Đặt vấn đề nghiên cứu. Cách tính toán cột liên hợp theo tiêu chuẩn Eurocode 4 .1 Phân loại cột .2 Phương pháp tính toán .3 Ổn định cục bộ của lõi thép.4 Điều kiện áp dụng phương pháp tính toán đơn giản.5 Cột liên hợp chịu nén đúng tâm.1 Sức kháng của cột liên hợp chịu nén đúng tâm .2 Tính toán cột liên hợp theo điều kiện ổn định .6 Cột liên hợp chịu nén uốn đồng thời .1 Sức kháng của cột liên hợp chịu nén và chịu uốn theo một phương.2 Cách xác định sức kháng uốn và sức kháng nén .3 Vị trục trung hòa của một số dạng mặt cắt liên hợp.4 Phân tích sự phân bố mômen uốn trong cột liên hợp.5 Ảnh hưởng của lực cắt .6 Sức kháng của cột liên hợp chịu nén và chịu uốn theo một phương .7 Sức kháng của cột liên hợp chịu nén và chịu uốn theo hai phương. Mô hình mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn .1 Thí nghiệm nén đúng tâm cột ống thép tròn nhồi bê tông .1 Bố trí thí nghiệm .2 Kết quả thí nghiệm .1 Hình dạng phá hoại .2 Mối quan hệ giữa lực và chuyển vị dọc trục .3 Mô hình phần tử hữu hạn.1 Lưới phần tử hữu hạn .2 Ứng xử của vật liệu ống thép .3 Ứng xử của bê tông được kiềm chế .4 Ứng xử của mặt tiếp xúc giữa bê tông và ốngthép .4 Kết quả mô phỏng.1 Dạng phá hoại của mẫu thí nghiệm.2 So sánh đường cong chuyển vị - lực thu được từ mô phỏng và thí nghiệm .5 Khảo sát tham số.62 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Sự mà việc không đồng thời (trái) và đồng thời (phải) của kết cấu liên hợp. 2 Hình 1-2 Cấu tạo một số loại neo.
2 Hình 1-3 Sàn liên hợp. 3 Hình 1-4 Một số dạng tôn. 4 Hình 1-5 Dầm liên hợp. 4 Hình 1-6 Các dạng mặt cắt cột liên hợp.
6 Hình 1-7 Trung tâm thương mại Dimond Plaza- TP Hồ Chí Minh. 9 Hình 1-8 Tòa nhà đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ- Hà Nội .10 Hình 1-9 Khách sạn 5 sao Marriott- Hà Nội .10 Hình 1-10 Tòa nhà Bitexco tại thành phố Hồ Chí Minh.11 Hình 1-11 Tòa nhà HUB – Tower tại thành phố Hà Nội .12 Hình 1-12 So sánh mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng nén của bê tông thường (NSC-normal strength concrete) và bê tông cường độ cao (HSC – high strength concrete) .14 Hình 1-13 Hiệu quả kiềm chế nở hông .17 Hình 1-14 Mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của bê tông được kiềm chế và không kiềm chế nở hông.18 Hình 1-15 Lực tác dụng lên ống thép và lên bê tông .19 Hình 1-16 Cơ chế truyền lực cắt giữa ống thép và bê tông trong cột liên hợp .20 Hình 1-17 Đường cong ứng suất biến dạng cho bê tông có cường độ chịu nén C12/15 đến C90/105 theo quy định của tiêu chuẩn Eurocode 4 .21 Hình 2-1 Hiệu quả kiềm chế nở ngang của cột mặt cắt hình tròn và cột mặt cắt hình chữ nhật .27 Hình 2-2 Độ võng ban đầu của cột.29 vii Hình 2-3 Đường cong uốn dọc .30 Hình 2-4 Biểu đồ tương tác M-N .32 Hình 2-5 Phân bố ứng suất trên mặt cắt cột liên hợp ống thép nhồi bê tông .33 Hình 2-6 Ví dụ tính toán sức kháng .35 Hình 2-7 Sự phân bố