịp làm tăng không gian sử dụng và giảm khối lượng nhân công mà vẫn đảm bảo tiết kiện chi phí vật liệu bằng việc sử dụng cột BTCT. Thời gian gần đây, xu hướng sử dụng kết cấu khung hỗn hợp RCS cho các công trình với đang dạng về công năng không ngừng tăng lên không chỉ do việc áp dụng được các ưu điểm của vật liệu thép và BTCT mà còn do công nghệ thi công tại chỗ không còn phù hợp với nhiều vùng xây dựng có yêu cầu về các yếu tố vệ sinh môi trường hoặc các quy định pháp lý cho kết cấu chịu lữa trong tòa nhà đang dần trở nên khắt khe hơn. Và Việt Nam cũng không nằm ngoài xu hướng này, việc sử dụng kết cấu liên hợp được sử dụng cho công trình ngày càng phổ biến nhất là việc sử dụng hệ kết cấu cột BTCT và dầm thép cho các công trình nhà xưởng công nghiệp.
Do đó, nghiên cứu về kết cấu khung hỗn hợp RCS cũng đã bắt đầu được quan tâm và có những nghiên cứu từ lý thuyết cho đến thí nghiệm. Tuy nhiên, trong nước chưa có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp, cụ thể là kết cấu khung cột BTCT và dầm thép (khung hỗn hợp RCS) và còn ít các nghiên cứu về phân tích ứng xử tổng thể của hệ kết cấu này khi chịu tải trọng. Nhằm thúc đẩy ứng dụng kết cấu khung hỗn hợp RCS cũng như nâng cao sự hiểu biết về ứng xử tổng thể khung ta cần nghiên cứu sâu hơn nữa trạng thái dẻo hay 1 phân tích phi tuyến hình học và vật liệu của hệ kết cấu. Qua đó phản ánh chính xác sự làm việc thực tế của kết cấu khung RCS, dự đoán chính xác dạng phá hoại dẻo và tải trọng giới hạn của kết cấu khung khi chịu tải trọng.
Đặc điểm và tình hình nghiên cứu của kết cấu khung RCS 1. Đặc điểm và các dạng phá hoại trong kết cấu khung RCS Kết cấu khung là loại kết cấu có cấu tạo từ các cấu kiện dạng thanh, trong đó dầm là cấu kiện chịu uốn và cắt, còn cột là cấu kiện chịu nén và uốn. Ở khung RCS với cột BTCT có khả năng chịu lực nén dọc trục lớn và độ cứng theo hai phương lớn hơn so với cột thép, do đó mang lại lợi thế về khả năng chịu lực và ổn định tốt hơn. Mặt khác, dầm thép có các ưu điểm nhất định so với dầm BTCT như: trọng lượng nhẹ hơn, khả năng vượt nhịp lớn và phương pháp thi công đơn giản hơn.
Khung hỗn hợp RCS do được cấu tạo từ hai loại kết cấu khác nhau (BTCT và thép) nên ứng xử phá hoại của khung cũng phức tạp hơn khung kết cấu truyền thống. Sự phá hoại ở khung RCS có thể xuất hiện ở dầm thép, cột BTCT và nút khung. Ở cấu kiện dầm thép nên được thiết kế hướng đến sự hình thành phá hoại dẻo (hình thành khớp dẻo), trong khi cấu kiện cột BTCT chỉ nên xuất hiện phá hoại sau khi dầm thép đã bị phá hoại trong trường hợp công trình có chuyển vị lớn. Bên cạnh đó, khi thiết kế cần tránh các trường hợp phá hoại giòn như bê tông bị ép vở và phá hoại do cắt.
Đặc biệt ở vị trí nút khung là vùng liên kết giữa các cấu kiện nên sự phá hoại là phức tạp. Dạng phá hoại ở nút phù thuộc nhiều vào các thành phần cấu thành nên nó. Ngoài ra, cấu tạo nút khung còn ảnh hưởng đến dạng phá hoại của cột thông qua sự tương quan sức kháng giữa các thành phần cột - dầm - nút mà dạng phá hoại có thể là nén uốn hoặc do cắt. Tình hình nghiên cứu của kết cấu khung RCS Do sự đa dạng trong chi tiết cấu tạo nút khung RCS nên đã có nhiều nghiên cứu được tiến hành để xem xét ứng xử của liên kết dầm - cột.
