So sánh kết cấu thép bê tông và composite năm 2024
Bê tông nhẹ (LWC) đã và đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới cho cầu đường bộ cũng như cầu đường sắt. Cầu Mặt trời (1992), cầu Lewis & Clark (1996) và cầu Greenland (1996) là một số ví dụ điển hình cho việc ứng dụng thành công bê tông nhẹ vào công tác xây dựng cầu. Ưu điểm của bê tông nhẹ đã được chứng minh bằng sự giảm về khối lượng của kết cấu cầu, do đó làm tăng khả năng chịu hoạt tải của kết cấu. Khối lượng của bê tông nhẹ có thể giảm tới 25% so với những kết cấu bê tông thông thường, đặc biệt giúp đẩy nhanh quá trình lắp ráp và chi phí vận chuyển bằng việc dùng những cấu kiện đúc sẵn. Tại Việt Nam, bê tông nhẹ đã được ứng dụng trong một số kết cấu tòa nhà như Khách sạn Fortuna, Trung tâm Thể thao Long Biên, Nhà hàng Green Place và đều được đánh giá cao bởi chủ đầu tư cũng như người sử dụng. Ý tưởng ứng dụng bê tông nhẹ cho kết cấu cầu đã được phát triển những năm gần đây, phân tích kĩ thuật và về khía cạnh kinh tế của kết cấu bê tông nhẹ đã được tiến hành và so sánh với những kết cấu cầu bê tông thông thường [2]. Đối với các cầu dầm đường sắt, chi phí cho tà vẹt gỗ bây giờ khá cao do yếu tố bảo vệ môi trường, do đó việc thay thế tà vẹt gỗ bằng các tà vẹt làm từ bê tông nhẹ là điều cần thiết và cũng có thể là một giải pháp hiệu quả trong tương lai. Nghiên cứu đề xuất ý tưởng sử dụng bản bê tông nhẹ cốt GFRP thay thế cho tà vẹt gỗ trên các cầu đường sắt (Hình 2.1). Thiết kế sơ bộ ban đầu đã được đưa ra cùng với những thiết kế hình học và kỹ thuật theo tiêu chuẩn Việt Nam. Tuy nhiên, nên thêm vào một số phân tích để có khả năng kiểm soát tốt hơn ứng xử của bản bê tông dưới tác động của tĩnh tải và hoạt tải. Các kết quả thu được từ các phân tích động và tĩnh, bao gồm tần số cơ bản của bản và các hình dạng mode, hệ số khuếch đại động, độ võng lớn nhất, phân bố ứng suất giữa các kết quả khác nhau đều được đề cập và thảo luận. Kết quả nghiên cứu góp phần đánh giá tính khả thi của dạng kết cấu mới này khi dùng thay thế cho tà vẹt gỗ trên cầu đường sắt. Hàn Việt là cơ sở sản xuất nắp mương uy tín với nhiều mẫu mã cũng độ chịu tải khác nhau. Không chỉ cung cấp các sản phẩm bằng gang mà Hàn Việt còn trực tiếp sản xuất dòng nắp bể cáp, nắp hố ga bằng Composite với những tính năng vượt trội. Dựa vào bảng phân loại các hệ thống kết cấu kể trên, ta thấy được loại kết cấu liên hợp thép - BTCT sử dụng được cho hầu hết các loại nhà cao tầng, đặc biệt là các tòa nhà siêu cao tầng (Super Highrise Building) Bảng 1: Phân loại các hệ thống kết cấu theo vật liệu sử dụng B - KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNGI. Định nghĩa kết cấu liên hợp thép - bê tôngKết cấu liên hợp thép bêtông là loại kết cấu sử dụng thép kết cấu (structural steel) kết hợp bê tông hoặc bê tông cốt thép để chúng cùng tham gia chịu lực. Một số cấu kiện liên hợp thép - bê tông II. Lịch sử hình thành và phát triển của kết cấu liên hợp thép - bê tôngdùng trong nhà cao tầng và siêu cao tầngLịch sử phát triển của kết cấu liên hợp thép - bê tông gắn liền với quá trình phát triển của kết cấu bê tông cốt thép và kết cấu thép. Tại Mỹ vào năm 1894, kết cấu liên hợp thép - bê tông được áp dụng lần đầu tiên để xây cầu Rock Rapids dạng vòm. Và từ sau những năm 1950 kết cấu liên hợp rất được phổ biến để xây dựng các công trình nhà cao tầng ở Mỹ, điển hình như: Toà án liên bang ở Brooklyn New York (1960), SDS & Khiu ston (24 tầng), Major Bank & Dallas (35 tầng), Atlantic Centre Project (221m)... Năm 1944, tính toán thiết kế kết cấu liên hợp được đưa vào tiêu chuẩn quốc gia AASHO (The American Association of State Highway Officials). Tại Châu Âu, kết cấu liên hợp thép - bê tông được dùng chỉ với mục đích ban đầu là chống ăn mòn cho thép và chịu lửa. Tại Anh năm 1900, người ta bắt đầu sử dụng kết cấu liên hợp, tuy nhiên việc tính toán kết cấu coi như kết cấu thép, phần bê tông chỉ đóng vai trò lớp bảo vệ. Tới năm 1908 một số thí nghiệm đầu tiên về khả năng chịu lực của kết cấu liên hợp mới được tiến hành. Nước Đức cũng quan tâm đến kết cấu liên hợp và ban hành tiêu chuẩn quốc gia DIN 1078 từ rất sớm, sau chiến tranh thế giới lần II, một loạt các công trình bằng kết cấu liên hợp. thép - bê tông được xây dựng cho các công trình nhà cửa và cầu đường. Nga bắt đầu dùng kết cấu liên hợp thép bê tông vào những năm 40 của thế kỷ 19, dùng làm dầm cầu (qua sông Neva ở Pê-téc-bua, qua sông Ixét nối Kamenskơ - Uranski...). Tại Nhật Bản, kết cấu liên hợp thép - bê tông xuất hiện từ năm 1910. Chúng được ứng dụng rộng rãi để làm các nhà cao tầng, nhất là sau đại chiến thế giới lần II. Tiêu chuẩn thiết kế quốc gia về loại kết cấu này được ra đời vào năm 1958 gọi là SRC Standard (Steel Reinforced Concrete). Hiện nay rất nhiều các nhà cao tầng, siêu cao tầng ở Nhật được làm từ kết cấu liên hợp, vì vậy chúng vẫn đứng vững qua các trận động đất. McGraw-Hill Building, Chicago 1929 Tòa nhà đã sử dụng loại cột Emperger: Cột bê tông có lõi gang đặc III. Ưu nhược điểm của kết cấu liên hợp thép - bê tông
Bảng 3: So sánh kích thước dầm liên hợp và dầm không liên hợp khi cùng khả năng chịu lực Bảng 4: So sánh kích thước dầm, cột liên hợp và dầm, cột BTCT khi cùng khả năng chịu lực Bảng 5: Các đặc trưng cơ học của bê tông theo TCVN 356: Bảng 6: Các đặc trưng cơ học của bê tông theo EC Bảng 7: Chuyển đổi các giá trị của mẫu hình trụ (EC) về mẫu lập phương (TCVN) Khi thiết kế kết cấu liên hợp thép bê tông theo Tiêu chuẩn Eurocode 4 có thể lấy các mác bê tông theo TCXDVN tương đương với lớp độ bền của bê tông theo Eurocode 4 rồi sử dụng lý thuyết thiết kế theo Eurocode 4. Cần lưu ý rằng theo quy định của Eurocode 4 thì để chế tạo kết cấu liên hợp thép bê tông chỉ được dùng bê tông có Mác 350 (B27,5) trở lên theo TCXDVN.
Es = Ea = 210 kN/ mm Nhược điểm của kết cấu liên hợp
IV. Vật liệu sử dụng cho kết cấu
Các dạng tiết diện cột liên hợp thép bê tông Tiết diện cột bọc bê tông (hình 6a, 6b, 6c) thường được sử dụng trong dân dụng vì lớp bê tông bọc bên ngoài đóng vai trò là lớp bảo vệ chống cháy, ngoài ra, cốt thép dọc cũng được bổ sung để tạo khả năng liên kết. Với loại tiết diện cột bọc bê tông một phần (hình 6b, 6c) thi công dễ dàng, nó cung cấp bề mặt thép để hàn và tạo các mối liên kết. Tiết diện thép rỗng nhồi bê tông (hình 6d, 6e, 6f) không cần dùng cốp pha; sử dụng vật liệu hiệu quả hơn cột thép I bọc bê tông tương đương. Bê tông nhồi làm tăng đáng kể khả năng chịu nén của thép trần bằng cách chia sẻ tải trọng và ngăn không cho thép bị oằn cục bộ. Loại cột này phù hợp với thể loại công trình cho phép cấu kiện có lớp bảo vệ nhẹ (sơn chống cháy) hoặc không có lớp bảo vệ. Có 2 dạng: cột thép rỗng hình chữ nhật và hình tròn. Tiết diện hình chữ nhật có ưu điểm là dễ tạo liên kết dầm-cột hơn tiết diện tròn (sử dụng liên kết khoan nhiệt hoặc bu lông).
