CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KẾT CẤU LIÊN HỢP 1. Tổng quan về kết cấu liên hợp thép – bê tông 1. Định nghĩa Kết cấu liên hợp thép bê tông là loại kết cấu sử dụng thép kết cấu (structural steel) kết hợp với bê tông hoặc bê tông cốt thép để chúng cùng tham gia chịu lực. Kết cấu liên hợp 5 1.
Lịch sử phát triển Theo tổng kết của tiến sĩ P. Moore tại hội nghị quốc tế về kết cấu hỗn hợp tại Mỹ năm 1987 thì năm 1894, lần đầu tiên kết cấu liên hợp đã được sử dụng làm cầu Rock Rapids do một kĩ sư người Viên tên Joset Melan thiết kế. Cây cầu này dùng thép chữ I làm khung và đổ bê tông bọc ngoài tạo thành kết cấu dạng vòm.W Pattenson đã thiết kế một cây cầu gần Pitts Burgh, Pennsylvania, cầu này dùng hệ dầm thép bọc bê tông để đỡ bản mặt cầu bằng bê tông, tạo nên kết cấu liên hợp thép - bê tông. Cũng khoảng thời gian đó, năm 1984 ở Pitts Burgh người ta đã xây dựng một ngôi nhà mà các dầm sàn bằng thép bọc bê tông, sau đó năm 1897, hỏa hoạn xảy ra, người ta phát hiện ra rằng các dầm thép bọc bê tông không bị ảnh hưởng của lửa cháy, từ đó ý tưởng về kết cấu chịu lửa được đặt ra cho việc ứng dụng của loại kết cấu liên hợp.
Joset Melan và 1 chiếc cầu tại Mỹ có cấu tạo theo thiết kế của ông Năm 1908, một số thí nghiệm về cột liên hợp thép - bê tông đã được thực hiện tại phòng thí nghiệm trường Đại học xây dựng Columbia, Mỹ. Đến năm 1922-1924, các thí nghiệm tương tự được giáo sư H. Mc Kay tiếp tục tiến hành tại trường đại học tổng hợp Mc. Đến năm 1944, lần đầu tiên việc thiết kế tính toán loại cấu kiện này được đưa vào tiêu chuẩn quốc gia Mỹ AASHTO (The American Association of Highway and Transportation).
Ở Châu Âu việc dùng kết cấu liên hợp thép - bê tông lúc đầu cũng xuất 6 phát từ mục đích dùng bê tông bọc kết cấu thép để chống ăn mòn và chịu lửa. Theo tổng kết của giáo sư P. Knowles, giảng viên trường Đại học Xây Dựng Serry, trong quyển Composite Steel and Concrete Construction xuất bản năm 1973 tại Luân Đôn cho biết: Từ những năm 1900 ở Anh đã xuất hiện kết cấu liên hợp thép - bê tông, tuy nhiên lúc đầu người ta chưa hề biết tính toán, họ chỉ xem như phần thép chịu tải trọng, phần bê tông chỉ mang tính chất bảo vệ cho thép. Thời kì đầu ứng dụng chủ yếu làm cầu hay sàn nhà theo kiểu bản bê tông dầm thép trong đó Đức là quốc gia rất quan tâm đến loại kết cấu này và đã ban hành tiêu chuẩn quốc gia DIN 1078 về kết cấu liên hợp từ rất sớm.
Tại Nga, các nghiên cứu về kết cấu liên hợp cũng đã được tiến hành từ rất lâu. Năm 1936 dưới sự lãnh đạo của viện sĩ G. Perederi, người Nga đã xây dựng xong chiếc cầu Volodarsky bằng kết cấu liên hợp với nhịp 332m qua sông Neva tại Saint Peterburg. Nhật Bản cũng đã quan tâm đến việc nghiên cứu loại kết cấu này từ rất sớm.
