CHƯƠNG 1 GIẢI PHÁP KẾT CẤU CHO CÔNG TRÌNH , GIỚI THIỆU KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG CỐT THÉP

Chuyên đề: KẾT CẤU LIÊN HP THÉP-BÊTÔNG CỐT THÉP B/ ỨNG DỤNG THIẾT KẾ
P
hần 2-KC-Chương 1: Giải pháp kết cấu cho công trình, giới thiệu
kết cấu liên hợp thép-bê tông cốt thép
SUNWAH TOWER BULDING

GVHD: PGS.TS Bùi Công Thành SVTH: Lê Lương Bảo Nghi
Trang 170

CHƯƠNG 1:
GIẢI PHÁP KẾT CẤU CHO CÔNG
TRÌNH , GIỚI THIỆU KẾT CẤU LIÊN
HP THÉP- BÊ TÔNG CỐT THÉP
I. LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KẾT CẤU CHO CÔNG TRÌNH
1. PHÂN LOẠI NHÀ NHIỀU TẦNG
a. Theo hệ kết cấu chòu lực
 Hệ kết cấu khung cứng chòu lực:
Hệ này được tạo thành từ các thanh đứng (cột) và ngang (dầm) liên kết cứng với
nhau tại các nút. Hệ kết cấu khung tạo ra các không gian lớn, linh hoạt thích hợp
với các công trình công cộng. Hệ có sự làm việc rõ ràng nhưng khả năng chòu lực
của công trình giảm đi nhiều khi chiều cao công trình lớn.
 Hệ kết cấu vách cứng và lõi cứng:
Hệ kết cấu vách cứng và lõi cứng có các cấu kiện thẳng đứng chòu tải trọng là
các từng cứng được bố trí theo một hoặc hai phương, có hoặc không có các liên kết
các vách cứng lại tạo thành các lõi cứng. Hệ kết cấu này có đặc điểm là khả năng
chòu tải trọng ngang tốt nên thường được sử dụng cho các công trình từ 20 đến 40
tầng. Đối với những nhà có cao hơn thì vách cứng có kích thước lớn nên ngươiø ta ít
dùng. Hệ vách cứng – lõi cứng giảm không gian sử dụng của nhà, không linh hoạt
trong bố trí như hệ kết cấu khung.
 Hệ kết cấu khung - giằng:
Sự kết hợp của hai hệ kết cấu trên là cần thiết để tạo ra được hệ kết cấu vững

chắc cho nhà. Hệ thống vách cứng được bố trí tại các vò trí cầu thang bộ, cầu thang
máy, các tường biên … là những nơi có tường liên tục ở các tầng. Trong hệ kết cấu
này thường vách cứng đóng vai trò chòu lực ngang là chính còn hệ khung được thiết
kế để chòu tải trọng đứng, nhờ vậy mà hệ kết cấu này có nhừng ưu việt hơn hai hệ
kết trên là vẫn tạo ra được những không gian sử dụng lớn và khả năng chòu lực lớn
hơn…
b. Theo vật liệu sử dụng
 Kết cấu bê tông truyền thống
Loại kết cấu này có các ưu điểm như: dễ dàng tạo hình, có thể sản xuất tại
công trường, chòu nhiệt tốt, chống lại các phá hoại hoá học. Nhưng bên cạnh đó nó
có những nhược điểm như : tỉ số giữa khả năng chòu lực và trọng lượng bản thân
thấp, mất nhiều thời gian cho lắp dựng cốp pha, chờ bê tông đạt cường độ. Không
Chuyên đề: KẾT CẤU LIÊN HP THÉP-BÊTÔNG CỐT THÉP B/ ỨNG DỤNG THIẾT KẾ
P
hần 2-KC-Chương 1: Giải pháp kết cấu cho công trình, giới thiệu
kết cấu liên hợp thép-bê tông cốt thép
SUNWAH TOWER BULDING

