Nghiên cứu, tính toán kết cấu dầm liên hợp thép bê tông ứng suất trước trong công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.89 MB, 183 trang )
bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học xây dựng
Phạm anh tuấn
PHạM ANH tuấn
NGHIÊN CứU tính toán KếT CấU DầM LIÊN HợP
thép - BÊ TÔNG ứng suất trớc TRONG
xây dựng dân dụng v công nghiệp
luận án tiến sỹ kỹ thuật
Hà Nội Năm 2012
PHM ANH TUN * LUN N TIN S K THUT * M S 62.58.20.01 NM 2012
bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học xây dựng
PPHạM ANH tuấn
Phạm anh tu
NGHIÊN CứU tính toán KếT CấU DầM LIÊN HợP
thép - BÊ TÔNG ứng suất trớc TRONG
xây dựng dân dụng v công nghiệp
Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 62.58.20.01
luận án tiến sỹ kỹ thuật
ngời hớng dẫn khoa học
1. GS.TS Phạm Văn Hội
2. GS.TS Lê Xuân Huỳnh
Hà Nội Năm 2012
lời cam đoan
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và cha đợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận án
Phạm Anh Tuấn
lời cảm ơn
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Phạm Văn Hội và
GS.TS Lê Xuân Huỳnh là những ngời thầy đã tận tình, hớng dẫn, giúp đỡ
trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy Lê Huy Nh và các cán bộ, thí
nghiệm viên Phòng Thí nghiệm và Kiểm định công trình - trờng Đại học Xây
dựng đã nhiệt tình giúp đỡ quá trình nghiên cứu thực nghiệm của luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn KS. Ngô Quốc Việt, Ths Hà Mạnh Hùng
đã giúp đỡ tác giả rất nhiều trong quá trình thực hiện luận án.
Tác giả vô cùng biết ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của Trờng Đại học Xây
dựng, Khoa Sau đại học, Khoa Xây dựng và tập thể Bộ môn Công trình thép
gỗ, nơi tác giả đã nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Công ty Cổ phần T vấn Công nghệ,
Thiết bị và Kiểm định Xây dựng - CONINCO, nơi tác giả đang công tác đã tạo
điều kiện thuận lợi, hỗ trợ kinh phí, thời gian để tác giả hoàn thành tốt luận án.
Cuối cùng tác giả xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè và các
đồng nghiệp đã động viên, khích lệ, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận án này.
Tác giả
Phạm Anh Tuấn
i
Mục lục
Trang
Mở đầu 1
1. Lý do chọn đề tài 1
2. Mục đích, đối tợng, phạm vi và phơng pháp nghiên cứu của luận án 2
3. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu 3
Chơng 1: Tổng quan về kết cấu liên hợp thép - bê tông và hớng sử
dụng ứng suất trớc trong loại kết cấu này 4
1.1. Tổng quan về kết cấu liên hợp thép - bê tông 4
1.1.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông 4
1.1.2. Kết cấu liên hợp thép - bê tông tại Việt Nam 8
1.2. ứng suất trớc trong kết cấu công trình bằng thép hoặc BTCT 9
1.2.1. Nguyên lý ứng suất trớc 9
1.2.2. Các phơng pháp tạo ứng suất trớc 10
1.2.3. Hiệu quả của việc sử dụng phơng pháp ứng suất trớc 10
1.3. Phơng pháp ứng suất trớc trong kết cấu liên hợp thép - bê tông 11
1.3.1. Một số nghiên cứu ở nớc ngoài và trong nớc 11
1.3.1.1. Nghiên cứu thực nghiệm 11
1.3.1.2. Nghiên cứu lý thuyết 15
1.3.2. Các khả năng sử dụng phơng pháp ứng suất trớc trong kết
cấu liên hợp thép -bê tông tại Việt Nam 15
1.3.3. Nội dung nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của luận án 15
1.4. Vật liệu sử dụng trong dầm liên hợp thép -bê tông ứng suất trớc 16
1.4.1. Bê tông 16
1.4.1.1. Quy định của Eurocode 2 và Eurocode 4 16
1.4.1.2. Quy định theo TCXDVN 356:2005 17
1.4.1.3. So sánh các đặc trng cơ học của bê tông giữa hai tiêu
chuẩn Eurocode 4 và TCXDVN 356:2005 17
1.4.2. Cốt thép thanh 18
ii
1.4.2.1. Quy định của Eurocode 4 18
