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 TÔNG I. Định nghĩa kết cấu liên hợp thép - bê tông

Kết 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 tông dùng trong nhà cao tầng và siêu cao tầng

Lịch 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

1. Đặc điểm chính: Mặc dù hai loại vật liệu thép, bê tông về cơ bản khác nhau, nhưng chúng lại hoàn toàn phù hợp và bổ sung tính chất cho nhau như:
2. Hệ số dãn nở vì nhiệt gần như nhau.
3. Sự kết hợp lý tưởng của kết cấu bê tông rất hiệu quả khi chịu nén và thép chịu kéo.
4. Kết cấu thép có độ mảnh lớn và dễ mất ổn định, sự kết hợp với bê tông có thể ngăn cản sự mất ổn định này.
5. Lớp bê tông có tác dụng ngăn cản sự ăn mòn của môi trường đồng thời là lớp cách nhiệt bảo vệ kết cấu thép khi chịu nhiệt độ cao.
6. Kết cấu thép đem lại tính dẻo cho kết cấu liên hợp.
7. Ưu nhược điểm Ưu điểm của kết cấu liên hợp khi so sánh với kết cấu bê tông cốt thép: a] Kinh tế
8. Có khả năng chịu lực cao nhưng lại giảm được lượng thép kết cấu sử dụng trong công trình.
9. Đem lại hiệu quả kinh tế do giảm được kích thước và trọng lượng cấu kiện.
10. Đơn giản trong xây lắp, rút ngắn tiến độ, giảm được giá thành.
11. Tấm tôn định hình đóng vai trò sàn công tác đồng thời còn đóng vai trò bảo vệ công nhân khỏi vật thể rơi từ trên cao trong quá trình thi công. b] Chức năng
12. Kết cấu liên hợp có độ cứng lớn dẫn đến giảm được chuyển vị hoặc tăng được nhịp, giảm trọng lượng. Tăng không gian sử dụng và hiệu quả kiến trúc.
13. Bê tông ngăn cản được thép kết cấu khỏi mất ổn định cục bộ và tổng thể.
14. Chịu ảnh hưởng động đất tốt hơn do thép tăng được tính dẻo cho kết cấu.
15. Khả năng chịu lửa và chống ăn mòn của thép được tăng cường.

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.

1. Cốt thép a] Thép thanh theo Eurocode 4 và theo TCXDVN 356:
2. Thép thanh theo Eurocode 4:
3. Tiêu chuẩn Châu Âu EN 10080-3 đã đưa ra ba mác thép dùng cho kết cấu liên hợp: S220; S400 và S500, các con số ở ký hiệu chỉ giới hạn đàn hồi của từng loại fsk [N/mm 2 ].
4. Mác S220 là thép tròn trơn cán nóng, các mác S400 và S500 là thép thanh và tròn có gai [ kể cả lưới thép hàn] cho tính ma sát lớn
5. Môđun đàn hồi Es của cốt thép thanh giao động từ 190 đến 200 kN/ mm 2. Để đơn giản tính toán, kết cấu liên hợp cho phép lấy giá trị của thép kết cấu:

Es = Ea = 210 kN/ mm

Nhược điểm của kết cấu liên hợp

• Các ưu điểm kể trên chưa phù hợp với các công trình có quy mô nhỏ
• Tại Việt Nam, đây là loại hình kết cấu mới nên sẽ gặp nhiều khó khăn trong giai đoạn ứng dụng ban đầu

IV. Vật liệu sử dụng cho kết cấu

1. Bê tông:

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].

1. Dầm: Dầm liên hợp có thể là dầm thép được bọc một phần [hay hoàn toàn] bằng bê tông hoặc là loại dầm kết hợp với sàn thông qua các liên kết chống cắt nhằm đảm bảo sự làm việc đồng thời giữa chúng.

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 :

• Phân phối tải trọng
• Gia cường cục bộ tại các lỗ mở của bản
• Chống cháy, chịu Mômen âm phía trên và khống chế vết nứt do co ngót của bê tông. Vai trò của tấm tôn :
• Đóng vai trò là sàn công tác trong quá trình thi công
• Đóng vai trò là cốp pha vĩnh cửu cho cho sàn liên hợp
• Đóng vai trò là cốt thép lớp dưới của bản sàn liên hợp khi bê tông đã đông cứng.