GVHD: PGS.TS Bùi Công Thành SVTH: Lê Lương Bảo Nghi
Trang 171

những vậy, bê tông còn chòu kéo kém vì thế phải đặt thêm cốt thép vào và việc
này cũng tiêu tốn khá nhiều thời gian.
 Kết cấu thép
Kết cấu thép có các ưu điểm tỉ số giữa khả năng chòu lực và trọng lượng bản
thân cao. Việc chế tạo cấu kiện có thể thực hiện không phụ thuộc vào thời tiết, sự
lắp dựng đơn giản và nhanh chóng với sai lệch nhỏ. Nhưng khả năng chòu nhiệt lại
kém, việc tăng khả năng chống cháy cho công trình cũng như khả năng chòu nhiệt
độ cao của cấu kiện gây ra nhiều chi phí tốn kém.
 Kết cấu liên hợp thép-bêtông cốt thép(Composite)

Sau khi so sánh hai giải phải kết cấu trên thì ta thấy sự kết hợp giữa hai dạng kết
cấu là một giải pháp kinh tế nhất. Các ưu điểm của hai loại kết cấu trên sẽ được
kết hợp, các khuyết điểm được bổ khuyết cho nhau. Ví dụ: thời gian thi công sẽ
nhanh hơn kết cấu bê tông, chi phí sẽ tiết kiệm hơn khung hoàn toàn làm bằng
thép, khả năng chòu lực sẽ tăng lên so với kết cấu bêtông và thép, kích thước cấu
kiện sẽ giảm đi rất nhiều so với kết cấu bê tông. Không những thế độ cứng và sự
làm việc dẻo có thể đạt được bằng cách kết hợp thép vơi bêtông

2. LỰA CHỌN GIẢI PHÁP KẾT CẤU CHO CÔNG TRÌNH
a. Hệ kết cấu chòu lực
Do chiều cao công trình lớn nên tải trọng gió tác dụng rất lớn vào công trình và
với hệ kết cấu khung giằng là phù hợp nhất trong trong hợp này. Theo mặt bằng
kiến trúc ta sẽ bố trí các vách cứng xung quanh các cầu thang máy, lõi cứng cùng
làm việc với hệ khung bao quanh.
b. Vật liệu
Trước hiện trạng đang khan hiếm các văn phòng, nhu cầu đáp ứng các văn
phòng cho thuê trước thềm hội nhập WTO, việc thi công xây lắp và đưa công trình
vào sử dụng một cách nhanh chóng là rất cần thiết. Vì vậy sử dụng kết cấu
Composite cho công trình là khá hợp lý.

II. GIỚI THIỆU KẾT CẤU LIÊN HP THÉP-BÊTÔNG CỐT
THÉP
1. GIỚI THIỆU
Trong kết cấu của công trình xây dựng, sự kết hợp giữa các vật liệu khác nhau
thường thấy nhất đó là sự kết hợp giữa thép và bêtông. Mặc dù tính chất có khác
nhau nhưng chúng lại bổ sung hổ trợ nhau:
- Bê tông chòu kéo kém nhưng chòu nén tốt.
Chuyên đề: KẾT CẤU LIÊN HP THÉP-BÊTÔNG CỐT THÉP B/ ỨNG DỤNG THIẾT KẾ
P
hần 2-KC-Chương 1: Giải pháp kết cấu cho công trình, giới thiệu

