Dầm liên hợp thép bê tông với tiết diện dầm thép chìm trong bản sàn bê tông.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

HÀN NGỌC ĐỨC

DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG VỚI TIẾT DIỆN DẦM THÉP
CHÌM TRONG BẢN SÀN BÊ TƠNG
Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng
Mã số: 9580201

LUẬN ÁN TIẾN SỸ

Hà Nội - Năm 2022


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI

HÀN NGỌC ĐỨC

DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG VỚI TIẾT DIỆN DẦM THÉP
CHÌM TRONG BẢN SÀN BÊ TƠNG
Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng
Mã số: 9580201

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
1. PGS. TS. Vũ Anh Tuấn
2. GS. TS. Phạm Văn Hội

Hà Nội - Năm 2022

iii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan những nội dung trong Luận án Tiến sỹ “Dầm liên hợp thép bê
tông với tiết diện dầm thép chìm trong bản sàn bê tơng” là kết quả cơng trình nghiên
cứu khoa học của riêng tơi.
Các số liệu và kết quả trình bày trong Luận án là trung thực, khách quan và chưa
từng được công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác ngồi danh sách các cơng trình
khoa học của nghiên cứu sinh liên quan đến Luận án.
Hà nội, ngày 8/11/2022

Hàn Ngọc Đức


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường Đại học Xây dựng Hà
Nội, Lãnh đạo Phòng Quản lý Đào tạo, Phòng Tổ chức Cán bộ, Ban chủ nhiệm
Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp đã tạo điều kiện, hỗ trợ và giúp đỡ tơi
trong q trình thực hiện Luận án.
Tơi xin bày tỏ sự biết ơn sâu sắc, sự kính trọng tới Hai người hướng dẫn khoa học
của tôi, PGS. TS. Vũ Anh Tuấn và GS. TS Phạm Văn Hội. Trong suốt quá trình học
tập và nghiên cứu, Hai thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ, tạo các điều
kiện thuận lợi nhất để tơi hồn thành Luận án.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cơ tại Bộ mơn Cơng trình Thép
- Gỗ, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội - nơi tôi học tập, nghiên cứu, và công tác
trong những năm vừa qua. Tôi xin ghi nhận sự giúp đỡ và đóng góp ý kiến của các
nhà khoa học trong và ngoài Trường đã giúp tơi bổ sung, hồn thiện Luận án.
Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn tới Cha Mẹ, những người đã sinh thành, nuôi
dưỡng, giáo dục, và luôn ủng hộ tôi trên con đường đã lựa chọn. Xin cảm ơn Vợ và

các con đã luôn ở bên cạnh chia sẻ, động viên, tạo động lực để tơi sớm hồn thành
Luận án. Xin tri ân người thân, bạn bè, đồng nghiệp đã quan tâm, giúp đỡ tôi trong
thời gian qua.
Hàn Ngọc Đức


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN......................................................................................................... iii
LỜI CẢM ƠN.............................................................................................................. iv
MỤC LỤC..................................................................................................................... v
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT.......................................................... xii
DANH MỤC BẢNG BIỂU....................................................................................... xvii
DANH MỤC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ................................................................. xix
MỞ ĐẦU....................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài.................................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu.............................................................................................. 3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu........................................................................... 3
4. Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn....................................................................... 4
5. Phương pháp nghiên cứu........................................................................................ 4
6. Những đóng góp mới của luận án........................................................................... 5
7. Cấu trúc và nội dung luận án.................................................................................. 5
CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TƠNG

CĨ CHIỀU CAO NHỎ.................................................................................................. 7
1.1. Dầm liên hợp thép bê tơng có chiều cao tiết diện nhỏ...................................... 7
1.2. Liên kết chịu trượt dọc trong dầm liên hợp có chiều cao nhỏ.........................16
1.2.1 Nghiên cứu của H. P. Andrä cùng F. Leonhardt............................................... 20
1.2.2 Nghiên cứu của E. C. Oguejiofor và M. U. Hosain.......................................... 21

1.2.3 Nghiên cứu của D. Kraus và O. Wurzer........................................................... 22
1.2.4 Nghiên cứu của U. Yoshitaka và cộng sự......................................................... 23


1.2.5 Nghiên cứu của S. B. Medberry và B. M. Shahrooz........................................ 23
1.2.6 Nghiên cứu của S. Peltonen và M. V. Leskelä................................................. 24
1.2.7 Nghiên cứu của S. Y. K. Al-Darzi và cộng sự.................................................. 24
1.2.8 Nghiên cứu của J.da.C. Vianna và cộng sự...................................................... 25
1.2.9 Nghiên cứu của J J. H. Ahn và cộng sự............................................................ 26
1.2.10 Nghiên cứu của B.Y. Huo.............................................................................. 26
1.2.11 Nghiên cứu của M. Braun và cộng sự............................................................ 28
1.2.12 Nghiên cứu của Emad và cộng sự.................................................................. 29
1.2.13 Nghiên cứu của Toi Limazie và Shiming Chen.............................................. 29
1.3. Tóm lược chương 1......................................................................................... 30
CHƯƠNG 2.