Một số loại dầm liên hợp Có 3 giải pháp dầm liên hợp thép - bê tông phổ biến: Dầm dưới sàn (Down stand beams); Giải pháp dầm nhịp dài (Long span solutions); Giải pháp dầm sàn nông (Shallow floor beams) Dầm dưới sàn (Down stand beams) là loại dầm composite phổ biến, có tấm sàn composite nằm trên đỉnh của dầm dưới, được kết nối với nhau bằng các đinh hàn chống cắt. Ở hình thức kết cấu này - tấm tôn thép đóng vai trò là ván khuôn lót phía trên hệ dầm thép, và là lớp thép chịu lực phía dưới của sàn bê tông (thép chịu momen dương của sàn). Tấm tôn thép được nâng lên theo từng bó, sau đó tiến hành lắp đặt thủ công. Điều này làm giảm đáng kể lực nâng của cần trục so với giải pháp sử dụng tấm bê tông đúc sẵn. Một số loại Dầm dưới sàn Thành phần điển hình của loại dầm dưới sàn Giải pháp dầm nhịp dài (Long span solutions) là 1 cải tiến của dầm dưới sàn: lõi thép I được thay thế bằng tổ hợp các dầm dàn. Nhờ đó, dầm nhịp dài chịu tải trọng tốt hơn, giảm tiết diện dầm, chống cháy tốt hơn loại dầm composite thông thường. Giải pháp này phù hợp với các công trình có nhịp lớn như nhà công nghiệp, nhà cao tầng, công trình cầu đường,... Mặt cắt cấu tạo loại dầm nhịp dài Chi tiết cấu tạo loại dầm nhịp dài Sàn nông mang lại nhiều lợi ích như giảm thiểu chiều cao tổng thể của tòa nhà hoặc tối đa hóa số tầng đối với chiều cao tòa nhà nhất định. Đồng thời, việc sàn không lộ dầm giúp bố trí hệ thống kỹ thuật dưới sàn 1 cách dễ dàng. Sàn liên hợp sử dụng phổ biến trong nhà cao tầng bao gồm các thành phần: tấm thép tôn định hình, cốt thép và bê tông đổ tại chỗ. Sự làm việc của sàn liên hợp thép – bê tông là nhờ vào sự tiếp xúc giữa bê tông và thép. Sàn liên hợp thép – bê tông là bản sàn một phương, các bản sàn gác lên các dầm phụ được đỡ bởi các dầm chính đặt vuông góc với dầm phụ và gác lên các cột. Tùy theo ô bản lớn hay bé mà sử dụng thanh chống trong quá trình thi công, các ô bản có nhịp nhỏ hơn 3 thì không cần sử dụng thanh chống. Cốt thép trong bản liên hợp được dùng để :
Yêu cầu cấu tạo sàn liên hợp: - Chiều dày của tấm tôn từ 0,75 – 1,0 mm. - Nếu sàn làm việc liên hợp với dầm hoặc sử dụng như vách cứng,
Một số hình dáng của tấm tôn định hình Hai loại tôn định hình chính Các dạng liên kết điển hình trong sàn liên hợp Các dạng phá hoại lên sàn liên hợp: - Dựa trên tiết diện phá hoại + Phá hoại theo tiết diện I ở giữa nhịp do mô men + Phá hoại theo chiều dài trượt dọc Ls của tiết diện II do lực trượt của liên kết thép - bê tông. Ls = L/4 khi sàn chịu tải phân bố đều = khoảng cách từ vị trí đặt tải đến gối tựa gần nhất khi sàn chịu tải tập trung
Sự làm việc của từng bộ phận vách liên hợp: + Vách thép: Trong vách liên hợp các tấm thép tham gia chịu lực cắt tầng theo trường ứng suất kéo theo đường chéo, như vậy các lực cắt tầng được truyền theo phương đường chéo theo miền chịu kéo của vách thép.
Trong tất cả các trường hợp, tường bê tông cốt thép cần đáp ứng yêu cầu chịu lực, thông qua khả năng chịu nén của nó (thể hiện ở hình 22) và khả năng chịu kéo tùy thuộc vào lượng cốt thép được bố trí trong phần vách bê tông. Vách R/C cũng tăng momen chống lật. Lực cắt chịu bởi môi trường ứng suất nén theo đường chéo của tấm bê tông
Một số nút khung liên kết dầm - cột liên hợp bê tông bọc thép I (cột SRC) Mặt cắt cấu tạo 2 loại nút khung liên kết cột SRC a b c d e Một số loại nút khung liên kết dầm - cột liên hợp nhồi bê tông (Cột CFT) Cấu tạo một số nút liên kết dầm - cột liên hợp CFT a. Liên kết xuyên dầm b. Liên kết có tấm Diaphragm c. Liên kết bằng bản nẹp chữ T d. Liên kết bu lông với bản cuối e. Kết nối T-stub bắn bu lông
Với
Điều kiện sườn cứng đảm bảo độ cứng: Với As là diện tích hiệu quả của sườn (bao gồm tiết diện sườn và hai nửa tiết diện hiệu quả của hai tấm liền kề) Nếu điều kiện trên không đảm bảo cần phải tính cả hai thành mỏng hai bên sườn
KẾT CẤU MỚI C - LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN
Kiểm tra theo dạng phá hoại II: Phương pháp m-k sử dụng lực cắt ngang để tính khả năng chịu lực cắt dọc |