kết cấu liên hợp thép-bê tông cốt thép
SUNWAH TOWER BULDING

GVHD: PGS.TS Bùi Công Thành SVTH: Lê Lương Bảo Nghi
Trang 172

- Thép đều chòu nén và kéo đều.
- Cấu kiện thép thường tương đối mảnh và có xu hướng bò mất ổn
đònh, nếu kết hợp với bêtông thì sẽ tăng cường độ ổn đònh.
- Bê tông có thể chống được sự ăn mòn và có thể chòu được nhiệt độ
cao, trong khi thép rất dễ bò rỉ sét và dễ dàng biến dạng dưới tác dụng
của nhiệt độ từ đó làm giảm khả năng chòu lực.
Từ lâu rồi người ta đã sử dụng dạng kết cấu khung thép cho nhà cao tầng.
Khung thép được tạo từ các cột và dầm thép thường là thép hình cán nóng có tiết
diện chữ I, H. Các dầm thép tạo thành một hệ lưới để đỡ các sàn bêtông.Nếu sự
trượt là tự do tại bề mặt tiếp xúc giữa cánh thép và sàn bê tông thì chúng sẽ là việc
độc lập (Hình 1a). Tiết diện của dầm thép sẽ được thiết kế để chòu toàn bộ tải
trọng từ sàn truyền vào. Nếu sự trượt được hạn chế hoặc giảm thiểu thì tiết diện
thép và dầm thép sẽ làm việc cùng nhau (Hình 1b)

Hình 1.1 Biến dạng, ứng suất pháp và tiếp do uốn
a) Không liên kết b) liên kết hoàn toàn
Kể từ năm 1950 người ta bắt đầu tạo liên kết giữa sàn bêtông và dầm thép
hình đỡ sàn bằng các liên kết cơ học. Những liên kết đó loại trừ hoặc giảm thiểu
sự trượt tại bề mặt tiếp xúc giữa bê tông và thép, vì thế sàn bêtông và dầm thép sẽ
làm việc chung tạo thành một cấu kiện liên hợp, gọi là “dầm liên hợp” (Hình 1)

Chuyên đề: KẾT CẤU LIÊN HP THÉP-BÊTÔNG CỐT THÉP B/ ỨNG DỤNG THIẾT KẾ
P
hần 2-KC-Chương 1: Giải pháp kết cấu cho công trình, giới thiệu

kết cấu liên hợp thép-bê tông cốt thép
SUNWAH TOWER BULDING

GVHD: PGS.TS Bùi Công Thành SVTH: Lê Lương Bảo Nghi
Trang 173

Hình 1.2: Dầm thép bình thường và dầm liên hợp
Khi làm việc liên hợp dưới tác dụng của mô men dương, khả năng chòu lực
của dầm sẽ tăng lên do có thêm phần bê tông của sàn chòu nén, còn dưới tác dụng
của mômen âm, khả năng chòu lực cũng tăng lên do có cốt thép trong sàn tham gia
chòu kéo. Rõ ràng dầm làm việc liên hợp với bê tông có độ cứng cao hơn,chòu lực
tốt hơn vì thế có thể chòu lực tốt hơn, sử dụng tiết diện nhỏ hơn, vượt nhòp xa hơn so
với dầm thép không liên hợp.
Trong thực tế, các liên kết giữa thép và bê tông tạo từ đinh tán hoặc một số
liên kết cơ học khác hàn vào cấu kiện thép và nằm trọn trong bê tông. Lúc đầu, để
tính toán cho đơn giản người ta xem liên kết là tuyệt đối cứng ngăn cản mọi sự
trượt tại bề mặt tiếp xúc. Trong thực tế để đạt tới đó thì phải cần một lượng chốt
chống trượt rất lớn dẫn đến sự không kinh tế. Nhưng nếu bỏ qua khả năng chống
trượt, hoặc chỉ liên kết chống trượt một phần trong tính toán thì khả năng làm việc
liên hợp sẽ không đạt hoặc chỉ đạt được một phần, đòi hỏi phải tăng kích thước cấu
kiện hoặc tăng cường độ của vật liệu cũng dẫn đến sự không kinh tế. Ngày nay có
rất nhiều nghiên cứu “sự liên kết chống trượt không hòan tòan” giữa bêtông và
thép dựa trên các thí nghiệm, mô phỏng để tìm ra cách tính toán để đạt tới sự kinh
tế nhất.