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ

TƠNG NDBEAM........................................................................................................ 31
2.1. Đề xuất hình dạng tiết diện dầm liên hợp NDBeam........................................ 31
2.1.1. Các yêu cầu của dầm liên hợp có chiều cao tiết diện nhỏ............................... 31
2.1.2. Đề xuất hình dạng tiết diện dầm thép NDBeam.............................................. 32
2.1.3. Đề xuất hình dạng tiết diện chốt bê tơng trong dầm NDBeam........................34
2.1.4. Đánh giá tiết diện dầm liên hợp NDBeam đề xuất.......................................... 35
2.1.5. Giới hạn nghiên cứu của dầm liên hợp NDBeam............................................ 37
2.2. Tính tốn dầm liên hợp NDBeam................................................................... 38
2.2.1. Vật liệu........................................................................................................... 38
2.2.1.1. Thép kết cấu......................................................................................... 38
2.2.1.2. Cốt thép................................................................................................ 38
2.2.1.3. Bê tông................................................................................................. 38

2.2.2. Các giả thiết tính tốn..................................................................................... 39
2.2.3. Phân vùng bê tông và thép kết cấu của dầm liên hợp NDBeam......................40


2.2.3.1. Phân vùng bê tông................................................................................ 40
2.2.3.2. Phân vùng thép kết cấu........................................................................ 42
2.2.4. Sức kháng mô men bền dẻo dương của dầm liên hợp NDBeam.....................44
2.2.4.1. Trục trung hịa dẻo nằm phía trên bản cánh trên của dầm thép............44
2.2.4.2. Trục trung hòa dẻo nằm trong bản cánh trên của dầm thép..................45
2.2.4.3. Trục trung hịa dẻo đi qua bụng dầm thép phía trên lỗ mở...................46
2.2.4.4.Trục trung hòa dẻo đi qua lỗ mở bụng dầm thép, phía trên mặt tơn sàn47
2.2.4.5. Trục trung hịa dẻo đi qua lỗ mở bụng dầm, trong vùng chiều cao sóng
tơn………........................................................................................... 48
2.2.4.6. Trục trung hịa dẻo đi qua bản cánh đỡ tơn sóng định hình..................49
2.2.4.7. Trục trung hịa dẻo đi qua bụng dưới của dầm thép.............................51
2.2.4.8. Trục trung hòa dẻo đi qua cánh dưới của dầm thép.............................. 52
2.2.5. Xác định sức kháng cắt đứng, khả năng chịu uốn và cắt đồng thời của dầm
liên hợp NDBeam........................................................................................... 53
2.2.5.1. Sức kháng cắt đứng của dầm liên hợp.................................................. 53
2.2.5.2. Khả năng chịu uốn và lực cắt đồng thời............................................... 53
2.2.6.

Xác định sức kháng trượt dọc và mức độ liên kết của dầm liên hợp
NDBeam54

2.2.6.1. Sức kháng trượt dọc của dầm NDBeam do chốt bê tông CD-iZ..........54
2.2.6.2. Mức độ liên kết.................................................................................... 54
2.2.7. Độ võng của dầm liên hợp NDBeam.............................................................. 54
2.2.7.1. Độ cứng của dầm liên hợp NDBeam................................................... 54
2.2.7.2. Độ võng dầm liên hợp.......................................................................... 56

2.2.8. Liên kết khơng hồn tồn................................................................................ 56
2.3. Tóm lược chương 2............................................................................................ 56
CHƯƠNG 3.

ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA CHỐT BÊ TÔNG CHỊU TRƯỢT DỌC58

3.1. Thí nghiệm đẩy của chốt bê tơng CD-iZ......................................................... 58
3.1.1. Vật liệu chế tạo mẫu....................................................................................... 58
3.1.1.1. Thép kết cấu......................................................................................... 58
3.1.1.2. Bê tông................................................................................................. 58


3.1.2. Mẫu thí nghiệm............................................................................................... 60
3.1.2.1. Nhóm mẫu T1G*, T1GT*, T1GW* và T1G........................................ 61
3.1.2.2. Nhóm mẫu T2G................................................................................... 61
3.1.2.3. Nhóm mẫu T3G và T3F....................................................................... 62
3.1.2.4. Nhóm mẫu B3G................................................................................... 63
3.1.2.5. Nhóm mẫu ND3G................................................................................ 63
3.1.3. Thí nghiệm...................................................................................................... 64
3.1.3.1. Nguyên tắc thí nghiệm......................................................................... 64
3.1.3.2. Xác định sơ bộ sức kháng cắt của mẫu (tải trọng) thí nghiệm..............64
3.1.3.3. Sơ đồ thí nghiệm.................................................................................. 65
3.1.4. Kết quả thí nghiệm.......................................................................................... 66
3.1.4.1. Quan hệ giữa tải trọng và trượt dọc của nhóm mẫu T1G*, T1GW* và
T1GT*……........................................................................................ 66
3.1.4.2. Quan hệ giữa tải trọng và trượt dọc của mẫu T1G, T2G và T3G.........68
3.1.4.3. Quan hệ giữa tải trọng và trượt dọc của mẫu B3G và ND3G...............70
3.1.4.4. Quan hệ giữa tải trọng và trượt dọc của mẫu T3F................................ 71
3.1.5. Phân tích kết quả thí nghiệm........................................................................... 73
3.1.5.1. Sự phá hoại của mẫu............................................................................ 73

3.1.5.2. Cơ chế phá hoại của mẫu..................................................................... 74
3.1.5.3. Ảnh hưởng của các tham số đến khả năng chịu trượt dọc của chốt......75
3.1.5.4. Ảnh hưởng của số lượng lỗ mở đến sự làm việc đồng thời..................77
3.1.5.5. Ảnh hưởng của số lượng bản bụng cắt qua chốt bê tông......................78
3.1.5.6. Ảnh hưởng của bản cánh giữa trong nhóm mẫu ND............................ 79
3.1.5.7. Ảnh hưởng của thành phần ma sát....................................................... 80
3.2. Xác định sức kháng trượt dọc của chốt bê tông............................................... 81
3.2.1. Đề xuất công thức xác định sức kháng cắt cho 01 chốt bê tông CD-iZ...........81
3.2.1.1. Cơ sở thiết lập công thức..................................................................... 81
3.2.1.2. Giá trị hệ số điều chỉnh........................................................................ 82
3.2.1.3. Công thức đề xuất khả năng chịu lực trượt của một chốt bê tông........86


3.2.2.