1.4.2.2. Quy định theo TCXDVN 356:2005 19
1.4.3. Thép kết cấu 19
1.4.3.1. Quy định theo Eurocode 4 19
1.4.3.2. Quy định theo TCVN 5709 - 1993 20
1.4.4. Tôn định hình của sàn liên hợp 20
1.4.5. Dây (thanh) căng 21
1.4.6. Chốt liên kết 22
Thảo luận các nội dung đạt đợc trong Chơng 1 23
Chơng 2: Tính toán dầm liên hợp thép - bê tông ứng suất trớc 25
2.1. Nguyên tắc tính toán dầm liên hợp thép - bê tông ƯST 26
2.1.1. Đặc điểm làm việc của dầm liên hợp thép -bê tông ƯST 26
2.1.2. Phơng pháp thi công dầm liên hợp thép - bê tông ƯST 27
2.1.3. Đặc điểm tính toán theo phơng pháp thi công 27
2.1.3.1. Phơng pháp thi công không chống đỡ 28
2.1.3.2. Phơng pháp thi công có chống đỡ 28
2.1.4. Kiểm tra dầm liên hợp thép - bê tông ƯST theo từng giai đoạn 29
2.1.4.1. Giai đoạn thi công 29
2.1.4.2. Giai đoạn sử dụng 29
2.2. Tính toán dầm liên hợp thép - bê tông ƯST trong giai đoạn thi công 30
2.2.1. Trạng thái ứng suất của dầm thép ƯST 30
2.2.2. Chiều dài dây căng hợp lý và lực căng trớc 31
2.2.2.1. Xác định chiều dài hợp lý của dây căng trong dầm liên tục 31
2.2.2.2. Xác định lực căng trớc 33
2.2.3. Xác định tự ứng lực 36
2.2.4. Kiểm tra dầm thép ƯST theo trạng thái giới hạn 1 37
2.2.5. Kiểm tra dầm thép ƯST theo trạng thái giới hạn 2 39
2.3. Tính toán dầm LHT-BT ƯST trong giai đoạn sử dụng 40
2.3.1. Các thông số cơ bản 40
2.3.1.1. Hệ số mô đun đàn hồi chung 41
iii
2.3.1.2. Chiều dày của sàn bê tông 41
2.3.1.3. Chọn kích thớc tôn hình 42
2.3.1.4. Chiều rộng tham gia làm việc của tấm sàn 42
2.3.1.5. Phân loại tiết diện ngang 43
2.3.2. Mô men quán tính của tiết diện dầm liên hợp thép - bê tông 43
2.3.2.1. Tiết diện chịu mô men dơng 43
2.3.2.2. Tiết diện chịu mô men âm 46
2.3.3. Xác định tự ứng lực 47
2.3.4. Kiểm tra theo trạng thái giới hạn sử dụng 48
2.3.4.1. Kiểm tra ứng suất trong dầm khi thi công theo phơng
pháp không chống đỡ 49
2.3.4.2. Kiểm tra ứng suất trong dầm khi khi thi công theo phơng
pháp có chống đỡ 50
2.3.4.3. Kiểm tra độ võng của dầm 51
2.3.5. Kiểm tra theo trạng thái giới hạn phá hoại 53
2.3.5.1. Các giả thiết khi phân tích cứng dẻo và phạm vi ứng dụng 53
2.3.5.2. Mô men dẻo giới hạn của dầm liên hợp thép - bê tông ƯST 54
2.3.5.3. Xác định mô men dẻo dơng giới hạn 55
2.3.5.4. Xác định mô men dẻo âm giới hạn 59
2.3.6. Trình tự tính toán dầm liên hợp thép - bê tông ƯST 62
Thảo luận nội dung đạt đợc trong Chơng 2 65
Chơng 3: Chơng trình máy tính và ứng dụng tính toán dầm LHT-
BT ƯST 66
3.1. Chơng trình tính dầm liên hợp thép - bê tông ƯST - PCB 1.0 66
3.2. ứng dụng chơng trình PCB 1.0 vào tính toán thiết kế 70
3.3. ứng dụng chơng trình PCB 1.0 để khảo sát thiết kế, tính hiệu quả 72
3.3.1. Khảo sát bài toán thiết kế, kiểm tra dầm LHT-BT ƯST 72
3.3.2. Khảo sát bài toán tính hiệu quả dầm LHT-BT ƯST 73
Thảo luận nội dung đạt đợc trong Chơng 3 75
Chơng 4: Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng 76
iv
4.1. Mục đích, địa điểm, thời gian thí nghiệm: 76
4.1.1. Mục đích thí nghiệm 76
4.1.2. Đơn vị thí nghiệm, địa điểm, thời gian 77
4.2. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 77
4.2.1. Thiết kế thí nghiệm 78
4.2.1.1. Thiết kế mẫu thí nghiệm 78
4.2.1.2. Bố trí tải trọng cho thí nghiệm 79
4.2.1.3. Bố trí thiết bị đo của dầm liên hợp thép - bê tông ƯST (D1) 79
4.2.1.4. Bố trí thiết bị đo của dầm liên hợp thép - bê tông (D2) 80
4.2.2. Thiết kế bệ thí nghiệm, hệ gia tải, các liên kết 81
4.2.3. Vật liệu chế tạo mẫu thí nghiệm 82
4.2.3.1. Dầm thép 82
4.2.3.2. Bê tông 83
4.2.3.3. Thanh căng 84
4.2.3.4. Liên kết neo 85
4.3. Quy trình thí nghiệm, thiết bị thí nghiệm và dụng cụ đo 85