2. ĐẶC TÍNH CỦA KẾT CẤU LIÊN HP
Khi thiết kế một công trình, ngoài việc đảm bảo, khả năng chòu lực, độ cứng,
độ dẻo của kết cấu mà còn phải đảm bảo các yêu cầu về mặt kiến trúc, kinh tế, thi
công, chòu nhiệt.
2.1 KIẾN TRÚC

Kết cấu liên hợp cho phép tạo sự đa dạng trong thiết kế kiến trúc bằng
cách kết hợp các cấu kiện liên hợp theo nhiều kiểu.
Ngoài ra với kích thước nhỏ của dầm cho phép tạo ra:
- Nhịp lớn hơn
- Sàn mỏng hơn
- Cột mảnh hơn
Từ đó tạo ra nhiều thuận lợi cho thiết kế
2.2 KINH TẾ
Tiết kiệm được nhiều chi phí do từ việc sử dụng cấu kiện có kích thước nhỏ
hơn (độ cứng lớn tạo ra bước nhòp lớn, giảm độ võng, giảm chiều cao của toàn bộ
công trình) và thi công lắp đặt rất nhanh so với các loại kết cấu khác.
Sự tiện lợi của tỉ số giữa nhòp và chiều cao tiết diện (l/h=35) thể hiện qua:
Chuyên đề: KẾT CẤU LIÊN HP THÉP-BÊTÔNG CỐT THÉP B/ ỨNG DỤNG THIẾT KẾ
P
hần 2-KC-Chương 1: Giải pháp kết cấu cho công trình, giới thiệu
kết cấu liên hợp thép-bê tông cốt thép
SUNWAH TOWER BULDING

GVHD: PGS.TS Bùi Công Thành SVTH: Lê Lương Bảo Nghi
Trang 174

- Giảm chiều cao tiết diện dẫn đến giảm chiều cao của công trình,tiết
kiệm được diện tích bao che.
- Nhòp lớn hơn so với các kết cấu khác vì thế sẽ có ít cột hơn tạo ra
không gian sử dụng rộng rãi và tiện lợi hơn
- Nhiều tầng hơn so với các kết cấu khác có cùng chiều cao
Kết cấu liên hợp thi công lắp đặt dễ dàng và nhanh chóng hơn, vì thế:
- Tiết kiệm chí phí thi công, thời gian hoàn thành công trình sớm hơn
- Được đưa vào sử dụng sớm hơn vì thế thu hồi vốn nhanh hơn.
2.4 CHỊU NHIỆT

Các kết cấu thép cổ điển thường sử dụng rất nhiều biện pháp tốn kém để
bảo vệ thép dưới tác dụng dưới nhiệt độ của lửa. Các kết cấu hiện đại và kết cấu
liên hợp có thể chòu lửa bằng cách kết hợp với bê tông cốt thép, bê tông sẽ bảo vệ
thép do bê tông có khối lượng lớn và tính dẫn nhiệt kém .
Các dầm và cột thép sẽ được bao bọc hoàn toàn hoặc một phần (nhồi đầy bê
tông và cốt thép giữa hai cánh thép hình). Điều này không chỉ giúp duy trì nhiệt độ
thấp trong bản bụng và bản cánh dưới ảnh hưởng của nhiệt độ mà còn tăng khả
năng chòu lực của cấu kiện, tăng độ ổn đònh cuả của các bản cánh (giảm độ oằn
của bản cánh dưới của dầm composite đỡ sàn dưới tác dụng của nhiệt độ).
2.5 THI CÔNG
Ngày nay sàn composite được sử dụng rộng rãi trong các công trình do các
tiện lợi cho cả đơn vò thầu và chủ đầu tư:
- Sàn công tác:

Trước khi đổ bê tông, các tấm tôn sóng phục vụ như một sàn công tác rất an
toàn
- Cốp pha cố đònh:

Các tấm tôn sóng được phủ lên các dầm theo một phương,các tấm thép sóng
đóng vai trò cốp pha sàn để đúc bê tông, có thể không cần các cây chống phụ trong
quá trình đúc bêtông. Ngoài ra tấm thép sóng còn giữ nước rất tốt trong quá trình
đổ bêtông.
Mặt dưới tấm thép vẫn được giữ sạch sẽ sau khi đổ bêtông, và nếu sử dụng
các tấm thép màu sẽ tạo ra trần nhà thẩm mỹ.
- Cốt thép trong sàn:

Cốt thép được đặt trong sàn sẽ tăng khả năng chòu momen dương. Nó còn
giúp chống lại sự co ngót của bêtông, nứt do nhiệt độ, chòu momen âm khi là bản
liên tục. Sự làm việc liên hợp đạt được khi sử dụng tấm thép sóng.
- Cốt thép trong sàn:

Chuyên đề: KẾT CẤU LIÊN HP THÉP-BÊTÔNG CỐT THÉP B/ ỨNG DỤNG THIẾT KẾ
P
hần 2-KC-Chương 1: Giải pháp kết cấu cho công trình, giới thiệu
kết cấu liên hợp thép-bê tông cốt thép
SUNWAH TOWER BULDING

GVHD: PGS.TS Bùi Công Thành SVTH: Lê Lương Bảo Nghi
Trang 175

Thép tấm có trọng lượng nhẹ nên vận chuyển và cất giữ rất thuận lợi tại công
trường. Một xe tải có thể mang được 1500 m2 thép tấm làm sàn. Một đội 4 người
có thể lắp đặt 400 m2 thép tấm trong một ngày.
- Chất lượng cấu kiện:

Do các cấu kiện bằng thép được sản xuất tại nhà máy dưới sự kiểm đònh
nghiêm ngặt. Vì thế giảm thiểu được các yếu tố ngẫu nhiên phát sinh, tăng độ
chính xác của tính toán.
 Thi công và xây lắp một công trình kết cấu liên hợp thép bêtông cốt thép là rất
nhanh và kinh tế. Có thể chia ra thành các quá trình sau:
- Đầu tiên khung thép có giằng hoặc không giằng sẽ được lắp dựng. Nếu sử
dụng loại thép có tiết diện rỗng để làm cột, thì các lồng cốt thép đã được đặt vào
đúng vò trí tại công xưởng.
- Các chi tiết để truyền lực giữa thép và bê tông như bracket, tấm thép đệm,
chốt chống trượt đã được chuẩn bò tại công xưởng để tăng tốc độ xây lắp và phải
được lên kế hoạch một cách chi tiết. Sau khi lắp đặt các cột xong, các dầm thép sẽ
được lắp vào giữa các cột (có thể chỉ gác lên các cột)
- Sàn bê tông đúc sẵn hoặc tấm thép sóng để làm sàn được gác lên các dầm,
phục vụ như tấm cốp pha và sàn công tác.
- Cuối cùng đúc bêtông sàn và cột cùng một lúc. Sau khi bê tông đông cứng,

độ cứng và khả năng chòu lực của cột và dầm sẽ tăng lên, liên kết sẽ tự động
chuyển khớp sang liên kết nữa cứng.

3. SO SÁNH VỚI CÁC PHƯƠNG PHÁP KHÁC

Composite beam
Steel cross section IPE 400 IPE 550 HE 360 B
Construction height [mm] 560 710 520
Load capacity 100% 100% 100%
Steel weight 100% 159% 214%
Construction height 100% 127% 93%
Stiffness 100% 72% 46%
Steel beam without an
y
shear connection
h
h
h



Dầm liên hợp Dầm không liên hợp
Tiết diện thép
IPE 400 IPE 550 HE 360 B
Chiều cao tiết diện(mm
)
560 710 520
Khả năng chòu lực
100% 100% 100%
Trọng lượng

100% 159% 214%
Chiều cao tiết diện(m
100% 127% 93%
Độ cứng
100% 72% 46%

Chuyên đề: KẾT CẤU LIÊN HP THÉP-BÊTÔNG CỐT THÉP B/ ỨNG DỤNG THIẾT KẾ
P
hần 2-KC-Chương 1: Giải pháp kết cấu cho công trình, giới thiệu
kết cấu liên hợp thép-bê tông cốt thép
SUNWAH TOWER BULDING