Đánh giá công thức đề xuất với các công thức đã công bố của các tác giả
khác87

3.2.2.1. So sánh kết quả tính tốn theo lí thuyết với kết quả thí nghiệm của
nhóm mẫu T1G*, T1GW* và T1GT*.................................................. 87
3.2.2.2. So sánh kết quả tính tốn theo lí thuyết với kết quả mô phỏng số........88
3.2.3. Đề xuất công thức xác định sức kháng cắt của mẫu T có nhiều chốt..............92
3.2.4. Đề xuất công thức xác định khả năng chịu trượt dọc của dầm NDBeam........93
3.3. Tóm lược chương 3......................................................................................... 93
CHƯƠNG 4.

XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ DẦM LIÊN HỢP

NDBEAM VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA QUY TRÌNH THIẾT KẾ................96
4.1. Quy trình thiết kế dầm liên hợp NDBeam....................................................... 96

4.1.1 Bước 1 - Số liệu thiết kế.................................................................................. 96
4.1.2 Bước 2 – Thiết kế dầm NDBeam trong giai đoạn thi công..............................96
4.1.3Bước 3 – Thiết kế dầm NDBeam trong giai đoạn liên hợp (giai đoạn sử dụng)96
4.2. Xây dựng chương trình thiết kế dầm liên hợp NDBeam (NDP)......................97
4.2.1. Sơ đồ khối của chương trình........................................................................... 97
4.2.2. Chương trình NDP.......................................................................................... 98
4.2.2.1. Các mơ đun của chương trình NDP..................................................... 98
4.2.2.2. Giao diện của chương trình NDP....................................................... 99
4.3. Đánh giá độ tin cậy của quy trình thiết kế dầm NDBeam.............................100
4.3.1. Số liệu tính tốn............................................................................................ 100
4.3.1.1. Kích thước hình học........................................................................... 100
4.3.1.2. Vật liệu thép và bê tơng..................................................................... 102
4.3.2. Tính tốn theo chương trình NDP................................................................. 103
4.3.3. Mơ phỏng dầm liên hợp NDBeam bằng mơ phỏng ABAQUS.....................103
4.3.3.1. Mơ hình vật liệu................................................................................. 103
4.3.3.2. Lựa chọn dạng phần tử....................................................................... 108
4.3.3.3. Mô phỏng dầm NDBeam................................................................... 110


4.3.4. Đánh giá độ tin cậy của quy trình thiết kế đề xuất........................................ 116
4.3.4.1. So sánh kết quả tính khả năng chịu uốn của dầm NDBeam...............116
4.3.4.2. So sánh kết quả tính độ võng của dầm NDBeam...............................117
4.4. Tóm lược chương 4....................................................................................... 118
KẾT LUẬN............................................................................................................... 120
1.

Kết luận......................................................................................................... 120

2.

Hướng phát triển tiếp theo của luận án.......................................................... 121

TUYỂN TẬP CÁC BÀI BÁO CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
LUẬN ÁN TRÊN CÁC TẠP CHÍ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH.......................122
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 123
PHỤ LỤC A.

GIAO DIỆN CHƯƠNG TRÌNH ................................................... PL-1

A.1. Hộp thoại nhập dữ liệu hình học dầm ..........................................................PL-1
A.2. Hộp thoại nhập dữ liệu vật liệu ....................................................................PL-1
A.3. Hộp thoại nhập dữ liệu kích thước hình học tiết diện dầm thép ..................PL-2
A.4. Hộp thoại nhập dữ liệu nhập dữ liệu tơn sóng định hình .............................PL-2
A.5. Hộp thoại nhập dữ liệu thơng số hình học sàn bê tông ................................PL-3
A.6.

Hộp

thoại

nhập

dữ

liệu

chốt

bê

tông ............................................................PL-3 A.7. Hộp thoại nhập dữ liệu tải
trọng ...................................................................PL-4 A.8. Hộp thoại nhập dữ
liệu tổ hợp tải trọng........................................................PL-4 A.9. Hộp thoại
nhập giá trị giới hạn độ võng dầm ...............................................PL-5
A.10. Hộp thoại kết quả kiểm tra dầm trong giai đoạn thi công ............................PL-5


A.11. Hộp thoại kết quả kiểm tra dầm trong giai đoạn liên hợp............................ PL-5
PHỤ LỤC B.

MÃ CHƯƠNG TRÌNH.................................................................. PL-7

B.1. Biến số ..........................................................................................................PL7
B.2. Phân loại tiết diện .......................................................................................PL-10
B.3. Xác định đặc trưng của tiết diện .................................................................PL-14
B.4. Xác định bề rộng hiệu quả..........................................................................PL-16
B.5. Xác định vị trí trục trung hịa đàn hồi và độ cứng của dầm liên hợp .........PL-16
B.6. Xác định vị trí trục trung hịa dẻo và mơ men bề dẻo dương .....................PL18

B.7.