4.3.1. Hệ kích thủy lực gia tải 85
4.3.2. Dụng cụ thí nghiệm 85
4.3.2.1. Biến dạng kế điện trở 85
4.3.2.2. Biến dạng kế cơ học 86
4.3.2.3. Chuyển vị kế 86
4.3.3. Quy trình gia tải 86
4.3.3.1. Dầm liên hợp thép - bê tông ƯST (D1) 86
4.3.3.2. Dầm liên hợp thép - bê tông (D2) 87
4.4. Các thông số đợc nghiên cứu 88
4.5. Kết quả tổng quát thí nghiệm 89
4.5.1. Kết quả tổng quát 89
4.5.2. Ghi chép hiện tợng 89
4.5.2.1. Dầm liên hợp thép - bê tông ƯST (D1) 89
4.5.2.2. Dầm liên hợp thép - bê tông (D2) 91
v
4.5.3. Nhận xét chung về quá trình thí nghiệm 92
4.6. Kiểm chứng lý thuyết với thực nghiệm - giai đoạn chịu tải thi công 93
4.6.1. Dầm thép ƯST (D1) 93
4.6.1.1. ứng suất trong dầm thép 93
4.6.1.2. ứng suất trong thanh căng 93
4.6.1.3. Độ võng tại vị trí giữa dầm D1 94
4.6.2. Dầm thép (D2) 95
4.6.2.1. ứng suất trong dầm thép 95
4.6.2.2. Độ võng tại vị trí giữa dầm thép (D2) 95
4.7. Kiểm chứng lý thuyết với thực nghiệm - giai đoạn chịu tải sử dụng 95
4.7.1. Dầm liên hợp thép - bê tông ƯST (D1) 95
4.7.1.1. ứng suất trong bản bê tông 95
4.7.1.2. ứng suất trong thép hình 96
4.7.1.3. ứng suất trong thanh căng 97
4.7.1.4. Độ võng của dầm liên hợp thép - bê tông ƯST 98
4.7.2. Dầm liên hợp thép - bê tông (Dầm D2) 99
4.7.2.1. ứng suất trong bê tông 99
4.7.2.2. ứng suất trong thép hình 99
4.7.2.3. Độ võng của dầm liên hợp thép - bê tông 100
4.9. So sánh Mô men dẻo giới hạn
gh
d
[M]
giữa lý thuyết và thực nghiệm 101
4.10. Phân tích nguyên nhân phá hoại 101
4.10.1. Dầm liên hợp thép - bê tông ƯST (D1) 101
4.10.2. Dầm liên hợp thép - bê tông (D2) 102
Thảo luận về nội dung đạt đợc trong Chơng 4 103
Kết luận chung của luận án 106
Kiến nghị 106
Danh mục những công trình công bố của tác giả 107
Danh mục Tài liệu tham khảo 108
Phụ lục 113
vi
danh mục các ký hiệu
Các ký hiệu viết hoa:
A
a
: Diện tích thép hình
A
d
: Diện tích dây căng
A
s
: Diện tích cốt thép thanh
A
eq
: Diện tích tơng đơng của tiết diện liên hợp
E
a
: Mô đun đàn hồi thép hình
E
d
: Mô đun đàn hồi dây căng
E
cm
: Mô đun đàn hồi cát tuyến của bê tông
I
a
: Mô men quán tính uốn thép hình
I
d
: Mô men quán tính uốn dây căng
I
s
: Mô men quán tính uốn cốt thép thanh
L : Chiều dài dầm
L
d
: Chiều dài dây căng
M : Mô men uốn do tải trọng
M
a
: Mô men tại điểm bố trí neo
M
Rd
: Giá trị tính toán của mômen bền của tiết diện khi uốn
M
+
pl.Rd
: Mô men bền dẻo dơng
M
-
pl.Rd
: Mô men bền dẻo âm
gh
d
][M
+
: Mô men dẻo dơng giới hạn của dầm LHT-BT ƯST
gh
d
][M
Mô men dẻo âm giới hạn của dầm LHT-BT ƯST
N : Lực dọc, số lợng của liên kết
P
R
: Sức bền chịu cắt của liên kết
W
ia
: Mô men kháng uốn của dầm thép
W
eq
: Mô men kháng uốn của tiết diện dầm liên hợp
vii
Các ký hiệu viết thờng
b
+
eff
: Bề rộng hiệu quả của bản sàn tại tiết diện chịu mô men dơng
b
-
eff
: Bề rộng hiệu quả của bản sàn tại tiết diện chịu mô men âm
b
tf
: Bề rộng cánh trên tiết diện thép hình
b
bf
: Bề rộng cánh dới tiết diện thép hình
c : Khoảng cách từ trọng tâm dây căng đến trọng tâm dầm thép
d
d
: Đờng kính dây căng
f
: Cờng độ (của vật liệu)
f
ck
: Cờng độ đặc trng khi nén của bêtông
f
sk
: Giới hạn đàn hồi đặc trng khi kéo của thép thanh
f
u
: Giá trị cờng độ kéo đứt của vật liệu chốt, bulông, đinh tán
f
y
: Giá trị tiêu chuẩn của giới hạn đàn hồi khi kéo của thép kết cấu
f
yp
: Giá trị tiêu chuẩn của giới hạn đàn hồi khi kéo của thép làm tôn
h : Chiều cao tổng thể tiết diện liên hợp
h
a
: Chiều cao tiết diện thép hình
h
c
: Chiều dày bê tông sàn
h
p
: Chiều cao sóng tôn
h
1
: Khoảng cách từ trọng tâm thép hình đến mép ngoài cánh trên
