CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP

VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP

10


CHƯƠNG 2
VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU
LIÊN HỢP

VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP

11

1. BÊ TÔNG
1.1. Quy định của Eurocode 2 và Eurocode 4
Trong kết cấu liên hợp dùng bê tông thông thường như trong kết cấu bê tông
cốt thép. Có thể dùng bê tông nặng (bê tông thông thường) với khối lượng riêng 1800
< ρ ≤ 2500 kg/m
3
, hoặc bê tông nhẹ 1600 < ρ ≤ 1800 kg/m
3
.

1.1.1. Các cường độ đặc trưng của bê tông
Bảng 2.1. Các đặc trưng cơ học của bê tông theo Eurocode 4
Lớp độ bền
C20/25
C25/30
C30/37
C35/45
C40/50

C45/55
C50/60
f
ck
(N/mm
2
)
20
25
30
35
40
45
50
f
ctk,0.05
(N/mm
2
)
1,5
1,8
2,0
2,2
2,5
2,7
2,9
f
cm
(N/mm
2

)
28
33
38
43
48
53
58
f
ctm
(N/mm
2
)
2,2
2,6
2,9
3,2
3,5
3,8
4,1
E
cm
(kN/mm
2
)
29
30,5
32
33,5
35

36
37
Chú thích :
f
ck
– Cường độ chịu nén đặc trưng của mẫu bê tông hình trụ ở tuổi 28 ngày
f
ctk,0.05
– Cường độ chịu kéo đặc trưng của mẫu bê tông hình trụ ở tuổi 28 ngày
f
cm
– Cường độ chịu nén trung bình của mẫu bê tông hình trụ ở tuổi 28 ngày
f
ctm
– Cường độ chịu kéo trung bình của mẫu bê tông hình trụ ở tuổi 28 ngày
E
cm
– Module đàn hồi cát tuyến có kể đến ảnh hưởng của các tác động ngắn
hạn.
Trong kí hiệu lớp độ bền, chẳng hạn C25/30, con số đầu tiên là cường độ chịu
nén đặc trưng của mẫu bê tông hình trụ ở tuổi 28 ngày, con số thứ hai là cường độ
chịu nén đặc trưng của mẫu bê tông hình lập phương ở tuổi 28 ngày.
Ví dụ : cường độ chịu nén đặc trưng của mẫu bê tông C25/30 hình lập
phương ở tuổi 28 ngày là 30 Mpa (N/mm
2
).

1.1.2. Cường độ tính toán
 Cường độ tính toán chịu nén của bê tông tính như sau :
ck

cc
cd
c
f
f




Trong đó :
γ
c
– hệ số kể đến đặc tính riêng của bê tông, lấy theo bảng 2.2. phụ thuộc tổ hợp
tải trọng.
α
cc
– hệ số kể đến những tác động lâu dài đến sức bền nén và các tác động bất
lợi của các tải trọng tác dụng. Giá trị α
cc
giao động từ 0,8 – 1 tùy theo qui định của
từng nước (các nước thành viên sử dụng Eurocode). Có thể dùng α
cc
= 1.

Bảng 2.2. Hệ số đặc tính riêng của bê tông γ
c

Tổ hợp tải trọng
Bê tông γ
c

Thép thanh và thép ứng suất trước γ
c

Cơ bản
1,5
1,15
Đặc biệt (trừ động đất)
1,3
1,0
 Cường độ tính toán chịu kéo của bê tông tính như sau :
VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP

12

,0.05ctk
ct
ctd
c
f
f




Trong đó :
γ
c
– hệ số kể đến đặc tính riêng của bê tông, lấy theo bảng 2.2. phụ thuộc tổ hợp
tải trọng.

