Ảnh hưởng của bố trí các thanh thép hình chữ I đến khả năng chịu lực của dầm thép - bêtông liên hợp

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

ẢNH HƯỞNG CỦA BỐ TRÍ CÁC THANH THÉP
HÌNH CHỮ I ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC
CỦA DẦM THÉP - BÊTÔNG LIÊN HỢP
Vũ Thị Thu Thủy
Khoa Cơng trình, Đại học Thủy lợi, email:

1. GIỚI THIỆU CHUNG

Hiện nay, kết cấu thép - bê tông liên hợp
được áp dụng rộng rãi trên thế giới và trong
nước cho các lĩnh vực cầu đường, cơng trình
kỹ thuật, đặc biệt là nhà cao tầng.
Với các kết cấu thép - bê tơng liên hợp có
1 thanh thép hình đã có các tiêu chuẩn
Eurocode 4 và AISC 2010, 2016, hay (Hội,
2006) đưa ra các chỉ dẫn thiết kế. Tuy nhiên,
với kết cấu liên hợp có nhiều thanh thép hình
thì chưa có tiêu chuẩn nào đề cập tới, mặc dù
đã có một số nghiên cứu cả về thực nghiệm
lẫn mơ hình số. Các tác giả Lin Chen và nnk,
2015 hay Ying Qin và nnk, 2017 đã nghiên
cứu ứng xử của tường liên hợp với nhiều thép
hình. Toản, 2015 đã trình bày các kết quả
nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử của dầm
thép - bêtơng liên hợp có 3 chữ I và đưa ra
một số đề xuất về mô hình thiết kế cho loại
dầm này từ kết quả thí nghiệm. Hai tác giả
Toản và Thủy, 2016 đã sử dụng phần mềm
Abaqus để mô phỏng sự làm việc của dầm

liên hợp và kiểm định mơ hình với kết quả
thực nghiệm của Toản, 2015. Trong khi đó,
việc bố trí hay vị trí các thanh thép hình trong
tiết diện đặt như thế nào để phát huy tối đa
khả năng chịu lực của kết cấu, thì lại chưa có
những nghiên cứu đánh giá.
Chính vì vậy, trong phạm vi bài báo này,
tác giả sẽ dùng phần mềm Abaqus để mô
phỏng và đánh giá ảnh hưởng của việc bố trí
các thanh thép hình chữ I gia cường đến khả
năng chịu lực của dầm cho 4 trường hợp,
gồm 2 thanh thép hình giống và khác nhau
nhưng có cùng tổng tiết diện ở các vị trí khác
nhau trong mặt cắt ngang dầm.
62

2. PHẦN MỀM ABAQUS VÀ XÂY DỰNG
MƠ HÌNH

Các phần mềm phân tích kết cấu dùng
phương pháp phần tử hữu hạn thông dụng
hiện nay như SAP2000, ANSYS hay Abaqus.
Trong đó Abaqus là phần mềm mạnh có thể
mơ tả chi tiết các thành phần của kết cấu như
bêtông, cốt thép, thép hình riêng biệt và lắp
ráp chúng lại để tạo thành một mơ hình 3D
hồn chỉnh. Đặc biệt là Abaqus cho phép
người tính mơ tả mơ hình các vật liệu từ giai
đoạn đàn hồi, chảy dẻo và không đàn hồi cho
đến khi phá hủy. Thêm nữa các tác giả (Toản

và Thủy, 2016) đã sử dụng phần mềm này để
mơ hình hóa dầm thép - bêtơng liên hợp có
nhiều thép hình. Kết quả phù hợp giữa mơ
hình số với thí nghiệm đã cho thấy rằng phần
mềm Abaqus có thể dùng làm công cụ hữu
hiệu để mô phỏng cho các trường hợp dầm
trên. Do đó, Abaqus được lựa chọn để phân
tích kế cấu dầm thép - bêtơng liên hợp trong
nghiên cứu này.
Sơ đồ dầm được chọn là dầm đơn chịu uốn
phẳng với các kích thước (mm) như Hình 1.

Hình 1. Sơ đồ dầm dùng trong nghiên cứu


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

Chiều dài tính tốn của dầm được chọn
Lo =10m. Chiều dài thực của dầm L=11m.
Tâm các gối đỡ cách mép dầm 0,5m như
Hình 1. Kích thước tiết diện ngang chọn
bh=3555cm với tỉ lệ Lo /h=18 và h/b=1,57.
Bốn trường hợp tính tốn của dầm thép-bê
tơng liên hợp thể hiện ở Hình 2.
1)

2)
120

120

160

160

3)

4)
140

140

140

140

Bảng 1. Các thơng số của thép
Loại thép
IPE S355
 20
 12

fy (MPa)
355
365
290

fu (MPa)
380
390

310

Es (GPa)
210
200
200

Kiểu phần tử của bê tông và thép hình là
dạng khối (solid) C3D8R với 8 điểm nút,
được chia dưới dạng phân vùng, kích thước
là 50mm. Kiểu phần tử của thép dọc ϕ20 và
đai ϕ12 là dạng bó (truss) T3D2 với 2 điểm
nút (vì chúng chỉ chịu lực theo phương dọc
trục), kích thước là 25mm. Liên kết
“embedded - nhúng” được sử dụng cho các
thanh thép ϕ12 và ϕ20 với bê tông, và
“surface to surface - mặt với mặt” được sử
dụng cho thép hình và bê tơng.
Để dễ kiểm soát sự phá hoại của dầm, tải
trọng tác dụng được thay thế là chuyển vị tập
trung đặt ở giữa nhịp dầm, tăng dần đến
100mm hướng xuống dưới, tại điểm A trên
một mặt phẳng cứng tuyệt đối dài 25cm, rộng
bằng bề rộng dầm (Hình 1). Mỗi trường hợp
được thực hiện theo 300 bước gia tải.
3. KẾT QUẢ TÍNH TỐN