h
2
: Khoảng cách từ trọng tâm thép hình đến mép ngoài cánh dới
i
: Bán kính quán tính
n : Hệ số mô đun đàn hồi dùng cho tải trọng ngắn hạn
n : Hệ số mô đun đàn hồi dùng cho tải trọng dài hạn
n : Hệ số mô đun đàn hồi chung cho tải trọng ngắn hạn và dài hạn
t
w
: Chiều dày bản bụng tiết diện thép hình
t
tf
: Chiều dày cánh trên tiết diện thép hình
t
bf
: Chiều dày cánh dới tiết diện thép hình
p
: Độ võng dầm do tải trọng ngoài gây ra
viii
X+Xi
: Độ vồng ngợc dầm do lực căng trớc và tự ứng lực
:
Hệ số an toàn (luôn kèm theo các chỉ dẫn tơng ứng, ví dụ F, G,
Q, A, M, Ma, a, ap, c, s, v, Rd)
: Độ mảnh
: ứng suất pháp
: ứng suất tiếp
các từ viết tắt TRONG LUậN áN
Dầm LH T-BT ƯST
: Dầm liên hợp thép - bê tông ứng suất trớc
(Dịch theo tiếng Anh: Prestressed composite steel
concrete beam)
Dầm LH T-BT : Dầm liên hợp thép - bê tông
EC4 : Tiêu chuẩn EuroCode 4
ƯST :
ứng suất trớc
ix
danh mục các bảng
Bảng 1.1. So sánh kết quả thí nghiệm giữa dầm LHT-BT và dầm liên hợp
thép bê tông ứng suất trớc trong thí nghiệm của M. Safan
Bảng 1.2. Các đặc trng cơ học của bê tông theo Eurocode 4
Bảng 1.3. Giá trị f
cm
của bê tông ở tuổi 28 ngày theo Eurocode 4
Bảng 1.4. Lớp độ bền bê tông giữa Eurocode với TCXDVN 356:2005
Bảng 1.5. Thép thanh dùng cho kết cấu BTCT theo TCXDVN 356:2005
Bảng 1.6. Các chỉ tiêu cơ học của thép các bon cán nóng theo TCVN 5709
Bảng 1.7. Một số dạng tôn hình của Steel Deck Institute (SDI)
Bảng 2.1. ứng suất lớn nhất cho phép trong cốt thép
Bảng 3.1. Kết quả lựa chọn dầm đơn giản nhịp L = 7,5m
Bảng 3.2. Kết quả lựa chọn dầm liên tục, đều nhịp L = 10,0m
Bảng 3.3. Tỷ số về diện tích thép giữa dầm LHT-BT ƯST với dầm LHT-BT
Bảng 4.1. Các chỉ tiêu cơ lý của thép hình
Bảng 4.2. Thiết kế cấp phối bê tông mác 350
Bảng 4.3. Cờng độ chịu nén của bê tông
Bảng 4.4. Mô đun đàn hồi của bê tông
Bảng 4.5. Các chỉ tiêu cơ lý của thanh căng
Bảng 4.6. Quy trình thí nghiệm dầm LHT-BT ƯST
Bảng 4.7. Quy trình thí nghiệm dầm LHT-BT
Bảng 4.8. Các thông số nghiên cứu, quan sát
Bảng 4.9. Kết quả tổng quát thí nghiệm
Bảng 4.10. Hiện tợng phá hoại dầm LHT-BT ƯST
Bảng 4.11. Hiện tợng phá hoại dầm LHT-BT
x
Bảng 4.12. Độ võng tại giữa dầm D1 trong giai đoạn chịu tải thi công
Bảng 4.13. So sánh giữa độ võng tính toán và thực nghiệm
Bảng 4.14. So sánh giữa độ võng tính toán lý thuyết và thực nghiệm
Bảng 4.15. So sánh giữa độ võng tại giữa dầm D2
Bảng 4.16. So sánh tính hiệu quả dầm LHT-BT ƯST với dầm LHT-BT
xi
danh mục các HìNH Vẽ, đồ thị
Hình 1.1. Tháp Thiên niên kỷ - áo
Hình 1.2. Quá trình xây dựng Tháp thiên niên kỷ
Hình 1.3. Chế tạo dầm liên hợp
Hình 1.4. Liên kết dầm - dầm
Hình 1.5. Hệ dầm sàn trong quá trình thi công
Hình 1.6. Thi công chốt hàn
Hình 1.7. Trung tâm thơng mại tài chính Bitexco tại Hồ Tùng Mậu - Hải
Triều - Quận 1 - Thành phố Hồ Chí Minh
Hình 1.8. Sàn liên hợp tại 109 Đờng Trờng Chinh Hà Nội (trớc khi đổ
bê tông)
Hình 1.9. Sơ đồ thí nghiệm của M.Safan
Hình 1.10. Mặt cắt tiết diện
Hình 1.11. Toàn cảnh thí nghiệm của M.Safan
Hình 1.12. Toàn cảnh thí nghiệm của Shimming Chen
Hình 1.13. Quan hệ mô men và độ võng trong thí nghiệm Shiming Chen
Hình 1.14. Toàn cảnh thí nghiệm của Wojciech Lorenc
Hình 2.1. Biểu đồ ứng suất của dầm trong giai đoạn đàn hồi
Hình 2.2. Biểu đồ nội lực để xác định chiều dài dây căng tại nhịp bất kỳ
trong dầm liên tục
Hình 2.3. Biểu đồ nội lực để xác định chiều dài hợp lý của dây căng tại
nhịp đầu và nhịp cuối dầm liên tục
Hình 2.4. Sơ đồ dầm liên tục và biểu đồ mô men uốn
Hình 2.5. Hệ cơ bản của dầm liên tục
Hình 2.6. Các kích thớc của sàn và tấm tôn.