Xác

định

mức

kết............................................................................PL-21

dộ

liên


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Các chữ cái Latin viết hoa
A

diện tích của tiết diện cấu kiện

Aa

diện tích tiết diện dầm thép hộp

Ac

diện tích nén của thành lỗ lên chốt bê tơng

Aa1

diện tích phần thép kết cấu (1) của dầm liên hợp NDBeam

Aa2

diện tích phần thép kết cấu (2) của dầm liên hợp NDBeam

Aa3

diện tích phần thép kết cấu (3) của dầm liên hợp NDBeam

Aa4

diện tích phần thép kết cấu (4) của dầm liên hợp NDBeam

Aa5

diện tích phần thép kết cấu (5) của dầm liên hợp NDBeam

Ac1

diện tích vùng bê tơng (1) của dầm liên hợp NDBeam

Ac2

diện tích vùng bê tơng (2) của dầm liên hợp NDBeam

Ac3

diện tích vùng bê tơng (3) của dầm liên hợp NDBeam

Ac4

diện tích vùng bê tơng (4) của dầm liên hợp NDBeam

Ac5

diện tích vùng bê tơng (5) của dầm liên hợp NDBeam

Ac6

diện tích vùng bê tơng (6) của dầm liên hợp NDBeam

Av

diện tích chịu cắt dầm thép

At

diện tích mặt cắt ngang chốt bê tơng

As

diện tích tiết diện thanh thép qua lỗ mở

COV

Hệ số biến động

CD-C

lỗ mở chữ C

CD-SL

lỗ mở rãnh dài

CD-Z

lỗ mở hình thang

CD-iZ

lỗ mở hình thang ngược

D

chiều cao mẫu ép chẻ

Ea

mođun đàn hồi của thép kết cấu

Ec

mođun đàn hồi của bê tông

Ecm

mođun đàn hồi cát tuyến của bê tơng có kể đến ảnh hưởng của các


tác động ngắn hạn
E.N.A.

trục trung hịa đàn hồi

FEA

phân tích phần tử hữu hạn

I1

mơmen qn tính của dầm liên hợp NDBeam

Ic1

mơmen qn tính vùng bê tơng (1) của dầm liên hợp NDBeam

Ic2

mơmen qn tính vùng bê tơng (2) của dầm liên hợp NDBeam

Ic3

mơmen qn tính vùng bê tơng (3) của dầm liên hợp NDBeam

Ic4

mơmen qn tính vùng bê tơng (4) của dầm liên hợp NDBeam

Ic5

mơmen qn tính vùng bê tơng (5) của dầm liên hợp NDBeam

Ic6

mơmen qn tính vùng bê tơng (6) của dầm liên hợp NDBeam

L

nhịp dầm

Mpl

FEM

mômen bền dẻo của dầm liên hợp theo mô phỏng ABAQUS

Mpl,Rd

mômen bền dẻo của dầm liên hợp

MRd

mômen bền dẻo suy giảm của dầm liên hợp

Na1

sức kháng kéo (nén) phần thép (1) của dầm liên hợp NDBeam

Na2

sức kháng kéo (nén) phần thép (2) của dầm liên hợp NDBeam

Na3

sức kháng kéo (nén) phần thép (3) của dầm liên hợp NDBeam

Na4

sức kháng kéo (nén) phần thép (4) của dầm liên hợp NDBeam

Na5

sức kháng kéo (nén) phần thép (5) của dầm liên hợp NDBeam

Nc1

sức kháng nén vùng bê tông (1) của dầm liên hợp NDBeam

Nc2

sức kháng nén vùng bê tông (2) của dầm liên hợp NDBeam

Nc3

sức kháng nén vùng bê tông (3) của dầm liên hợp NDBeam

Nc4

sức kháng nén vùng bê tông (4) của dầm liên hợp NDBeam

Nc5

sức kháng nén vùng bê tông (5) của dầm liên hợp NDBeam

Nc6

sức kháng nén vùng bê tông (6) của dầm liên hợp NDBeam

ND(a)

dầm thép hộp loại a

ND(b)

dầm thép hộp loại b

ND(c)

dầm thép hộp loại c

NDP

chương trình thiết kế dầm liên hợp NDBeam


NDBeam

dầm liên hợp có chiều cao nhỏ đề xuất

P

tải trọng phá hoại mẫu thí nghiệm

PRd

sức kháng cắt của một chốt bê tơng

P.N.A.

trục trung hịa dẻo

R2
SLS

hệ số xác định

ULS

trạng thái cực hạn

Vpl,Rd

sức kháng cắt đứng của dầm liên hợp

trạng thái sử dụng

Các chữ cái Latin viết thường
a

chiều dày lớp bê tông phía trên dầm thép hộp

b

bề rộng

bb

bề rộng bản cánh dưới dầm thép hộp

bc

khoảng cách giữa 2 đầu tơn sóng

beff

bề rộng hiệu quả của dầm liên hợp

bf

bề rộng bản cánh tiết diện dầm thép chữ I

bm

bề rộng dầm thép hộp gồm cả 2 cánh đỡ tôn sàn

bt1

bề rộng cánh trên dầm thép hộp

d

đường kính lỗ mở

d1

đáy lớn của lỗ mở hình thang ở bản bụng

d2

đáy nhỏ của lỗ mở hình thang ở bản bụng

fcd

cường độ nén tính tốn của bê tơng

fck

cường độ nén đặc trưng của bê tông mẫu trụ

fcm

cường độ nén trung bình của bê tơng mẫu trụ

fcr

ứng suất của bê tông tại thời điểm bị nứt

fct

cường độ chịu kéo của bê tơng

fctm

cường độ chịu kéo trung bình của bê tông

fcu

cường độ nén đặc trưng của bê tông mẫu lập phương

fsk

giới hạn chảy dẻo của cốt thép

fy

giới hạn chảy của thép kết cấu


fyd

cường độ tính tốn của thép kết cấu

h

chiều cao

hb

chiều cao bụng dầm thép hộp phía dưới bản đỡ sàn

hc

chiều dày sàn bê tơng phía trên sóng tơn

hd

chiều cao lỗ mở

hp

chiều cao sóng tơn

hsc

chiều cao bản thép trong bản bê tơng

ht

chiều cao bụng dầm thép hộp phía trên bản đỡ sàn

ht1

chiều cao lỗ mở hình thang trên bụng dầm thép hộp

ht2

chiều cao phía trên lỗ mở hình thang của bụng dầm thép hộp

hw

chiều cao lỗ mở bản bụng hình thang

k1

hệ số điều chỉnh, xét đến sự phá hoại nén vỡ của phần diện tích bê
tơng chịu nén ở phía trên