Hình 2. Mặt cắt ngang tiết diện dầm
với các vị trí khác nhau của các thép hình
Với tổng diện tích tiết diện chữ I của các

trường hợp tương đối như nhau 33cm2 .
Thơng số về đặc trưng hình học của thép chữ
I được lấy theo thép hình IPE chuẩn châu Âu.
Các thép thường được chọn giống nhau cho 4
trường hợp. Thép đai 12 (1,13cm2 ) với
bước đai là 20cm và 4 thanh thép dọc 20 có
gờ (3,14cm2) ở 4 góc của cốt đai như Hình 2,
lớp bê tơng bảo vệ dày 5cm.
Các thông số về vật liệu được chọn như
sau: bê tông được sử dụng để đúc dầm là C30
theo tiểu chuẩn Eurocode 2 với cường độ
chịu nén đặc trưng của bêtông mẫu hình trụ ở
tuổi 28 ngày fck =30MPa, cường độ chịu kéo
trung bình fctm=2,9MPa, mơ hình vật liệu sử
dụng trong Abaqus là phi tuyến. Thép hình
IPE S355 và thép thường có các thơng số như
Bảng 1. Trong đó fy là giới hạn chảy, fu là
giới hạn bền và Es là mơđun đàn hồi của thép.
63

Hình 3 biểu diễn mối quan hệ giữa tải
trọng tác dụng và chuyển vị theo phương
đứng tại điểm A của 4 trường hợp. Nó cho
thấy dầm thép - bêtông liên hợp khi đặt các
thanh chữ I nằm ngang (TH2, TH4) chịu lực
tốt hơn các thanh chữ I đặt đứng (TH1, TH3).
Cụ thể TH2 (2 thanh chữ I đặt nằm ngang,
thanh I120 ở trên và I160 ở dưới) có khả
năng chịu lực lớn nhất tương ứng với đường
liền ở trên cùng, trong khi đó TH3 (2 thanh

I140 đặt thẳng đứng) có khả năng chịu lực
nhỏ nhất ứng với đường chấm dưới cùng. Đó
là do trọng tâm của các thanh nằm ngang gần
với các mép nén và kéo hơn nên các thanh
chịu được nhiều ứng suất nén, kéo hơn so với
trường hợp 2 thanh đặt đứng. Thêm nữa bê
tông miền nén cùng chịu lực với thép dọc và
thép chữ I phía trên, trong khi miền kéo bê
tơng sớm bị nứt khơng tham gia vào q trình
chịu lực, nên trường hợp thanh chữ I bé đặt
trên, chữ I to đặt dưới sẽ hợp lý về mặt chịu
lực cũng như tiết kiệm thép.


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

Hình 3. Đường cong quan hệ giữa
tải trọng tác dụng và chuyển vị tại A (F~UA )
Hình 3 cũng cho thấy 3 giai đoạn của quá
trình chịu lực. Giai đoạn 1: Khi lực tác dụng
F50kN và chuyển vị tại A UA  4mm, dầm
làm việc trong giai đoạn đàn hồi, cả 4 trường
hợp đều có ứng xử như nhau với 4 đường
quan hệ F~UA trùng nhau (đây là giai đoạn
khi bêtông miền kéo chưa bị nứt); Giai đoạn
2: khi bêtông miền kéo đã bị nứt,
4mmtrong bêtơng miền nén và thép hình chịu kéo
tiếp tục phát triển thể hiện như Hình 4 và
Hình 5; Giai đoạn 3: dầm đạt đến trạng thái

giới hạn khi ứng suất trong thép hình chịu
kéo đạt giới hạn chảy 355MPa (UA =40
50mm, Hình 5) và bêtơng miền nén cũng
đạt tới cường độ (UA =50 60mm, Hình 4).

Hình 4. Quan hệ giữa ứng suất Mise
của bêtông miền nén và chuyển vị tại A

64

Hình 5. Quan hệ giữa ứng suất Mise
của thép hình chịu kéo và chuyển vị tại A
4. KẾT LUẬN

Kết quả phân tích, so sánh và đánh giá ảnh
hưởng của việc bố trí các thanh thép hình chữ
I khác nhau trong tiết diện dầm thép - bê tông
liên hợp đến khả năng chịu lực của 4 trường
hợp bằng Abaqus cho thấy: đặt các thanh chữ
I nằm ngang chịu lực tốt hơn các thanh chữ I
đặt đứng và nên đặt thanh chữ I bé đặt trên
miền nén, chữ I to đặt dưới vùng kéo sẽ hợp
lý về mặt chịu lực cũng như tiết kiệm thép.
Abaqus cũng khảo sát được sự phân bố ứng
suất giữa các vật liệu trong quá trình chịu lực.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] AISC2010. Specification for structural steel
buildings. American Concrete Institute.
[2] Eurocode 4, 2005: Design of composite
steel and concrete structures. Part 1.1:

General rules and rules for buildings .
[3] Phạm Văn Hội, 2006. Kết cấu liên hợp thép
bêtông dùng trong nhà cao tầng. NXB Khoa
học kỹ thuật, Hà Nội.
[4] Tran Van Toan, 2015. Experimental and
numerical study of composite steel-concrete
walls with several fully encas ed steel
profiles. PhD Thesis, France.
[5] T. V. Toản và V. T. T. Thủy, 2016. Nghiên
cứu dự làm việc của dầm bê tông cốt thép
cứng khi không có kết nối giữa bề mặt thép
hình và bê tơng chịu uốn đơn bằng mơ hình
số. Tạp chí Tài ngun nước - Hội Thủy lợi
Việt Nam, vol. 03.