Hình 2.7. Chiều rộng tham gia làm việc của bản sàn
Hình 2.8. Nhịp tơng đơng để xác định bề rộng hiệu quả
xii
Hình 2.9. Trục trọng tâm đi qua bản bê tông
Hình 2.10. Trục trọng tâm đi qua thép hình
Hình 2.11. Tiết diện chịu mô men âm
Hình 2.12. Biểu đồ mô men để kiểm tra độ võng theo phơng pháp đơn giản
Hình 2.13. Biểu đồ ứng suất trong dầm trong trờng hợp phát triển biến hình
dẻo
Hình 2.14. Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hoà dẻo đi qua bản bê tông
(Tiết diện chịu mô men dơng)
Hình 2.15. Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hoà dẻo đi qua bản cánh dầm
thép (Tiết diện chịu mômen dơng)
Hình 2.16. Biểu đồ ứng suất khi trục trung hoà dẻo đi qua bản bụng dầm thép
(Tiết diện chịu mômen dơng)
Hình 2.17. Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hoà đi qua cánh dầm thép
(Tiết diện chịu mômen âm)
Hình 2.18. Sự phân bố ứng suất dẻo khi trục trung hoà đi qua bản bụng (Tiết
diện chịu mômen âm)
Hình 3.1. Sơ đồ thuật toán chơng trình
Hình 3.2. Giao diện chơng trình PCB 1.0
Hình 3.3. Mở file số liệu, ghi file kết quả
Hình 3.4. Chọn diện tích dây căng
Hình 3.5. Số liệu đàu vào chi tiết
Hình 3.6. Chơng trình hoàn tất
Hình 3.7. Đồ thị quan hệ tải trọng - mô men quán tính tiết diện dầm thép
trong dầm LHT-BT ƯST theo chiều dài dầm
Hình 3.8. Đồ thị tỷ số diện tích phần dầm thép giữa dầm LHT-BT ƯST với
dầm LHT-BT theo chiều dài nhịp và tải trọng phân bố
xiii
Hình 4.1. Sơ đồ lý thuyết tính toán hai dầm thí nghiệm
Hình 4.2. Mặt cắt tiết diện hai dầm thí nghiệm
Hình 4.3. Sơ đồ bố trí tải trọng thí nghiệm
Hình 4.4. Sơ đồ bố trí thiết bị đo trên dầm LHT-BT ƯST
Hình 4.5. Chi tiết bố trí các thiết bị đo của dầm LHT-BT ƯST
Hình 4.6. Sơ đồ bố trí thiết bị đo trên dầm LHT-BT
Hình 4.7. Chi tiết bố trí các thiết bị đo dầm LHT-BT
Hình 4.8. Tổng thể sơ đồ thí nghiệm
Hình 4.9. Toàn cảnh thí nghiệm dầm LHT-BT ƯST
Hình 4.10. Thí nghiệm xác định chỉ tiêu cơ lý thanh căng
Hình 4.11. Thí nghiệm xác định chỉ tiêu cơ lý bê tông
Hình 4.12. Thí nghiệm xác định chỉ tiêu cơ lý vật liệu dầm
Hình 4.13. Các hình ảnh phá hoại dầm LHT-BT ƯST
Hình 4.14. Các hình ảnh phá hoại dầm LHT-BT
Hình 4.15. Biều đồ phân bố ứng suất trong dầm thép ƯST tại mặt cắt 2-2
Hình 4.16. Đồ thị ứng suất trong thanh căng theo các cấp tải
Hình 4.17. Biểu đồ độ võng thực nghiệm dầm thép ƯST (D1)
Hình 4.18. Phân bố ứng suất tại mặt cắt giữa dầm
Hình 4.19. Đồ thị tải trọng - ứng suất trong bản BT (mặt cắt 2-2 - dầm D1)
Hình 4.20. Đồ thị tải trọng - ứng suất trong bản BT (mặt cắt 3-3 dầm D1)
Hình 4.21. Đồ thị tải trọng - ứng suất trong dầm thép (mặt cắt 2-2 - dầm D1)
Hình 4.22. Đồ thị ứng suất trong thanh căng của dầm D1
Hình 4.23. Biểu đồ chuyển vị dầm D1 theo các cấp tải
Hình 4.24. Biểu đồ ứng suất trong bê tông dầm LHT-BT
Hình 4.25. Đồ thị ứng suất trong dầm thép (mặt cắt 2-2 dầm D2)
Hình 4.26. Biểu đồ chuyển vị tại tiết diện giữa dầm D2
1
Mở đầu
1. Lý do chọn đề tài
Kết cấu liên hợp thép - bê tông (LHT-BT) đã đợc nghiên cứu, ứng
dụng và phát triển từ hơn 100 năm nay và đã thể hiện những u điểm của nó
về khả năng chịu lực, thời gian thi công, ứng dụng vào các công trình cao
tầng, công trình nhịp lớn.