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,

• Có lớp mạ kẽm mỏng ở 2 mặt để chống ăn mòn
• Thép tấm định hình là thép dập nguội. Sự dập nguội làm tăng độ bền cơ học của thép dẫn đến làm tăng khả năng chịu lực của tiết diện.
• Giới hạn đàn hồi của tấm tôn khoảng 300 N/mm’;
• Kích thước tiêu chuẩn của cốt liệu:
• 0,4 hc [hc- - chiều cao bê tông phía trên sườn]
• bo/3, [bo - bề rộng trung bình của sườn tấm tôn;
• 31,5 mm [kích thước mắt sàn rây cốt liệu]
• Yêu cầu đối với gối tựa : gối tựa của sàn liên hợp phải có bề rộng nhỏ nhất là 75mm đối với các loại khối thường như dầm thép hoặc dầm bê tông và 100mm đối với các loại gối ít gặp như gạch đá.

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

• Phá hoại theo tiết diện III ở gối tựa do lực cắt
  • Dựa trên tính chất của sự phá hoại:
    • Phá hoại giòn: xảy ra đột ngột, có biến dạng bé
    • Phá hoại dẻo: xảy ra từ từ kèm theo biến dạng lớn

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.

1. Chịu cắt của tấm theo trường ứng suất kéo a] Chịu cắt thép chung của vách liên hợp

• Phần vách bê tông cốt thép kí hiệu [RIC]: Các tấm vách tăng cường bằng bê tông cốt thép có thể được liên kết với một mặt, [20] hoặc cả hai thất của một tấm vách thép [hình 20, 20. c] hoặc có thể bố trí nằm giữa hai tấm vách thép [20].

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

• Chốt chịu cắt: Các chốt liên kết được sử dụng để liên kết phần vách thép với phần vách bê tông. Đối với bê tông đúc tại chỗ, thường dùng chốt có mũ chịu cắt, tấm vách bê tông đúc sẵn thì hay dùng liên kết bu lông. Kiểm tra bằng thí nghiệm vách liên hợp chịu lực cho thấy rằng Trong một số trường hợp, chốt neo không những chịu lực cắt mà còn có thể chịu kéo do mất ổn định cục bộ của tấm vách thép gây ra.
• Nút khung liên hợp: Nút khung liên hợp là nút liên kết giữa các cấu kiện kết cấu dầm và cột của khung liên hợp. Tùy từng giải pháp cấu tạo, nút khung liên hợp phân loại theo:
• Độ cứng: có các loại nút liên kết cứng, nửa cứng hoặc khớp
• Theo cường độ: có các loại nút chịu toàn bộ mômen, chịu một phần mômen hoặc không chịu mômen [liên kết khớp]. Như vậy, trong trường hợp nút liên kết cứng và chịu toàn bộ mômen thì tại đầu các cấu kiện dầm cột liên kết vào nút đều có góc xoay bằng nhau.

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

• Tiết diện hiệu quả: là tiết diện sau khi trừ đi phần mất ổn định cục bộ đối với những phần tiết diện chịu nén.
• Bề rộng hiệu quả:

Với

• Độ mảnh dưới tác dụng của
• Độ mảnh cho phép:
• Toàn bộ thành mỏng là hiệu quả nếu:
• Tiết diện hiệu quả:
• Tiết diện tính theo bề dày thực của tôn [đã trừ đi bề dày mạ kẽm,
• Tiết diện thực của các sườn cứng ngang:

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

1. Trong giai đoạn sử dụng: - Kiểm tra theo dạng phá hoại I [khi chịu mômen dương, trục trung hòa nằm trên sườn tôn]

KẾT CẤU MỚI C - LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN

• Kiểm tra theo dạng phá hoại I [khi chịu mômen âm]:

Kiểm tra theo dạng phá hoại II: Phương pháp m-k sử dụng lực cắt ngang để tính khả năng chịu lực cắt dọc