k2

hệ số điều chỉnh, xét đến hình dáng tiết diện chốt bê tông

kCD-iZ

hệ số làm việc đồng thời giữa các chốt

n

số lượng chốt tính tốn trong mẫu

n”

tỷ số mơ đun đàn hồi của thép và bê tơng tính cho cả tải trọng ngắn
hạn và dài hạn

q

tải trọng phân bố trên dầm

tb

chiều dày cánh dưới dầm thép hộp

tm

chiều dày bản cánh đỡ tôn sàn

tt

chiều dày cánh trên dầm thép hộp

tsc

chiều dày bản thép trong bản bê tông

tw

chiều dày bụng dầm thép tiếp xúc với chốt bê tơng hình thang

twb

chiều dày bụng dưới dầm thép hộp

twt

chiều dày bụng trên dầm thép hộp

n

số lượng lỗ mở trên bản thép

x

khoảng cách từ mặt trên dầm liên hợp đến vị trí trục trung hịa dẻo

y

khoảng cách từ mặt dưới của cánh dưới dầm thép đến trọng tâm

dầm thép
z

chiều cao vùng chịu nén cục bộ đảm bảo cân bằng ứng suất

Các chữ cái Hy Lạp
α

hệ số thực nghiệm xác định khả năng chịu lực của chốt bê tông

δ

chuyển vị đứng của dầm

εc

giá trị biến dạng do nén của bê tông

εcr

giá trị biến dạng của bê tông tại thời điểm bị nứt

εt

giá trị biến dạng do kéo của bê tông

εu

giá trị biến dạng của thép tại thời điểm bị kéo đứt

γc

hệ số an toàn riêng phần của bê tơng

γM

hệ số an tồn riêng phần của thép kết cấu

η

mức độ liên kết chịu trượt dọc của dầm liên hợp

φ

đường kính cốt thép

µ

độ nhớt

θ

góc nghiêng bụng dầm thép so với phương đứng

ρc

trọng lượng riêng của bê tông

σb0

cường độ chịu nén một trục của bê tông

σc0

cường độ chịu nén hai trục của bê tông

σt

ứng suất kéo bê tông

σy

ứng suất kéo bê tông theo phương y

σz

ứng suất nén bê tông theo phương z

ψ

góc phá hủy


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Đặc điểm của các loại dầm thép SF, ASBs, USFB, DELTABEAM...........9
Bảng 2.1 Đặc điểm của tiết diện dầm liên hợp NDBeam đề xuất............................ 37
Bảng 2.2 Các đặc trưng cơ học của bê tông theo [20]............................................. 39
Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm nén mẫu vật liệu bê tơng C25 và C20......................59
Bảng 3.2. Mơ tả các nhóm mẫu thí nghiệm............................................................. 60

Bảng 3.3. Sơ bộ tải trọng thí nghiệm của mẫu ⊥ 65
Bảng 3.4. Giá trị lực tới hạn của nhóm mẫu T1G*, T1GW* và T1GT*..................66
Bảng 3.5. Giá trị độ trượt của nhóm mẫu T1G*, T1GW* và T1GT*......................67
Bảng 3.6. Giá trị lực tới hạn của nhóm mẫu T1G, T2G và T3G.............................. 69
Bảng 3.7. Giá trị độ trượt của nhóm mẫu T1G, T2G và T3G.................................. 69
Bảng 3.8. Giá trị lực tới hạn của nhóm mẫu B3G và ND3G.................................... 71
Bảng 3.9. Giá trị lực tới hạn của nhóm mẫu T3F..................................................... 72
Bảng 3.10. So sánh kết quả của các nhóm mẫu T1G*, T1GW* và T1GT*.............76
Bảng 3.11. So sánh kết quả của các nhóm mẫu T1G, T2G và T3G.........................77
Bảng 3.12. So sánh kết quả của các nhóm mẫu T3G và B3G.................................. 78
Bảng 3.13. Đặc trưng hình học, đặc trưng vật liệu và tải trọng phá hoại các mẫu...83
Bảng 3.14. Kết quả khảo sát theo tw và D................................................................85
Bảng 3.15. Kết quả tính α 86
Bảng 3.16. Đánh giá cơng thức tính khả năng chịu cắt của một chốt bê tông..........87
Bảng 3.17. Kết quả so sánh lực đẩy thí nghiệm với các giá trị lí thuyết..................88
Bảng 3.18. So sánh kết quả tính theo (3.12) và FEA với chốt có đường kính
100mm, chiều dày bụng thép 8.6mm....................................................................... 89
Bảng 3.19. So sánh kết quả tính theo (3.12) và FEA với chốt có đường kính
150mm, chiều dày bụng thép 8.6mm....................................................................... 90
Bảng 3.20. So sánh kết quả tính theo (3.12) và FEA với chốt có đường kính
200mm, chiều dày bụng thép 9.9mm....................................................................... 91
Bảng 3.21. Đánh giá cơng thức tính khả năng chịu cắt của mẫu T nhiều chốt.........92