ứng suất trớc (ƯST) là một phơng pháp tạo nên trong kết cấu ứng
suất ngợc dấu với ứng suất do tải trọng gây ra nhằm mục đích tăng khả năng
chịu lực của kết cấu, tức là giảm chi phí vật liệu nhng vẫn đảm bảo khả năng
chịu lực yêu cầu, giảm biến dạng của kết cấu. ứng suất trớc đến nay là một
phơng án thiết kế hiện đại rất phổ biến trong kết cấu bê tông cốt thép, kết cấu
thép và đã đợc ứng dụng rộng rãi trên thế giới cũng nh tại Việt Nam.
Kết cấu LHT-BT là sự kết hợp giữa kết cấu thép và kết cấu bê tông, với
các đặc trng về vật liệu, đặc điểm làm việc sẵn sàng đáp ứng các yêu cầu của
phơng án ƯST. Việc sử dụng phơng án thiết kế ƯST vào kết cấu LHT-BT
sẽ đem lại những tính năng đặc biệt và giải quyết đợc những yêu cầu về kiến
trúc và công nghệ. Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, sử dụng ƯST trong kết
cấu LHT-BT hiện nay cha đợc nghiên cứu và ứng dụng nhiều, ngay cả trong
tiêu chuẩn Eurocode 4 - Kết cấu liên hợp thép - bê tông cũng cha có quy
định cụ thể về ứng suất trớc.
Theo các tài liệu tham khảo, việc nghiên cứu ứng dụng ƯST vào kết cấu
LHT-BT trên thế giới là các nghiên cứu thực nghiệm vào các thí nghiệm để
chứng minh tính hiệu quả của kết cấu LHT-BT ƯST so với kết cấu LHT-BT
thông thờng, còn về lý thuyết tính toán cha thấy có các nghiên cứu tổng
quát và cụ thể.
Do đó tác giả đã lựa chọn đề tài Nghiên cứu, tính toán kết cấu dầm
liên hợp thép - bê tông ứng suất tr
ớc trong xây dựng dân dụng và công
nghiệp cho luận án tiến sỹ kỹ thuật.
2
2. Mục đích, đối tợng, phạm vi và phơng pháp nghiên cứu của luận án.
* Mục đích của luận án:
- Kết hợp những u điểm của dầm LH T-BT và ứng suất trớc để có một
phơng án kết cấu có hiệu quả cao hơn.
* Để đạt đợc mục đích trên thì nhiệm vụ của luận án đề ra là:
- Nghiên cứu, thiết lập các công thức tính toán trong kết cấu dầm LHT-
BT ƯST để áp dụng vào thực tế.
- Xây dựng trình tự tính toán, chơng trình tính toán kết cấu dầm LHT-
BT ƯST để hỗ trợ tính toán thiết kế, khảo sát và ứng dụng.
- Thí nghiệm kiểm chứng để kiểm tra các công thức tính toán của kết
cấu dầm LHT-BT ƯST, đồng thời kiểm chứng tính hiệu quả của kết cấu dầm
LHT-BT ƯST so với dầm LHT-BT.
* Đối tợng và phạm vi nghiên cứu
- Sử dụng ƯST trong kết cấu LHT-BT là một bài toán lớn, đa dạng và
phức tạp, trong luận án này, tác giả lựa chọn đối tợng nghiên cứu là kết cấu
dầm LHT-BT ƯST. Đây cũng là loại cấu kiện phổ biến và quan trọng nói
chung và trong kết cấu nhà cao tầng nói riêng.
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu dầm đơn giản, dầm liên tục LHT-BT
ƯST. Phơng pháp ƯST là phơng pháp căng trớc trên dầm thép, dùng dây
căng dạng thẳng, không dính bám (nếu đặt trong bê tông). Thép kết cấu sử
dụng loại có giới hạn chảy không vợt quá 355 N/mm
2
, các vật liệu sử dụng
trong điều kiện Việt Nam.
* Phơng pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu lý thuyết và phơng pháp tính kết cấu LHT-BT và những
thành tựu ứng dụng của kết cấu này trên thế giới và tại Việt Nam.
- Nghiên cứu lý thuyết tính toán kết cấu ƯST trong lĩnh vực kết cấu
thép, từ đó thiết lập lý thuyết tính toán kết cấu dầm LHT-BT ƯST.
3
- Khảo sát và ứng dụng tính toán các dầm đơn giản và liên tục LHT-BT
ƯST;
- Thí nghiệm kết cấu dầm LHT-BT ƯST trên mô hình lớn để kiểm tra,
so sánh với lý thuyết tính toán.
3. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
- Về ý nghĩa khoa học: Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về kết cấu
dầm LHT-BT ƯST áp dụng trong lĩnh vực xây dựng và công nghiệp, và sử
dụng vào Việt Nam.
- Về ý nghĩa thực tiễn: Hiện nay kết cấu LHT-BT đã bắt đầu sử dụng tại
Việt Nam trong một số công trình cao tầng hoặc nhịp lớn, vì vậy đề tài nghiên
cứu, tính toán dầm LHT-BT ƯST có thế sẽ đem lại hiệu quả cao hơn cho loại
kết cấu này.