mômen dọc theo trục cột .40 Hình 2-8 Phương pháp tính toán cho cột chịu nén và uốn theo một phương .41 Hình 2-9 Cách xác định n .42 Hình 2-10 Phương pháp tính toán cho cột chịu nén và uốn theo hai phương.44 Hình 3-1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm .46 Hình 3-2 Sơ đồ bố các thiết bị đo chuyển vị và biến dạng .46 Hình 3-3 Mất ổn định cục bộ của cột ống thép nhồi bê tông .47 Hình 3-4 Mối quan hệ giữa lực nén và chuyển vị dọc trục của mẫu cột liên hợp có t = 3,6mm .48 Hình 3-5 Mối quan hệ giữa lực nén và chuyển vị dọc trục của mẫu cột liên hợp có t = 5mm .49 Hình 3-6 Lưới phần tử hữu hạn.50 Hình 3-7 Phần tử khối SOLID185 .51 Hình 3-8 Mô hình đường đàn dẻo lý tưởng .52 Hình 3-9 Hiệu ứng kiềm chế nở hông của cột ống thép tròn nhồi bê tông .52 Hình 3-10 Mô hình ứng xử của bê tông được kiềm chế nở hông và không được kiềm chế nở hông .53 Hình 3-11 Phần tử Contact 173 .57 Hình 3-12 Phần tử targe 170 .57 Hình 3-13 Mất ổn định cục bộ thu được từ mô hình mô phỏng .58 viii Hình 3-14 So sánh mối quan hệ chuyển vị dọc trục và lực thu được từ mô phỏng và thí nghiệm với trường hợp t 3,6mm; fc 30MPa .59 Hình 3-15 So sánh mối quan hệ chuyển vị dọc trục và lực thu được từ mô phỏng và thí nghiệm với trường hợp t 3,6mm; fc 60MPa .59 Hình 3-16 So sánh mối quan hệ chuyển vị dọc trục và lực thu được từ mô phỏng và thí nghiệm với trường hợp t 3,6mm; fc 100MPa .60 Hình 3-17 So sánh mối quan hệ chuyển vị dọc trục và lực thu được từ mô phỏng và thí nghiệm với trường hợp t 5mm; fc 30MPa .60 Hình 3-18 So sánh mối quan hệ chuyển vị dọc trục và lực thu được từ mô phỏng và thí nghiệm với trường hợp t 5mm; fc 60MPa .61 Hình 3-19 So sánh mối quan hệ chuyển vị dọc trục và lực thu được từ mô phỏng và thí nghiệm với trường hợp t 5mm; fc 100MPa .61 Hình 3-20 Mối quan hệ giữa khả năng chịu nén của cột từ mô hình mô phỏng và cường độ chịu nén mẫu lập phương .65 ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Các loại mặt cắt cột liên hợp và đường cong uốn dọc tương ứng .30 Bảng 2-2 Hệ số khuyết tật đối với các đường cong uốn dọc .31 Bảng 3-1 Thành phần của các cấp bê tông 30 , 60, 100 MPa .45 Bảng 3-2 Kích thước mẫu và tính chất vật liệu dành cho khảo sát tham số .62 Bảng 3-3 So sánh khả năng chịu lực của cột tính theo mô hình mô phỏng và tính theo tiêu chuẩn Eurocode 4.1 Kết cấu liên hợp Theo nghĩa rộng, kết cấu liên hợp là sự phối hợp của hai hay một số dạng kết cấu hoặc vật liệu có những tính năng chịu lực khác nhau, đôi khi là trái ngược nhau, thành một hệ thống có khả năng chịu lực tối ưu. Việc sử dụng các vật liệu riêng sẽ không mang lại tính năng khai thác cao. Chỉ có sự phối hợp của nhiều vật liệu khác nhau thành vật liệu lai hay kết cấu liên hợp có những tính năng khai thác cao như cường độ cao, tính dẻo dai (ductility) cao, tính chống thấm và độ bền cao mới mang lại các cơ hội phát triển mới trong xây dựng.