Bảng 3.22. Đánh giá cơng thức tính khả năng chịu trượt của dầm NDBeam...........93
Bảng 4.1 Các kích thước dầm liên hợp NDBeam.................................................. 101
Bảng 4.2 Các đặc trưng vật liệu dầm NDBeam..................................................... 102
Bảng 4.3. Kết quả tính tốn theo NDP................................................................... 103
Bảng 4.4. Các thơng số mơ hình CDP................................................................... 112
Bảng 4.5 Mơmen bền dẻo và vị trí trục trung hịa dẻo P.N.A................................. 116

Bảng 4.6. Các thơng số tính tốn độ võng của dầm NDBeam...............................117


DANH MỤC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ
Hình 0.1 Dầm liên hợp thép bê tơng truyền thống..................................................... 1
Hình 0.2. Cấu tạo dầm liên hợp thép bê tơng có chiều cao nhỏ................................. 2
Hình 1.1. Ý tưởng của dầm thép nằm chìm trong bản sàn bê tơng [29].....................7
Hình 1.2. Một số giải pháp dầm sàn có chiều cao nhỏ [43]....................................... 8
Hình 1.3. Một số tiết diện dầm thép áp dụng cho dầm liên hợp có chiều cao nhỏ...10
Hình 1.4. Dầm iTECH............................................................................................. 11
Hình 1.5. Dầm TEC................................................................................................. 11
Hình 1.6. Dầm TT................................................................................................... 13
Hình 1.7. Dầm NW.................................................................................................. 15
Hình 1.8. Dầm RH................................................................................................... 15
Hình 1.9. Các loại liên kết chịu cắt trong kết cấu dầm liên hợp (đơn vị: mm)[36]. .17
Hình 1.10. Chi tiết mẫu thí nghiệm đẩy [57]........................................................... 18
Hình 1.11. Mơ hình, hình chiếu và thơng số của thí nghiệm đẩy [64].....................19
Hình 1.12. Thành phần ảnh hưởng đến sức kháng cắt của chốt bê tơng..................20
Hình 1.13. Kích thước hình học, sơ đồ và mối quan hệ lực-trượt dọc [64]..............20
Hình 1.14. Lực tác dụng lên chốt bê tơng [42]........................................................ 22
Hình 1.15. Diện tích tiết diện phần chịu nén và phần chịu kéo của chốt [32]..........28
Hình 2.1. Hình dạng tiết diện dầm thép NDBeam đề xuất....................................... 32
Hình 2.2. Các kích thước chính của tiết diện dầm thép ND(b)................................33
Hình 2.3. Một số hình dạng lỗ của chốt bê tơng...................................................... 34
Hình 2.4. Cấu tạo tơn sàn sườn mở.......................................................................... 34
Hình 2.5. Các kích thước chính của tiết diện dầm liên hợp NDBeam.....................35
Hình 2.6. Mơ hình 3D dầm liên hợp có chiều cao nhỏ NDBeam............................36
Hình 2.7. Chiều cao của dầm NDBeam so với dầm liên hợp truyền thống..............36
Hình 2.8. Phân vùng bê tơng của dầm liên hợp NDBeam....................................... 41
Hình 2.9. Phân vùng thép kết cấu của dầm liên hợp NDBeam................................ 43

Hình 2.10. Trục trung hịa dẻo nằm phía trên bản cánh trên của dầm thép..............45


Hình 2.11. Trục trung hịa dẻo nằm trong bản cánh trên dầm thép..........................46
Hình 2.12. Trục trung hịa dẻo đi qua bụng của dầm thép phía trên lỗ mở..............47
Hình 2.13. Trục trung hịa dẻo đi qua lỗ mở bụng dầm, phía trên mặt tơn sàn........48
Hình 2.14. Trục trung hịa dẻo đi qua lỗ mở bụng dầm, trong vùng chiều cao sóng
tơn............................................................................................................................ 49
Hình 2.15. Trục trung hịa dẻo đi qua bản cánh đỡ tơn sóng định hình....................50
Hình 2.16. Trục trung hịa dẻo đi qua đi qua bản bụng dưới của dầm thép..............51
Hình 2.17. Trục trung hòa dẻo đi qua đi qua bản đi qua cánh dưới của dầm thép. . .53
Hình 2.18. Xác định trọng tâm dầm liên hợp........................................................... 55
Hình 3.1. Chế tạo mẫu vật liệu bê tông đồng thời với mẫu thí nghiệm...................58
Hình 3.2. Thí nghiệm nén và ép chẻ mẫu bê tơng.................................................... 59
Hình 3.3. Ký hiệu đặt tên mẫu thí nghiệm............................................................... 60
Hình 3.4. Bản vẽ chế tạo mẫu thí nghiệm T1G, T1G* và T1GW............................61
Hình 3.5. Bản vẽ chế tạo mẫu thí nghiệm T2G........................................................ 62
Hình 3. 6. Bản vẽ chế tạo mẫu thí nghiệm T3 và hình ảnh cốp pha mẫu T1, T2 và T3
...................................................................................................................................62
Hình 3.7. Bản vẽ chế tạo mẫu thí nghiệm B3G....................................................... 63
Hình 3.8. Bản vẽ chế tạo mẫu thí nghiệm ND3G.................................................... 64
Hình 3.9. Sơ đồ và hình ảnh bố trí LVDT của mẫu ND3G......................................65
Hình 3.10. Quan hệ tải trọng và độ trượt của nhóm mẫu T1G*, T1GW* và T1GT*
...................................................................................................................................67
Hình 3.11. Quan hệ tải trọng và độ trượt của nhóm mẫu T1G, T2G và T3G...........70
Hình 3.12. Quan hệ tải trọng và độ trượt của nhóm mẫu B3G và ND3G................71
Hình 3.13. Quan hệ tải trọng và độ trượt của nhóm mẫu T3F.................................72
Hình 3.14. Hình ảnh phá hoại của nhóm mẫu thí nghiệm T1G*..............................73
Hình 3.15. Hình ảnh phá hoại của nhóm mẫu thí nghiệm T1G, T2G và T3G..........73
Hình 3.16. Hình ảnh phá hoại của nhóm mẫu thí nghiệm B3G và ND3G...............73