4. Nội dung và cấu trúc của luận án.
- Nội dung của luận án bao gồm 4 chơng với 106 trang, 71 hình vẽ, 27
bảng biểu với cấu trúc nh sau:
Mở đầu
Chơng I: Tổng quan kết cấu dầm liên hợp thép - bê tông và hớng sử
dụng ứng suất trớc trong loại kết cấu này
Chơng II: Tính toán dầm liên hợp thép - bêtông ứng suất trớc.
Chơng III: Chơng trình máy tính, ứng dụng khảo sát và tính toán
Chơng IV: Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng.
Kết luận
4
Chơng 1: Tổng quan về kết cấu liên hợp thép - bê tông
v hớng sử dụng ứng suất trớc trong
loại kết cấu ny
1.1. Tổng quan về kết cấu liên hợp thép - bê tông
1.1.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông
Lịch sử phát triển của việc dùng kết cấu liên hợp thép-bê tông (LHT-
BT) gắn liền với lịch sử phát triển kết cấu bê tông cốt thép, vì thực chất loại
kết cấu này là một trờng hợp cá biệt của kết cấu bê tông cốt thép. Do tính
chất cấu tạo của cốt thép khác so với kết cấu bê tông cốt thép thông thờng,
nó có thể ở dạng thép tấm, thép hình, thép ống, thép ở dạng khung, nó có thể
nằm ngoài (kết cấu thép nhồi bê tông), hay có thể nằm bên trong bê tông (kết
cấu thép bọc bê tông), hoặc có thể nằm ở hai thớ khác nhau của tiết diện nên
tính chất làm việc, sự tơng tác giữa bê tông và thép không giống nh bê tông
cốt thép thông thờng (dùng cốt tròn), vì vậy việc thiết kế loại kết cấu này
cũng mang tính chất hoàn toàn khác [4, tr8].
Tuy ra đời muộn hơn một số kết cấu truyền thống nh kết cấu thép, kết
cấu bêtông, kết cấu gỗ nhng dạng kết cấu này đã đợc sử dụng từ hơn 100
năm nay và càng ngày càng thấy có nhiều u việt cần thiết phải khai thác .
Kết cấu LHT-BT bắt đầu xuất hiện từ năm 1894, thời kỳ đầu các ứng
dụng chủ yếu làm cầu nh các công trình Cầu Rock Rapids (1894); cầu ở Pitts
Burgh, Pennsylvania (1898) [4, tr 8-9]; Cầu Sava ở Bekgrade, Nam T cũ
(1956); Cầu Whisky Creek, Mỹ (1961) [19, tr. 103-107];
Đến đầu những năm 1950, ứng dụng kết cấu LHT-BT trong công trình
xây dựng thờng không có tính kinh tế cao, do lợng ván khuôn, hệ đỡ đáng
kể phải sử dụng trong quá trình thi công bản bê tông, cùng với việc mất nhiều
thời gian để hàn các neo thép vào dầm. Đến thời điểm này, kết cấu LHT-BT
chỉ đợc sử dụng rộng rãi trong thi công cầu. [40, tr. 20]
5
Sự phát triển của máy hàn đinh theo công nghệ cung lửa điện vào những
năm 1954 cho phép ra đời loại neo chốt hàn có mũ, đợc liên kết nhanh và tại
chỗ trên bản cánh của dầm thép. Cùng với sự ra đời của ván thép định hình
(sau này phát triển thành tôn sóng) vào nửa cuối những năm 1950, đã xóa bỏ
hầu nh toàn bộ việc sử dụng ván khuôn tạm bằng gỗ trớc kia, do các u
điểm sử dụng làm sàn công tác đỡ tải trọng thi công cũng nh làm ván khuôn
vĩnh cửu cho bê tông. [40, tr.23-24]
Từ đó trở đi kết cấu LHT-BT bắt đầu đợc dùng phổ biến trong xây
dựng nhà cao tầng trên thế giới nh Toà nhà Atlantic Centre Project ở Atlanta;
Millennium Tower, Bãi đỗ xe DEZ (áo); Citibank Duisburg (Đức) [4, tr.17-
19].
Việc sử dụng kết cấu LHT-BT đã trải qua một quãng đờng dài nhng
chính thức đa vào tiêu chuẩn quốc gia thì gần đây mới đợc quan tâm rõ rệt.
Sau khi tiêu chuẩn ASSHTO (Mỹ), DIN 1078 (Đức), SRC Standard (Nhật) ban
hành, hàng loạt các quốc gia khác dựa vào đó soạn thảo tiêu chuẩn cho nớc
mình. Gần đây Uỷ ban cộng đồng Châu Âu CEC (The Commission of the
European Communities) thấy rằng cần thiết phải có một bộ tiêu chuẩn thống
nhất chung cho các quốc gia Châu Âu không chỉ về kết cấu liên hợp mà về kết
cấu xây dựng nói chung. Bộ tiêu chuẩn gọi là European Codes (EuroCodes
hay EC). EuroCodes gồm 8 tập, trong đó EuroCodes 4 là tiêu chuẩn về Kết
cấu LHT-BT [4, tr 12-13].