Tuy nhiên, lại có rất ít nghiên cứu thực nghiệm và phần tích về sự làm việc của cả hệ kết cấu khung RCS. Chương trình nghiên cứu về kết cấu hỗn hợp (Hybrid Structures) chịu động đất được hợp tác giữa Nhật Bản và Hoa Kỳ (1993 – 1995) [2], với Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu từ năm 1993 và có sự tham gia đầy đủ ở cả 2 quốc gia là vào đầu mùa hè năm 1995. Mục tiêu của cuộc nghiên cứu hướng đến xây dựng được các tiêu chí thiết kế và sự làm việc của hệ kết cấu hỗn hợp dưới tác động của tải động đất. Chương trình nghiên cứu được tổ chức thành 4 phần, gồm: Hệ kết cấu thép ống nhồi bê tông (Concrete filled tube column systems_CFT); kết cấu liên hợp thép - BTCT (SRC); kết cấu hỗn hợp cột BTCT - dầm thép (RCS); kết cấu tường RC/SRC (HWS); nghiên cứu vật liệu, cấu kiện và các kết cấu mới (Research for innovation_RFI).
Bracci và công sự (1999) [3]. Nghiên cứu đã trình bày đánh giá về khả năng thi công, chi phí và hiệu suất kháng chấn ở khu vực có nguy cơ động đất cho khung RCS. Tiến hành mô hình thực nghiệm trên hệ kết cấu gồm: dầm - sàn thép liên hợp và cột 2 BTCT để đánh giá về quan niệm thiết kết và khả năng xây dựng cho hệ khung RCS có chiều cao thấp và trung tầng. Nghiên cứu kết luận hệ kết cấu khung hỗn hợp RCS có khả năng kháng chấn tốt hơn và chi phí xây dựng tiết kiệm hơn hệ kết cấu thép truyền thống.
Dựa trên các thành tựu nghiên cứu hợp tác giữa Nhật Bản và Hoa Kỳ về khung liên hợp chịu mô men gồm: dầm thép và cột BTCT hoặc cột liên hợp. Bài báo đã trình bày nghiên cứu gồm thực nghiệm và phân tích các liên kết dầm - cột liên hợp và cột liên hợp, mô hình kết cấu khung liên hợp chịu tải động đất có xét đến phi tuyến. Thực nghiệm mô hình được tiến hành với tỷ lệ kích thước được thu nhỏ và điều tra sơ bộ về phương pháp thiết kế dựa trên ứng suất. Kết quả chỉ ra hệ kết cấu khung liên hợp không chỉ tiết kiệm chi phí xây dựng mà còn có thể thiết kết với khả năng biến dạng và độ bền ít nhất bằng với hệ kết cấu thép hoặc BTCT truyền thống.
So với khung thép truyền thống, khung liên hợp có thể tránh được các vấn đề liên quan đến việc hàn tại chỗ và sự phá hoại giòn trong liên kết dầm - cột. So với khung BTCT là có độ dẻo lớn hơn nên có khả năng hấp thu năng lượng của kết cấu tốt hơn khi chịu tải trọng động đất. Tuy nhiên, bài báo chỉ tập trung đánh giá kết quả việc xác định sức kháng của nút hoặc khung mà chưa phân tích cơ cấu truyền lực giữa các thành phần trong nút liên kết. Bài báo trình bày phân tích phần tử hữu hạn (PTHH) cho hệ khung hỗn hợp gồm: cột BTCT và dầm thép.
Nghiên cứu được tiến hành trên 2 mẫu khung RCS với 2 dạng nút liên kết khác nhau, được phân tích bằng phương pháp PTHH 3 chiều có xét đến phi tuyến, hệ khung chịu tác động của tải trọng đứng và tải trọng đổi chiều (tải trọng lặp) tác dụng theo phương ngang. Kết quả mô phỏng sẽ được xác minh tính chính xác với kết quả của mô hình thực nghiệm. Khung RCS với dầm thép liên tục qua nút (Through - beam) [5] Phân tích PTHH xem xét sự tương tác giữa cốt thép và bê tông; giữa thép và bê tông để mô phỏng ứng xử của khung. Kết quả thu được ở mẫu sự phá hoại chảy dẻo ở dầm thép và phá hoại cắt ở nút.
Quá trình phá hoại và cơ cấu kháng cắt của liên kết được thông qua từ việc phân tích quan hệ ứng suất - biến dạng của các cấu kiện, lực cắt ở nút và sức kháng cắt của các thành phần cấu tạo trong nút khung. Dạng phá hoại khung của mô hình thực nghiệm [5] 4 Deierlein, G.G và các cộng sự (2004) [6]. Bài báo đã tổng quan chương trình hợp tác giữa Nhật Bản và Hoa Kỳ trong suốt 15 năm về thiết kế khung chịu mô men liên hợp thép - BTCT, khung hỗn hợp chịu tải động đất và các thành phần cấu tạo của chúng. Các nghiên cứu gồm: thực nghiệm và phân tích hơn 50 loại liên kết dầm - cột; thực nghiệm và phân tích trên 2 loại khung liên hợp và khung hỗn hợp; nghiên cứu về ứng xử của toà nhà có khung liên hợp dưới tác động của động đất với kích thước thực tế.
Pauld Cordova và cộng sự (2004) [7] và [8].
