CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG 1. Khái niệm và một số định nghĩa 1. Khái niệm Kết cấu liên hợp được cấu tạo từ thép kết cấu (Structural steel) kết hợp với bê tông (concrete) hoặc bê tông cốt thép (reinforced concrete). Sự kết hợp này nhằm mục tạo ra một hệ kết cấu có khả năng chịu lực, độ ổn định, khả năng kháng chấn và chịu lửa tốt hơn so với các loại kết cấu truyền thống khác.
Kết cấu liên hợp thép - bê tông là loại kết cấu mới và được sử dụng cho các công trình là các tòa nhà cao tầng và siêu cao tầng. Trên thế giới loại kết cấu này được biết từ rất sớm, nó đã đánh dấu một bước ngoặt mới về giải pháp kết cấu và công nghệ xây dựng. Các tiền đề đặt ra cho việc hình thành các dạng kết cấu liên hợp: - Một là: Khi hàm lượng thép quá lớn, cần tìm phương án thay thế các cốt thép tròn thành các dạng cốt thép khác gọi là cốt cứng và hình thành nên kết cấu liên hợp. - Hai là: Muốn bảo vệ kết cấu thép chịu lực bằng vật liệu bê tông để tăng khả năng chịu lực, khả năng chống xâm thực và chống cháy.
Một số hình ảnh về kết cấu liên hợp thép - bê tông Hình 1. Cấu kiện liên hợp 8 1. Một số định nghĩa 1. Cấu kiện liên hợp Là cấu kiện kết cấu có các phần bê tông và thép kết cấu (thép hình) hoặc thép tạo hình nguội được liên kết với nhau bởi các liên kết chịu cắt nhằm hạn chế trượt dọc giữa bê tông và thép và hạn chế tách rời giữa các phần với nhau.
Liên kết chịu cắt Là liên kết giữa hai phần bê tông và thép của một cấu kiện liên hợp nhằm đảm bảo cấu kiện có đủ cường độ và độ cứng để trong thiết kế coi cấu kiện liên hợp như một cấu kiện kết cấu đơn. Ứng xử liên hợp Là ứng xử xuất hiện sau khi liên kết chịu cắt bắt đầu có hiệu lực do bê tông đã đông cứng. Sàn liên hợp Là cấu kiện sàn có sử dụng tôn thép sóng ngay từ giai đoạn đầu để sau đó cùng tham gia chịu lực với bê tông khi bê tông đông cứng và đóng vai trò là lớp cốt thép chịu kéo trong bản sàn. Dầm liên hợp Là cấu kiện liên hợp chủ yếu chịu uốn.
Cột liên hợp Là cấu kiện liên hợp chủ yếu chịu nén hoặc nén uốn. Khung liên hợp Là kết cấu khung có một số cấu kiện hoặc tất cả các cấu kiện đều là cấu kiện liên hợp. Nút liên kết liên hợp Là liên kết giữa các cấu kiện liên hợp hoặc giữa các cấu kiện liên hợp với cấu kiện khác, trong đó cốt thép được kể đến trong thiết kế để xác định khả năng chịu lực và độ cứng của nút liên kết. Đặc điểm cấu tạo của kết cấu liên hợp Như đã phân tích ở phần trước, do tính chất cấu tạo của “cốt thép” khác (dạng tấm, hình, ống, khung, nằm ngoài (được nhồi bê tông vào trong) hoặc nằm trong (được bao bọc bởi bê tông) hay nằm ở 2 thớ khác nhau của tiết diện so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường (bê tông bao bọc cốt thép tròn).
Nên sự kết hợp làm việc giữa bê tông và thép không giống như bê tông cốt thép thông thường. Tính toán thiết kế loại kết cấu này cũng hoàn toàn khác. Tiết diện dầm liên hợp 9 Hình 1. Các dạng tiết diện dầm liên hợp 10 1.