ở Việt Nam, lý thuyết tính toán cấu kiện LHT-BT (bê tông cốt cứng) đã
đợc đa vào giáo trình bậc đạo học từ năm 1995, dựa theo lý thuyết tính toán
của Nga và còn khá đơn giản. Sau đó là một số luận văn cao học của các tác
giả Nguyễn Văn Khánh (1996), Hoàng Văn Quang hoặc các đề tài NCKH của
ĐH Xây Dựng và Viện KTXD Hà Nội (2005). Năm 2006 lý thuyết tính toán
Kết cấu liên hợp thép - bêtông dùng trong nhà cao tầng[4] đợc xuất bản,
nhằm cung cấp kiến thức cơ bản về kết cấu liên hợp cho kỹ s, cán bộ kỹ
6
thuật, nghiên cứu và giảng dạy ở bậc cao học của ngành xây dựng, trên cơ sở
đó có thể đi đến thiết kế loại kết cấu này khi thực tế xây dựng yêu cầu.
1.1.1.1. Đặc điểm của kết cấu liên hợp thép - bê tông
- Khả năng chống ăn mòn của thép đợc tăng cờng. Điều này càng có
ý nghĩa đối với công trình xây dựng ở vùng khí hậu có độ ẩm cao, công trình
ven biển, các cấu kiện bị tiếp xúc với môi trờng ăn mòn.
- Tăng độ cứng của kết cấu, điều này thấy rõ đối với các cột LHT-BT
kể cả bọc ngoài hay nhồi trong đều làm giảm độ mảnh của cột thép làm tăng
khả năng ổn định cục bộ cũng nh tổng thể của thép.
- Khả năng biến dạng lớn hơn kết cấu bê tông cốt thép, đó là u điểm
lớn trong việc chịu tải trọng động đất.
- Có thể tạo kết cấu ứng lực trớc trong khi thi công, tăng hiệu quả sử
dụng vật liệu, nhất là vật liệu cờng độ cao.
- Có thể dễ dàng dùng phơng pháp thi công hiện đại (phơng pháp thi
công ván khuôn trợt, thi công lắp ghép) làm tăng tốc độ thi công, sớm đa
công trình vào sử dụng.
- So với kết cấu bê tông thông thờng, kích thớc của kết cấu LHT-BT
bé hơn, do đó tăng đợc không gian sử dụng.
- Có thể đạt hiệu quả kinh tế cao. So với kết cấu bê tông cốt thép thông
thờng thì lợng thép dùng trong kết cấu LHT-BT lớn hơn, nhng đôi khi
cha hẳn là đắt hơn. Nếu đánh giá hiệu quả kinh tế một cách toàn diện, có thể
chi phí vật liệu cao nhng bù lại bởi tốc độ thi công nhanh, sớm quay vòng
vốn và đa vào sử dụng sớm thì rất có thể công trình sẽ rẻ hơn [4, tr16], [51].
1.1.1.2. Một số công trình kết cấu liên hợp thép - bê tông trên thế giới.
- Tháp Thiên niên kỷ (Viên - áo): Tòa nhà cao 55 tầng ( hơn 202m, bao
gồm cả ăngten); với diện tích mặt bằng khoảng 1000m
2
. Tiến độ thi công 8
tháng (tháng 5 đến tháng 9/1998), tơng đơng từ 2ữ2,5 tầng/tuần. (Hình 1.1
và hình 1.2)
7
- Tòa nhà Major Bank ở Dallas, tiểu bang Texas, 35 tầng (237m), tổng
diện tích khoảng 185.800 m
2
, chi phí thép cho nhà tính bình quân khoảng
khoảng 78 kg/ m
2
.
- Trụ sở của Citibank ở Duisburg (Đức), cao 15 tầng (72m), diện tích
mặt bằng 14.500m
2
. Tiến độ thi công theo chiều cao là 3m/tuần.
Hình 1.1 - Tháp Thiên niên kỷ - áo Hình 1.2 Quá trình xây dựng
tháp Thiên niên kỷ
Hình 1.3. Chế tạo dầm liên hợp Hình 1.4. Liên kết dầm - dầm
8
Hình 1.5. Hệ dầm sàn trong quá trình TC
Hình 1.6. Thi công chốt hàn
1.1.2. Kết cấu liên hợp thép - bê tông tại Việt Nam
Kết cấu LHT-BT đã đợc ứng dụng tại Việt Nam từ những năm 2005,
chủ yếu ở Tp Hồ Chí Minh và Hà Nội, điển hình là công trình Trung tâm
thơng mại tài chính Bitexco Tower - TP Hồ Chí Minh (2009) - Hình 1.7;
Diamond Plaza - TP Hồ Chí Minh; Sàn LHT -BT của Công ty xuất nhập khẩu
Hồng Hà tại 109 đờng Trờng Chinh - Hà Nội (Hình 1.8); Tòa nhà Dolphin
Plaza; Bảo tàng Hà Nội
Hiện nay một số thiết kế nhà cao tầng đã dùng kết cấu LHT-BT và sẽ
đợc đa vào thi công tại các thành phố lớn. Với yêu cầu phát triển xây dựng
nh hiện nay, loại kết cấu này chắc chắn sẽ đợc sử dụng rộng rãi ở nớc ta,
trớc hết là cho các công trình xây dựng từ 30 tầng trở lên.