Hình 3.17. Hình ảnh phần bê tơng và thép của mẫu T1G sau khi phá hoại.............74
Hình 3.18. Sơ đồ minh họa về dạng phá hoại của một chốt bê tông CD-iZ.............75


Hình 3.19. Quan hệ giữa tải trọng trung bình và độ trượt các mẫu T1*..................76
Hình 3.20. Quan hệ giữa giá trị trung bình của tải trọng, độ trượt và số lượng lỗ. . .77
Hình 3.21. Quan hệ tải trọng và độ trượt của các nhóm mẫu T3G và B3G.............78
Hình 3.22. Quan hệ tải trọng và độ trượt của các nhóm mẫu B3G và ND3G..........79
Hình 3.23. Quan hệ giữa tải trọng và lực trượt của các mẫu nhóm T3G và T3F.....80
Hình 3.24. Minh họa cơ chế phá hoại của chốt bê tơng........................................... 81
Hình 3.25. Mơ hình ép chẻ mẫu bê tơng.................................................................. 83
Hình 3.26. Phân bố ứng suất.................................................................................... 83
Hình 3.27. Phân bố ứng suất trong chốt bê tơng CD-iZ........................................... 84
Hình 3.28. Phân bố ứng suất trong chốt bê tông CD-iZ theo phương trục x............85
Hình 4.1 Sơ đồ khối của chương trình thiết kế dầm NDBeam................................. 98
Hình 4.2 Mơ đun của chương trình NDP................................................................. 99
Hình 4.3. Cấu tạo dầm thép................................................................................... 100
Hình 4.4. Cấu tạo dầm liên hợp NDBeam............................................................. 101
Hình 4.5 Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông khi chịu nén theo EC2.........104
Hình 4.6. Mơ hình CDP trong phần mềm ABAQUS [27]..................................... 105
Hình 4.7. Đường cong ứng suất – biến dạng của vật liệu thép kết cấu..................107
Hình 4.8. Mơ hình ứng suất – biến dạng đơn giản của vật liệu thép kết cấu [22]. .108
Hình 4.9. Các dạng phần tử 2D phổ biến............................................................... 109
Hình 4.10. Các dạng phần tử 3D phổ biến............................................................. 110
Hình 4.11. Sơ đồ kết cấu dầm liên hợp NDBeam.................................................. 111
Hình 4.12. Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tơng cấp độ bền C20/25............111
Hình 4.13. Quan hệ ứng suất – biến dạng của thép S235 sử dụng trong mơ hình
PTHH.................................................................................................................... 112
Hình 4.14. Mơ hình dầm thép................................................................................ 113
Hình 4.15. Mơ hình sàn liên hợp........................................................................... 113

Hình 4.16. Mơ hình PTHH.................................................................................... 114
Hình 4.17. Đường cong lực – chuyển vị................................................................ 115
Hình 4.18. Ứng suất trong dầm thép...................................................................... 115


Hình 4.19. Ứng suất trong bản sàn liên hợp........................................................... 115
Hình 4.20. Vùng bê tông bị nứt trong dầm liên hợp NDBeam............................... 116
Hình 4.21. Quan hệ lực P và độ võng dầm liên hợp NDBeam............................... 118
Hình A.1 Hộp thoại nhập dữ liệu hình học dầm ...................................................PL-1
Hình A.2 Hộp thoại nhập dữ liệu hình học dầm ...................................................PL1 Hình A.3 Hộp thoại nhập dữ liệu kích thước hình học tiết diện dầm thép
...........PL-2 Hình A.4 Hộp thoại nhập dữ liệu nhập dữ liệu tơn sóng định hình
......................PL-2
Hình A.5 Hộp thoại nhập dữ liệu thơng số hình học sàn bê tơng .........................PL3

Hình

A.6

Hộp

thoại

nhập

dữ

liệu

chốt

bê

tơng

.....................................................PL-3
Hình A.7 Hộp thoại nhập dữ liệu tải trọng............................................................PL-4
Hình A.8 Hộp thoại nhập dữ liệu tổ hợp tải trọng ................................................PL-4
Hình A.9 Hộp thoại nhập giá trị giới hạn độ võng dầm........................................PL-5
Hình A.10 Hộp thoại kết quả kiểm tra dầm trong giai đoạn thi cơng...................PL-5
Hình A.11 Hộp thoại kết quả kiểm tra dầm trong giai đoạn liên hợp...................PL-6