α
ct
– hệ số kể đến những tác động lâu dài đến sức bền kéo và các tác động bất
lợi của các tải trọng tác dụng. Giá trị α
ct
tùy theo qui định của từng nước (các nước
thành viên sử dụng Eurocode). Có thể dùng α
cc
= 1.
f
ctk,0.05
– Cường độ chịu kéo đặc trưng của mẫu bê tông hình trụ ở tuổi 28 ngày,
lấy theo bảng 2.1

1.1.3. Module đàn hồi E
cm

 Module đàn hồi riêng của bê tông
Module đàn hồi E
cm
của bê tông phụ thuộc module đàn hồi của các yếu tố thành
phần. Các giá trị của E
cm
được cho trong bảng 2.1 là cho bê tông cốt liệu đá thạch anh.
Đối với cốt liệu đá vôi hoặc đá sa thạch thì module đàn hồi có thể giàm tương ứng
10% và 30%. Ngược lại cốt liệu từ đá bazan thì module đàn hồi tăng 20%.
 Module đàn hồi của tiết diện liên hợp thép – bê tông
Để xác định các đặc trưng của tiết diện dầm sàn liên hợp , người ta đưa vào
khái niệm hệ số tính đổi tương đương thép – bê tông được xác định như sau
a

cm
E
n
E


Trong đó :
E
a
– module đàn hồi của kết cấu thép
Đối với bê tông nhẹ Eurocode điều chỉnh giá trị của E
cm
bằng cách nhân các giá
trị E
cm
cho trong bảng 2.1 với trị số (ρ/2400)
2
.

Ngoài ra, dưới tác động của các tác dụng dài hạn, bê tông sẽ chịu các biến dạng
khác hoặc hiện tượng mỏi, một cách đơn giản hóa để kể đến hiện tượng mỏi do tác
dụng của tải trọng dài hạn người ta giảm giá trị của module cát tuyến E
cm
. Thường
dùng giá trị E
cm
/3, như vậy hệ số tính đổi tương đương của tải trọng dài hạn sẽ là :
n’ = 3n
Chú ý rằng đối với phần lớn các công trình, ngoài các điều chính xác hóa, với
mục đích an toàn và đơn giản hóa trong việc phân tích cho phép dùng hệ số tính đổi

tương đương duy nhất của giá trị trung gian :
n” = 2n
Giá trị này dung chung cho cả tác dụng dài hạn và ngắn hạn.

1.1.4. Sự co ngót của bê tông
Một hiện tượng khác, từ bản chất lý hóa, tác dụng đến biến dạng của bê tông
theo thời gian: đó là sự co ngót mà qui luật đánh giá nó rất gần với hiện tượng mỏi. Sự
co ngót này coi như được xảy ra tự do, và được xác định qua hệ số co ngót như sau:
 Bằng 3.10
-4
trong môi trường khô ở trong hoặc ngoài công trình (trừ các cấu
kiện được nhồi bê tông).
VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP

13

 Bằng 2.10
-4
trong các môi trường khác và cho các cấu kiện nhồi bê tông.
Các giá trị trên dùng cho bê tông có khối lượng riêng trung bình thông thường,
đối với bê tông nhẹ, các giá trị trên được nhân với 1,5 lần.
Trong kết cấu liên hợp, hiện tượng co ngót gây nên các ứng suất. Tuy nhiên, khi
tính toán công trình theo trạng thái giới hạn về phá hỏng (trạng thái kết cấu không sử
dụng được nữa) rất ít khi kể đến sự co ngót của bê tông. Cần lưu ý ở đây chỉ đối với
tiết diện liên hợp loại 4, có thể kể đến ảnh hưởng của co ngót bê tông khi tính toán độ
võng của kết cấu theo trạng thái giới hạn về sử dụng, nhất là đối với dầm đơn giản
nhịp lớn.

1.1.5. Hệ số dãn nở do nhiệt
Hệ số dãn nỡ nhiệt của bê tông gần như bằng hệ số dãn nở do nhiệt của thép kết

cấu, tức là
015
10 C



; đối với bê tông nhẹ
015
0,7 10 C



. Chú ý rằng tác động
khác nhau của nhiệt độ giữa bê tông sàn và các thép định hình có thể ghép vào tác
động của bê tông sàn. Nhưng trong tính toán công trình thông thường theo trạng thái
giới hạn về phá hoại thường bỏ qua tác động này.