GVHD: PGS.TS Bùi Công Thành SVTH: Lê Lương Bảo Nghi
Trang 176

Composite Reinforced concrete
Dimensions [cm] 70 / 70 80 / 120
Dimensions [cm] 160 / 40 160 / 120
Beam
Column



4. CÁC CẤU KIỆN CƠ BẢN CỦA KHUNG LIÊN HP THÉP – BÊTÔNG
CỐT THÉP


composite column
floor = beam + slab
composite beam

composite slab


Hình 1.3: Các cấu kiện của khung liên hợp

Chuyên đề: KẾT CẤU LIÊN HP THÉP-BÊTÔNG CỐT THÉP B/ ỨNG DỤNG THIẾT KẾ
P
hần 2-KC-Chương 1: Giải pháp kết cấu cho công trình, giới thiệu
kết cấu liên hợp thép-bê tông cốt thép
SUNWAH TOWER BULDING

GVHD: PGS.TS Bùi Công Thành SVTH: Lê Lương Bảo Nghi
Trang 177



Hình 1.4 Cột và sàn (Citibank Duisburg, Germany)

4.1 SÀN
4.1.1 Sàn bê tông cốt thép


Sàn bê tông sử dụng cốp pha Sàn đúc sẵn một phần Sàn đúc sẵn hoàn toàn
Hình 1.5 Các kiểu sàn

4.1.2 Sàn bê tông ứng suất trước

Hình 1.6 Sàn bê tông ứng suất trước
4.1.3 Tấm thép có sóng

Chuyên đề: KẾT CẤU LIÊN HP THÉP-BÊTÔNG CỐT THÉP B/ ỨNG DỤNG THIẾT KẾ
P
hần 2-KC-Chương 1: Giải pháp kết cấu cho công trình, giới thiệu
kết cấu liên hợp thép-bê tông cốt thép
SUNWAH TOWER BULDING

GVHD: PGS.TS Bùi Công Thành SVTH: Lê Lương Bảo Nghi
Trang 178

Hình 1.7 Liên kết bằng ma sát trong sàn composite




Hình 1.8 Liên kết bằng cơ học trong sàn composite




Hình 1.9 Liên kết bằng neo trong sàn composite


4.2 DẦM

Chuyên đề: KẾT CẤU LIÊN HP THÉP-BÊTÔNG CỐT THÉP B/ ỨNG DỤNG THIẾT KẾ
P
hần 2-KC-Chương 1: Giải pháp kết cấu cho công trình, giới thiệu
kết cấu liên hợp thép-bê tông cốt thép
SUNWAH TOWER BULDING

GVHD: PGS.TS Bùi Công Thành SVTH: Lê Lương Bảo Nghi
Trang 179



Hình 1.10 Dầm composite



Hình 1.11 Các kiểu liên kết chống trượt


Hình 1.12 Thử nghiệm khả năng chống trượt giữa thép kết cấu và bêtông

Chuyên đề: KẾT CẤU LIÊN HP THÉP-BÊTÔNG CỐT THÉP B/ ỨNG DỤNG THIẾT KẾ
P
hần 2-KC-Chương 1: Giải pháp kết cấu cho công trình, giới thiệu
kết cấu liên hợp thép-bê tông cốt thép
SUNWAH TOWER BULDING

GVHD: PGS.TS Bùi Công Thành SVTH: Lê Lương Bảo Nghi
Trang 180


Hình 1.13 Chống trượt giữa dầm thép và bê tông (Headed studs)

4.3 CỘT

Hình 1.14 Cột composite

Chuyên đề: KẾT CẤU LIÊN HP THÉP-BÊTÔNG CỐT THÉP B/ ỨNG DỤNG THIẾT KẾ
P
hần 2-KC-Chương 1: Giải pháp kết cấu cho công trình, giới thiệu
kết cấu liên hợp thép-bê tông cốt thép
SUNWAH TOWER BULDING

GVHD: PGS.TS Bùi Công Thành SVTH: Lê Lương Bảo Nghi
Trang 181


4.4 LIÊN KẾT (JOINTS)


Hình 1.15 Liên kết dầm vào cột