Tiết diện sàn liên hợp Hình 1. Các dạng tiết diện sàn liên hợp 11 Sàn liên hợp thép - bê tông cốt thép là một dạng kết cấu giữa bê tông và sàn thép, cấu tạo dạng tấm, gấp nếp để giảm chiều dày và trọng lượng sàn. Đặc điểm của loại sàn này là không cần sử dụng ván khuôn do tấm thép bên dưới đóng vai trò ván khuôn khi thi công, đồng thời đóng vai trò thép ở nhịp khi tham gia chịu lực. Kết cấu sàn như vậy làm giảm trọng lượng công trình, giảm tĩnh tải, có ảnh hưởng tích cực đến toàn bộ kết cấu công trình.
Mặt khác, sàn liên hợp dễ gia công, vận chuyển, lắp ráp đơn giản, tốc độ thi công nhanh (tấm thép bên dưới được sản xuất hàng loạt còn phần bê tông bên trên vẫn thi công đỗ tại chỗ tại công trường nhưng không phải tốn công lắp dựng cốp pha sàn để đổ bê tông); khả năng chịu lửa tốt không cần lớp bảo vệ đặc biệt và có thể bọc thêm lớp phòng cháy (Hình 1. Kết cấu sàn liên hợp sử dụng tôn lượn sóng Chiều dày của sàn liên hợp từ 10cm 20cm, nhịp từ 2,0m 4,0 m khi không có các thanh chống tạm khi đổ bê tông, và đạt đến 7,0m khi có thanh chống tạm. Chiều dày của tấm tôn từ 0,75mm-1,5mm, trong thực tế thường dùng từ 0,75mm-1,0mm. Chiều cao của mặt cắt tấm tôn từ 40-80mm.Để chống ăn mòn, các tấm tôn được mạ kẽm trên hai mặt.
Giới hạn đàn hồi của tấm tôn là 300N/mm2. Chiều dày của toàn bộ sàn liên hợp (h), không được nhỏ hơn 80mm, chiều dày của riêng phần bê tông (hc) trên các sườn của tấm tôn không được nhỏ hơn 40mm để tránh sự phá hoại dòn và đảm bảo lớp bảo vệ cho cốt thép. 12 Nếu sàn làm việc liên hợp với dầm hoặc được sử dụng như vách cứng thì chiều cao tổng thể không được nhỏ hơn 90mm và chiều cao bê tông hc không được nhỏ hơn 50mm. Gối tựa của sàn liên hợp phải có bề rộng nhỏ nhất là 75mm.
Tấm sàn bị biến dạng uốn và sinh ra ứng suất trượt tại bề mặt giữa thép và bê tông khi có tải trọng tác động: * Liên kết hoàn toàn giữa bê tông và tấm tôn (liên kết giữa bê tông và tấm tôn thép chống lại được biến dạng dọc) * Liên kết không hoàn toàn (khi xuất hiện sự trượt giữa tấm tôn và bê tông dọc theo bề mặt tiếp xúc). Các liên kết cơ học b. Các liên kết bằng ma sát c. Neo ở đầu sàn d.
Làm biến dạng ở đầu sườn tấm tôn 13 Phân biệt 3 dạng làm việc của sàn liên hợp (xem Hình 1.6): - Bê tông và thép có sự tương tác: trượt tổng thể giữa bề mặt thép và bê tông bằng 0, sự truyền lực cắt dọc là hoàn toàn và tải trọng cực hạn Pu là lớn nhất. Hiệu ứng liên hợp là hoàn toàn. Xuất hiện phá hoại giòn nếu xảy ra đột ngột; dẻo nếu xảy ra từ từ. - Bê tông và thép không tương tác: Không có sự trượt, không có sự truyền lực cắt dọc.
Tải trọng cực hạn là nhỏ nhất, hiệu ứng liên hợp là rất yếu, sự phá hoại diễn ra từ từ. Sự làm việc của sàn liên hợp 14 Tương tác giữa bê tông và thép không hoàn toàn: trượt tổng thể giữa thép và bê tông khác không nhưng có giới hạn. Lực cắt dọc không được truyền hoàn toàn, tải trọng cực hạn có giới hạn trung gian, sự phá hoại có thể là dòn hoặc dẻo. Trong ba dạng làm việc, độ cứng của cấu kiện, chính là độ dốc của đường cong tải trọng – độ võng ở phần đầu của đường cong, là không giống nhau.