23

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Nguyên tắc của sự liên hợp là sự kết hợp của hai hoặc nhiều loại vật liệu kết
cấu để có khả năng làm việc tốt hơn so với sự làm việc của mỗi loại vật liệu độc lập
cũng như tận dụng những đặc tính tốt nhất của mỗi loại vật liệu. Ví dụ như bê tơng
thường là vật liệu có giá thành khá thấp nhưng có cường độ chịu lực khơng cao lại
khá giịn, trong khi đó thép kết cấu có giá thành tương đối cao nhưng lại có cường
độ lớn và dẻo. Để tận dụng tối đa sự làm việc hiệu quả của hai loại vật liệu kể trên,
hình thức kết cấu liên hợp thường được sử dụng. Kết cấu dầm liên hợp thép bê tơng
(LHT-BT) truyền thống (Hình 0.1) thường có cấu tạo một dầm thép tiết diện chữ I
cán nóng hoặc tổ hợp hàn liên kết với bản sàn bê tông. Bên cạnh khả năng chịu lực
cao, khả năng kháng hỏa và chống ăn mòn tốt, kết cấu dầm LHT-BT truyền thống
cịn rút ngắn được thời gian thi cơng, cũng như giảm trọng lượng bản thân của kết
cấu từ đó dẫn đến giảm lực tác dụng xuống những kết cấu đỡ như cột và móng. Nhờ
những ưu điểm nổi bật đó, Kết cấu dầm LHT-BT đã và đang được sử dụng rộng rãi
trong các cơng trình dân dụng và cơng nghiệp.

Hình 0.1 Dầm liên hợp thép bê tông truyền thống
Kết cấu dầm LHT-BT truyền thống so với kết cấu thép và kết cấu bê tơng cốt
thép có nhược điểm chính là chiều cao kết cấu dầm sàn tương đối lớn, điều này làm
tăng chiều cao tổng thể của cơng trình qua đó làm tăng ảnh hưởng của tải trọng


ngang tác động lên cơng trình. Để hạn chế nhược điểm của kết cấu dầm LHT-BT
truyền thống, dầm liên hợp thép bê tơng có chiều cao tiết diện nhỏ đã được nghiên
cứu phát triển. Dầm liên hợp thép bê tông có chiều cao nhỏ là hệ dầm liên hợp có
cánh trên hay cánh chịu nén của dầm thép hoặc toàn bộ tiết diện dầm thép chìm
trong bản sàn bê tơng (Hình 0.2) nhờ đó giảm được chiều cao tổng thể của hệ kết
cấu dầm sàn.

Hình 0.2. Cấu tạo dầm liên hợp thép bê tơng có chiều cao nhỏ
Dầm liên hợp thép bê tơng có chiều cao nhỏ được phát triển từ cuối thế kỷ
XX tại Châu Âu đặc biệt là tại các quốc gia Bắc Âu với các ưu điểm như giảm chiều
cao hệ kết cấu từ đó tăng được khơng gian sử dụng của phịng, dễ dàng và thuận
tiện cho việc bố trí hệ thống kỹ thuật cơ điện, chi phí điều hịa khơng khí giảm, khả
năng kháng hỏa tăng, giảm được chi phí hàn tại cơng trường và phù hợp với xu
hướng phát triển bền vững.
Gần đây một số nước đã công bố tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp cho
cơng trình dân dụng và cơng nghiệp điển hình là: GB 50017-2003 (Trung Quốc,
2003) [26], AS 2327.1 (Úc, 2003) [13], EN 1994-1-1 (Cộng đồng chung Châu Âu,
2005) [23], AISC 360-16 (Hoa Kỳ, 2016) [11], CTO 0047-2005 (Liên bang Nga,
2005) [63], DIN 18800-5 (CHLB Đức, 2007) [19]… Tuy nhiên, trong các tiêu
chuẩn kể trên vẫn chưa có phần hướng dẫn thiết kế loại dầm LHT-BT có chiều cao
tiết diện nhỏ.
Việt Nam vẫn chưa có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu LHT-BT nói chung và tiêu
chuẩn thiết kế dầm liên hợp thép bê tơng có chiều cao nhỏ nói riêng. Các cơng trình

ứng dụng loại kết cấu này phần lớn đều áp dụng tiêu chuẩn thiết kế của Hoa Kỳ
hoặc Châu Âu.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận án là đề xuất một loại dầm liên hợp thép bê
tông mới (gọi tắt là dầm liên hợp NDBeam) có tiết diện dầm thép dạng hộp rỗng có
lỗ mở hình thang ở nửa trên của các bản bụng, dầm thép nằm chìm một phần trong
bản sàn bê tơng với mục đích giảm chiều cao của hệ kết cấu dầm sàn. Qua đó, đánh
giá sự làm việc của dầm liên hợp NDBeam đề xuất khi khơng sử dụng chốt có mũ
chịu cắt.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
-

Đối tượng nghiên cứu:
• Dầm liên hợp thép bê tông NDBeam sử dụng dầm thép có tiết diện
hộp rỗng, một phần tiết diện dầm thép chìm trong bản sàn bê tơng,
dầm liên hợp khơng sử dụng chốt có mũ chịu cắt truyền thống, liên
kết giữa dầm thép và bản sàn bê tông thông qua lỗ mở ở nửa trên của
hai bản bụng dầm thép.

-

Phạm vi nghiên cứu của luận án:
• Dầm liên hợp đơn giản, dầm thép có tiết diện hình hộp rỗng, mơ men
trong dầm liên hợp là mơ men dương;
• Dầm chỉ sử dụng làm dầm phụ đỡ bản sàn liên hợp thép bê tơng có sử
dụng tơn sóng định hình;
• Lỗ mở dạng hình thang đồng dạng với sóng âm của tơn sóng, vị trí lỗ
mở trên hai bản bụng trên của dầm lấy trùng nhau, khoảng cách giữa

các lỗ mở lấy bằng khoảng cách giữa các sóng âm của tơn sóng định
hình.
• Dầm nghiên cứu chỉ chịu tải trọng tĩnh;