1.2. Qui định của Việt Nam – TCXDVN 356:2005
Mẫu bê tông qui định trong TCXDVN là mẫu lập phương.
Tiêu chuẩn này có thể dùng các loại bê tông sau cho kết cấu liên hợp thép – bê
tông :
 Bê tông nặng có khối lượng riêng trung bình từ 2200 kg/m
3
đến 2500 kg/m
3
;
 Bê tông hạt nhỏ có khối lượng riêng trung bình lớn hơn 1800 kg/m
3
;
 Bê tông nhẹ có cấu trúc đặc và rỗng;

1.2.1. Cấp độ bền chịu nén - cường độ chịu nén tức thời
Tương quan giữa cấp độ bền chịu nén và cường độ chịu nén tức thời của bê
tông được xác định theo công thức:
 

6411 ,BB
m


m
B
– tương ứng là các giá trị trung bình thống kê của cường độ chịu nén tức
thời
ν – hệ số biến động của cường độ các mẫu thử tiêu chuẩn, phụ thuộc vào trình
độ công nghệ sản xuất bê tông:

= 0,135 ứng với trường hợp chịu nén.
Bảng 2.3. Đặc trưng cơ học của bê tông theo TCXDVN 356:2005
Cấp độ bền
chịu nén
Cường độ trung bình của
mẫu thử tiêu chuẩn, MPa
Cấp độ bền
chịu nén
Cường độ trung bình của
mẫu thử tiêu chuẩn, MPa
B10
12,84
B40
51,37

B12,5
16,05
B45
57,80
B15
19,27
B50
64,22
B20
25,69
B55
70,64
B22,5
28,90
B60
77,06
B25
32,11
B65
83,48
B27,5
35,32
B70
89,90
B30
38,53
B75
96,33
B35
44,95

B80
102,75
VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP

14


1.2.2. Cấp độ bền chịu nén - cường độ chịu nén tiêu chuẩn
Tương quan giữa cường độ chịu nén tiêu chuẩn của bê tông (cường độ lăng trụ)
và cấp độ bền chịu nén của bê tông được xác định theo các công thức sau:
 Đối với bê tông nặng, bê tông hạt nhỏ, bê tông nhẹ và bê tông rỗng:
 
BBR
bn
001,077,0 

nhưng không nhỏ hơn 0,72.
 Đối với bê tông tổ ong:
 
BBR
bn
005,095,0 


1.2.3. Cấp độ bền chịu nén - cường độ chịu nén tính toán
Cường độ chịu nén tính toán của bê tông khi tính toán ở trạng thái giới hạn thứ
nhất được xác định bằng cách lấy cường độ tiêu chuẩn chia cho hệ số độ tin cậy của bê
tông khi chịu nén.
Đối với bê tông nặng, hệ số độ tin cậy của bê tông khi chịu nén khi tính toán kết
cấu ở trạng thái giới hạn thứ nhất là 1.

1.3. So sánh các đặc trưng cơ học của bê tông theo hai tiêu chuẩn
Eurocode 4 và TCXDVN 356:2005
1.3.1. Về các đặc trưng cường độ
Cách thành lập cường độ tính toán cho bê tông của hai tiêu chuẩn Eurocode và
Việt Nam là khác nhau. Vì vậy để so sánh giữa hai tiêu chuẩn là khó khăn.
Tuy nhiên cả hai tiêu chuẩn đều dựa vào cường độ chịu nén tức thời trung bình
của các mẫu thí nghiệm để thành lập nên các thông số cường độ để dùng cho thiết kế.
Các giá trị thí nghiệm của mẫu đều tồn tại khách quan không phụ thuộc vào các hệ số
an toàn vật liệu, hệ số tải trọng, hệ số điều kiện làm việc… theo từng tiêu chuẩn.
Do đó để so sánh cấp độ bền bê tông ta dùng cường độ chịu nén tức thời trung
bình của mẫu bê tông.
Tuy nhiên, để thống nhất với tiêu chuẩn của Việt Nam ta chuyển đổi tất cả các
giá trị trung bình của mẫu nén hình trụ của Eurocode thành mẫu lập phương. Cách
chuyển đổi như sau :
Ví dụ với mẫu có cấp độ bền C20/25
Ghi chú
f
cm

(N/mm
2
)
Mẫu hình trụ
28
Giá trị Eurocode cho
Mẫu lập
phương
25
28 35

20


Giá trị tính được bằng cách nhân hệ số
chuyển đổi 25/20
Dựa theo cách tính như trên , ta có bảng 2.11 với các giá trị chuyển đổi cường
độ giữa hai loại mẫu.



VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP

15

Bảng 2.4. Giá trị cường độ chịu nén trung bình f
cm
của bê tông ở tuổi 28 ngày theo
Eurocode 4
Lớp độ bền
C20/25
C25/30
C30/37
C35/45
C40/50
C45/55
C50/60
f
cm
(N/mm
2

)
Mẫu
hình trụ
28
33
38
43
48
53
58
Mẫu
hình lập
phương
35
39.6
46.7
55
60
64,7
69,6
So sánh bảng 2.3 và 2.4, ta có tổng hợp kết quả qui đổi tương đương giữa cấp
độ bền của bê tông theo TCXDVN với Eurocode như sau:
 Lớp độ bền C20/25 Eurocode tương đương cấp B25 (Mác 350) của
TCXDVN.
 Lớp độ bền C25/30 Eurocode tương đương cấp B30 (Mác 400) của
TCXDVN.
 Lớp độ bền C30/37 Eurocode tương đương cấp B35 (Mác 450) của
TCXDVN.
 Lớp độ bền C35/45 Eurocode tương đương cấp B45 (Mác 600) của
TCXDVN.

Như vậy cần lưu ý rằng theo qui định của Eurocode 4 thì chì được dùng bê tông
có cấp độ bền B25 (hay mác 350) trở lên theo TCXDVN để chế tao kết cấu liên hợp
thép – bê tông.
1.3.2. Về một số chỉ tiêu cơ lý khác
 Về module đàn hồi : so sánh các giá trị module đàn hồi trong bảng 2.1 và 2.10 ta
thấy các giá trị module đàn hồi gần tương đương nhau trong cả hai tiêu chuẩn
Eurocode 4 và TCXDVN 356:2005.
 Các hệ số dãn nở nhiệt, hê số Poisson như nhau cho cả hai tiêu chuẩn.
KẾT LUẬN : Khi thiết kế kết cấu liên hợp thép – bê tông theo tiêu chuẩn
Eurocode 4 có thể lấy các cấp độ bền (hay mác) bê tông theo TCXDVN 356:2005
tương đương với lớp độ bền của bê tông theo Eurocode 4 rồi sử dụng lý thuyết thiết kế
theo Eurocode 4.
2. THÉP
2.1. Thép thanh
2.1.1. Theo Eurocode 4
Tiêu chuẩn Châu Âu EN 100803 đã đưa ra ba mác thép dùng cho kết cấu liên
hợp : S220; S400; S500, các con số ở ký hiệu chỉ giới hạn đàn hồi của từng loại f
sk

(N/mm
2
). Mác S220 là thép tròn trơn cán nóng, các mác S400 và S500 là thép thanh
tròn có gai (kể cả lưới thép hàn) cho tính ma sát lớn. Ở đây chỉ tính toán mức dẻo cho
phép chủ yếu đối với các mác thép S400, S500 loại có tính dẻo lớn, theo qui định của
Eurocode 2 nếu f
s
(u)
là sức bền kéo đứt của thép và ε
sk
(u)

là biến dạng tương đối khi bị
đứt thì yêu cầu về tính dẻo dai như sau:
()
5%
u
sk


và
()
1,08
u
s
sk
f
f


VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP

16

Module đàn hồi E
s
của cốt thép giao động từ 190 đến 200 kN/mm
2
. Để đơn giản
tính toán, trong kết cấu liên hợp cho phép lấy giá trị của E
s
là giá trị của E

a
= 210
kN/mm
2
của kết cấu thép.

2.1.1. Theo TCXDVN 356:2005
TCXDVN qui định dùng thép thanh cho kết cấu bê tông cốt thép, ký hiệu,
cường độ chịu kéo tiêu chuẩn R
sn
và cường độ chịu kéo tính toán khi tính toán theo
trạng thái giới hạn thứ hai R
s,ser
của chúng nêu ở bảng 2.5.
Bảng 2.5. Thép thanh dùng cho kết cấu bê tông cốt thép theo TCXDVN 356:2005
Nhóm cốt thép thanh
Giá trị R
sn
và R
s,ser
, MPa
CI, A-I
235
CII, A-II
295
CIII, A-III
390
CIV, A-IV
590
A-V

788
A-VI
980
AT-VII
1175
Ghi chú:
Nhóm CI, AI là thép trơn
Nhóm CII, A-II đến A-VI là thép gai
Thép AT-VII là thép có gai được gia công nhiệt và cơ nhiệt luyện.
Có thể kết luận rằng các đặc trưng cơ học như giới hạn chảy, module đàn hồi,
tính dẻo… về cơ bản giống như thép của Eurocode. Khi thiết kế có thể sử dụng các
loại thép này làm cơ sở để tính toán théo các công thức của Eurocode 4.