Ngay từ năm 1910, kết cấu liên hợp đã được ứng dụng rộng rãi làm nhà cao tầng (từ 6 tầng trở lên). Cầu Volodarsky sau lần cải tạo năm 1993 7 1. Đặc điểm cấu tạo của kết cấu liên hợp Do tính chất cấu tạo của “cốt thép” khác so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường, nó có thể ở dạng thép tấm, thép hình, thép ống, thép ở dạng khung, nó có thể nằm ngoài (ta hay gọi là kết cấu thép nhồi bê tông: Concrete filled Steel Structures) hay có thể nằm bên trong bê tông (kết cấu thép bọc bê tông: Concrete Encased Steel Structures) hay nằm ở 2 thớ khác nhau của tiết diện (Hình dưới) nên tính chất làm việc, sự tương tác giữa bê tông và thép không giống như bê tông cốt thép thông thường (dùng cốt thép tròn) và do đó việc thiết kế loại kết cấu này cũng hoàn toàn khác.4: Các tiết diện kết cấu hỗn hợp thép – bê tông - Kết cấu thép nhồi bê tông: a,b. - Kết cấu thép bọc bê tông: h, i, k, l.
- Kết cấu thép vừa bọc bê tông vừa nhồi bê tông: c, d. - Kết cấu liên hợp: e, m. Các bộ phận chính trong kết cấu khung liên hợp: + Cột liên hợp. + Sàn liên hợp.
+ Dầm liên hợp. + Nút liên kết liên hợp (liên kết dầm sàn, dầm cột). 8 a) Cột liên hợp Các giải pháp cấu tạo thường được sử dụng đối với loại cấu kiện kết cấu cột liên hợp là thép định hình, thép tổ hợp hàn dạng chữ H được bọc bê tông một phần hoặc toàn bộ, hoặc thép ống được nhồi đầy bê tông hoặc bê tông cốt thép. Cột tiết diện thép hở, bê tông bọc một phần hoặc hoàn toàn Hình 1.
Cột tiết diện thép kín, bê tông nhồi trong tiết diện 9 Hình 1. Mô hình tiết diện cột liên hợp với thép chữ I chịu lực chính 10 Hình 1. Ảnh thực tế thi công tại công trường b) Sàn liên hợp Đối với cấu kiện kết cấu sàn liên hợp thì giải pháp sử dụng thường là bản sàn bê tông cốt thép được đặt lên trên dầm thép hình chữ I. Ngoài ra các tấm tôn thép sóng còn được đặt ở mặt dưới của bản sàn bê tông, nằm giữa bản sàn bê tông và dầm thép hình để đóng vai trò vừa là cốt thép chịu kéo trong quá trình sử dụng đồng thời là ván khuôn đỡ bê tông tươi trong quá trình thi công.
Sàn liên hợp 11 Hình 1. Cốt thép chờ thi công sàn liên hợp Hình 1. Liên kết chống trượt giữa sàn và dầm 12 c) Dầm liên hợp Dầm liên hợp có cấu tạo gồm dầm thép chữ I tổ hợp hàn hoặc cán nóng và một tấm đan BTCT (thường hoặc ứng suất trước). Tấm đan được liên kết với dầm thép bằng các liên kết để đảm bảo sự làm việc đồng thời giữa chúng.
Mô hình thi công sàn-dầm liên hợp 13 Hình 1. Một kiểu dầm liên hợp Hình 1. Công nhân thi công chốt thép cho dầm – sàn liên hợp 1. Ưu – nhược điểm của kết cấu liên hợp 1.
Ưu điểm Kết cấu liên hợp thép bê tông đã tận dụng được các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lý của cả hai loại vật liệu thép và bê tông. Vật liệu thép có cường độ chịu kéo và nén cao, khả năng cho phép biến dạng dẻo lớn, độ tin cậy, độ 14 an toàn chịu lực cao nhưng khả năng chịu lửa kém và giá thành lại cao. Trong khi đó vật liệu bê tông mặc dù chỉ có cường độ chịu nén tương đối nhưng lại có tính chịu lửa tốt, giá thành rẻ và được sử dụng phổ biến. Như vậy, so với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu bê tông cốt thép thuần tuý thì việc sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép - bê tông sẽ đảm bảo tăng khả năng chịu lực và nâng cao độ tin cậy của kết cấu, do bao gồm khả năng chịu lực của cả 2 thành phần kết cấu thép hình và bê tông cùng kết hợp tham gia chịu lực.