Tính năng của kết cấu hợp thành, do đó, cao hơn hẳn tính năng của các kết cấu thành phần. Trong kết cấu liên hợp, lợi thế chịu lực của từng kết cấu hay vật liệu thành phần tiếp tục được phát huy và không có ảnh hưởng bất lợi đến tính năng của các vật liệu hay kết cấu thành phần khác. Kết cấu liên hợp thép bê tông là loại kết cấu sử dụng kết hợp bê tông và các loại thép hình, thép tấm làm việc đồng thời. Với giải pháp kết cấu liên hợp giữa thép và bê tông cốt thép (BTCT), kích thước các cấu kiện sẽ giảm đi đáng kể, dẫn đến giảm được trọng lượng công trình.
Bên cạnh đó kết cấu liên hợp này còn có nhiều ưu điểm so với kết cấu BTCT là khả năng chống ăn mòn, chịu lửa tốt, có thể sử dụng phương pháp thi công hiện đại… dẫn đến hiệu quả kinh tế cao. Để đảm bảo an toàn khai thác, kết cấu cần phải có tính dai và độ cứng lớn. Ở đây, các kết cấu liên hợp được tạo thành từ các bộ phận bằng bê tông và thép tỏ ra có ưu thế đặc biệt. Kết cấu liên hợp cũng là dạng kết cấu được ưu tiên sử dụng để phát huy tính năng của các vật liệu cường độ cao và vật liệu tính năng cao trong xây dựng hiện đại.
Khác với kết cấu BTCT thường có cốt chịu lực là các thanh thép tròn, kết cấu liên hợp thép- bê tông có cốt chịu lực bằng thép hình, thép tấm, thép ống. Các cốt này có thể nằm bên trong hoặc bên ngoài bê tông hoặc được liên kết với nhau để cùng làm việc. Kết cấu liên hợp được sử dụng phổ biến trong các công trình xây dựng giao thông, dân dụng. 2 Một yếu tố quan trọng trong kết cấu liên hợp là liên kết giữa bê tông và thép hình.
Để kết cấu làm việc thực sự “liên hợp”, dính bám giữa bê tông và thép hình phải gần như tuyệt đối, tránh lực trượt xảy ra. Hình 1-1 Sự mà việc không đồng thời (trái) và đồng thời (phải) của kết cấu liên hợp Vì vậy ngoài yếu tố dính bám về hóa học, kết cấu liên hợp thường có thêm liên kết cơ học là các neo (hay đinh) chống cắt giúp bê tông và thép hình làm việc đồng thời. Hình 1-2 Cấu tạo một số loại neo 3 1.2 Một số dạng kết cấu liên hợp 1.1 Sàn liên hợp Sàn liên hợp thường bao gồm một tấm tôn định hình dập nguội đặt dưới và bên trên là bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ (Hình 1-3, Hình 1-4). Tấm tôn bên dưới có nhiều tác dụng: - Sử dụng như một sàn thao tác chắc chắn, đảm bảo an toàn cho công nhân trong quá trình thi công - Đóng vai trò làm cốp pha trong quá trình đổ bê tông, giảm việc sử dụng các thanh chống trong quá trình thi công.
- Đóng vai trò làm cốt thép chịu kéo của bảng sàn trong quá trình sử dụng. - Các tấm tôn nhẹ nhưng có độ cứng cao, dễ dàng vận chuyển bởi 2-3 công nhân. Một nhóm công nhân khoảng 4 người có thể dễ dàng lắp đặt được 400 m2 sàn tôn. Do đó việc thi công rất dễ dàng.
Hình 1-3 Sàn liên hợp 4 Hình 1-4 Một số dạng tôn 1.2 Dầm liên hợp Dầm liên hợp thép- BTCT có cấu tạo gồm một dầm thép (thép cán nóng hoặc dầm tổ hợp hàn), một tấm sàn bằng bê tông (hoặc BTCT). Sàn bê tông được liên kết với bản cánh trên của dầm thép bằng hệ thống neo (liên kết) giúp cho cấu kiện được làm việc “liên hợp”, đồng thời. Hình 1-5 Dầm liên hợp Việc sử dụng kết cấu dầm liên hợp có nhiều ưu điểm: 5 - Dầm liên hợp có ưu điểm là kích thước nhỏ nhưng có độ cứng lớn, cho phép vượt được những nhịp lớn, đồng thời sẽ giảm số lượng các cột đỡ bên dưới, góp phần tăng không gian sử dụng.