Độ cứng lớn nhất của sàn ứng với tương tác hoàn toàn và nhỏ nhất ứng với sàn tương tác bằng không. Có ba dạng liên kết giữa thép và bê tông: - Liên kết lý – hóa: nhỏ, luôn tồn tại với bất kỳ loại tôn nào. - Liên kết bằng ma sát: xuất hiện khi lực trượt cục bộ xảy ra. - Liên kết bằng neo: khi có lực trượt dọc cục bộ và hình dạng bề mặt liên kết.
Sự phá hoại sàn liên hợp có sử dụng tấm tôn sóng có thể xảy ra theo một trong các dạng phá hoại sau (Hình 1.7): - Dạng phá hoại I. Phá hoại do mô men ở giữa nhịp: xảy ra với sàn nhịp lớn và có bậc liên kết cao giữa bê tông và cốt thép. - Dạng phá hoại II: Phá hoại do lực trượt dọc: xảy ra khi đạt tới khả năng chịu lực tới hạn giữa bê tông và cốt thép. - Dạng phá hoại III: Phá hoại do trượt ngang (xảy ra khi sàn có nhịp bé, dày và bị tác động lớn bởi tải trọng).
Các dạng phá hoại sàn liên hợp Sự phá hoại sàn liên hợp có thể xảy ra theo 02 dạng làm việc: - Dạng phá hoại làm việc dòn: sự phá hoại xảy ra đột ngột, không có biến dạng lớn xảy ra. - Phá hoại dẻo: xảy ra từ từ và biến dạng lớn, phát hiện được. Dạng phá hoại dòn hoặc dẻo phụ thuộc vào dạng liên kết giữa thép và bê tông. Sàn với tấm tôn có sườn đóng nói chung làm việc dẻo, sàn với tấm tôn có sườn mở nói chung làm việc giòn.
Tác động cơ học lên tấm tôn như tạo gờ và 15 tạo lỗ. Các chi tiết liên kết neo như chốt, thép góc cũng là tác nhân đến dạng phá hoại. Đối với sàn liên hợp làm việc dòn, ta có thể tính toán với hệ số an toàn cao hơn. Tiết diện cột liên hợp 16 Hình 1.
Các dạng tiết diện cột liên hợp 17 1. Ưu nhược điểm của kết cấu liên hợp thép – bê tông 1. Ưu điểm - Khả năng chống ăn mòn của thép được tăng cường do trình độ luyện kim phát triển vượt bậc. Các công trình sử dụng kết cấu liên hợp không quá bị ảnh hưởng bởi yêu tố tại các vùng có độ ẩm cao, ven biển.
- Khả năng chịu lửa tốt. Các cấu kiện được bao bọc bởi bê tông nên khả năng chịu lửa của thép được tăng cường. - Tăng độ cứng của kết cấu. Điều này thấy rõ đối với các cột liên hợp thép - bê tông (giảm độ mảnh của cột và tăng ổn định cục bộ).
- Khả năng biến dạng lớn hơn là ưu điểm lớn trong việc tăng khả năng chịu tải trọng động đất cho công trình. - Tăng hiệu quả sử dụng vật liệu. - Thi công kết cấu liên hợp có thể tiết kiệm thời gian xây dựng khi áp dụng các biện pháp thi công hiện đại như ván khuôn trượt, công nghệ lắp ghép. - Có thể đạt hiệu quả kinh tế cao.
Công trình sử dụng kết cấu liên hợp, lượng cốt thép sử dụng có thể lớn hơn so với công trình sử dụng kết cấu bê tông cốt thép thông thường, tức chi phí về mặt này tương ứng sẽ lớn hơn. Tuy nhiên, khi đánh giá hiệu quả kinh tế một cách tổng quan, chi phí vật liệu cao nhưng tốc độ thi công nhanh hơn, công trình đưa vào khai thác sớm hơn, thời gian thu hồi vốn giảm thì có thể chi phí đầu tư sẽ ít hơn.