2.2. Thép kết cấu (thép làm lõi chịu lực của kết cấu liên hợp)
2.2.1. Theo Eurocode 4
Trong tiêu chuẩn Eurocode 4 part 1 trình bày cách tính toán các kết cấu liên
hợp được sản suất từ thép mác thông thường S235, S275 và S355 (các con số ký hiệu
giới hạn chảy N/mm
2
) xác định trong tiêu chuẩn EN 10025 và EN 10113. Để có các
giá trị tiêu chuẩn của giới hạn chảy f
y
và sức bền kéo đứt f
u
của các cấu kiện cán nóng
phụ thuộc vào chiều dày, được cho trong bảng 2.6.
Bảng 2.6. Các chỉ tiêu cơ học của thép cán nóng theo TCVN 5709:1993
Thép
Chiều dày t (mm)
t  40mmn

40 < t  40mmn
f
y
(N/mm
2
)
f
u
(N/mm
2
)
f
y
(N/mm
2
)
f
u
(N/mm
2
)
S275
275
390
255
370
S355
355
490
335

470

2.2.1. Theo TCVN 5709:1993. Thép cán nóng dùng cho xây dựng
Các chỉ tiêu cơ học của các loại thép cán nóng có thể sử dụng trong kết cấu xây
dựng nêu ở bảng 2.7.



VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP

17

Bảng 2.7. Các chỉ tiêu cơ học của thép cán nóng theo TCVN 5709:1993
Mác
thép
Độ bền kéo
N/mm
2

Giới hạn chảy (N/mm
2
) cho độ
dày (mm)
Độ dãn dài (%) cho độ
dày (mm)
≤ 20
> 20 đến
40
> 40 đến
100

≤
20
> 20
đến 40
> 40 đến
100
XCT34
340 – 440
220
210
200
32
31
29
XCT38
380 – 500
240
230
220
26
25
23
XCT42
420 – 520
260
250
240
23
23
22

XCT52
520 – 620
360
350
350
22
22
21

Đối chiếu các loại thép trong hai tiêu chuẩn và theo qui định của Eurocode 4
nên dùng thép Việt Nam có các mác từ XCT38 trở lên.

2.3. Tôn định hình bằng thép của sàn liên hợp
Mác thép cho tấm tôn thép được qui định trong tiêu chuẩn Eurocode 10147, với
các giá trị tiêu chuẩn của giới hạn đàn hồi của vật liệu thép cơ bản f
yp
từ 220 đến 350
N/mm
2
. Chiều dày của các tấm tôn này từ 0,7 – 1,5 mm, mỗi mặt đều được mạ kẽm
dày 0,02 mm để chống ăn mòn, có thể bổ sung sơn sau mạ kẽm.
Mô hình làm việc hoàn toàn đàn dẻo, module đàn hồi E= 210 kN/m
2
, các giá trị
dùng cho thép kết cấu có thể áp dụng cho vật liệu chế tạo tôn định hình.
Như vậy khi thiết kế sàn liên hợp ở Việt Nam cần chọn các loại tôn thỏa mãn các
yêu cầu nêu ở trên.

3. LIÊN KẾT
3.1. Liên kết chịu cắt (shear connector)

Trong luận văn này, chỉ xét Shear Connector là liên kết chốt hàn (Headed Stud
Connector). Các đặc trưng cường độ của liên kết chốt hàn được xác định trong
Eurocode 4. Thông thường cường độ thép sử dụng là f
u
=450 N/mm
2
(sức bền kéo đứt
của thép làm chốt).
3.2. Bu lông
Bảng 2.8. Giá trị cường độ chảy và cường độ tới hạn của bu lông
Lớp độ bền
4.6
4.8
5.6
5.8
6.8
8.8
10.9
f
yb
(N/mm
2
)
240
320
300
400
480
640
900

f
ub
(N/mm
2
)
400
400
500
500
600
800
1000
Trong luận văn này ta dùng bu lông lớp 8.8 để thiết kế cho khung liên hợp.
Một số chi tiết khác như cầu thang… tải nhỏ, ta dùng bu lông lớp 5.6 thiết kế.