Hơn nữa, nếu so sánh với trường hợp chỉ sử dụng giải pháp kết cấu thép thuần tuý thì việc sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông ngoài việc làm tăng khả năng chịu lực còn tăng độ cứng ngang, tăng khả năng ổn định và nâng cao tính chịu lửa và chống ăn mòn. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng đối với công trình xây dựng ở vùng khí hậu có độ ẩm cao, công trình ven biển. Giải pháp kết cấu liên hợp thép bê tông cũng đã được ứng dụng khá hiệu quả trong trường hợp kết cấu công trình nằm trong vùng có động đất, do chúng có mức độ ổn định và độ tin cậy cao khi chịu tải trọng động. Điều này đã được kiểm nghiệm qua thực tế tại nhiều trận động đất lớn, như trận động đất Kobe ở Nhật Bản năm 1995 hay trận động đất Northridge ở Mỹ năm 1994.
Ảnh chụp sau động đất tại Kobe 15 Hình 1. Sau động đất tại Northridge Đối với các công trình nhà nhiều tầng, khi chiều cao nhà càng cao và nhịp khung càng lớn thì nội lực dọc trục trong cột và mômen trong dầm càng lớn; lực dọc trong cột có thể lên đến 3000 tấn đối với công trình nhà cao hơn 30 tầng. Như vậy, nếu chỉ sử dụng giải pháp kết cấu bê tông cốt thép thông thường thì kích thước tiết diện yêu cầu của cột là rất lớn, vì thực tế cấp độ bền của bê tông sử dụng phổ biến cho xây dựng nhà nhiều tầng ở Việt Nam hiện nay vào khoảng B25 đến B40, tương ứng với cường độ chịu nén tính toán khoảng 155 đến 215 daN/cm2. Chẳng hạn khi sử dụng giải pháp kết cấu bê tông cốt thép (không liên hợp) thì kích thước tiết diện cột yêu cầu cho nhà cao 40 tầng xây dựng ở Hà Nội là khoảng 1,5m x 1,5m; tuy nhiên kích thước này sẽ giảm xuống còn khoảng 1m x 1m khi sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép bê tông do thép chịu lực là chính làm giảm kích thước của các cấu kiện, kết cấu thanh mảnh hơn so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường, làm tăng không gian sử dụng và hiệu quả kiến trúc tăng.
Mặc dù ở một số nước trên thế giới như Nhật Bản, Úc… đã sản xuất được bê tông mác siêu cao với cường độ chịu nén có thể vượt trên 1000 daN/cm2. Tuy nhiên để sản xuất bê tông đạt được cường độ cao như vậy và đảm bảo được mức độ tin cậy thì quy 16 trình sản xuất và kiểm tra chất lượng yêu cầu phải được thực hiện rất nghiêm ngặt về thời gian và công nghệ kỹ thuật. Kết cấu liên hợp cho bước cột lớn nhưng tiết diện cột nhỏ So với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu thép thuần tuý thì việc sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép - bê tông sẽ có hiệu quả kinh tế cao, giảm được trọng lượng thép khoảng 10-15%. Nếu so với trường hợp sử dụng giải pháp kết cấu bê tông cốt thép thì giải pháp sử dụng kết cấu liên hợp giảm được trọng lượng của công trình khoảng 10- 20%, dẫn đến giảm nhẹ được kết cấu móng.
Do vậy mặc dù lượng thép sử dụng trong kết cấu liên hợp là nhiều hơn một chút nhưng tổng chi phí xây dựng công trình có thể vẫn giảm, đồng thời tăng nhanh được thời gian thi công để sớm đưa công trình vào sử dụng và quay vòng vốn.