BÀI GIẢNG KẾT CẤU THÉP LIÊN HỢP BÊ TÔNG CỐT THÉP

CHƯƠNG 1

ĐẠI CƯƠNG VỀ KẾT CẤU LIÊN
HỢP THÉP - BTCT

1

1.1 Đại cương
-

Thép và bê tông là hai vật liệu bổ sung lẫn nhau

-

Bê tông hiệu quả khi nén, thép chịu kéo tốt

-

Vỏ bê tông có thể ngăn cản mất ổn định của thép

-

Bê tông chống ăn mòn, cách nhiệt, chống cháy

-

Thép làm cho kết cấu dẻo dai

-

Ưu điểm của dầm liên hợp là có độ cứng và khả năng chịu lực cao hơn so

với kết cấu thường

-

Nhờ có liên kết cơ học giữa bản bê tông và dầm thép nên kết cấu liên hợp
có sự trượt giữa sàn bê tông và dầm thép bé hơn so với kết cấu bê tông –
thép thông thường

2


1.2 Các phương diện sử dụng kết cấu composite
a. Kiến trúc:
-

Thiết kế kết cấu liên hợp mang lại nhiều dạng kiến trúc

-

Giảm kích thước dầm có dịp lớn, bản mỏng, cột có độ mảnh bé hơn

-

Linh hoạt và nhiều lựa chọn thiết kế

b. Kinh tế:
-

Chiều cao tầng và chiều cao công trình giảm → giảm diện tích tường bao
che, có thể tăng số tầng với cùng tổng chiều cao nhà.

-

Chi phí giảm do kích thước bé (độ cứng lớn nên chuyển vị nhỏ, nhịp lớn và
tổng chiều cao bé)

-

Thời gian xây dựng nhanh:
Tiết kiệm chi phí, sớm hoàn thành công trình, sớm đưa công trình vào sử
dụng

c. Công năng:
-

3

Chống cháy

1.2 Các phương diện sử dụng kết cấu composite
d. Bảo dưỡng và tính linh hoạt:
- Có thể cải tạo trong thời gian sử dụng
- Có thể bảo dưỡng mà không xâm phạm đến người sử dụng
- Cải tạo các phương tiện dịch vụ: trần nhà, bên trong sàn giả, các hộp chìm
trong tường
e. Lắp đặt:
- Sàn thi công là sàn thép
- Thanh chống tạm thời
- Cốt thép của thép tấm định hình
- Thi công nhanh và đơn giản

- Chất lượng và chính xác

4


1.2 Các khía cạnh sử dụng kết cấu liên hợp
f. So sánh

5

1.2 Các khía cạnh sử dụng kết cấu liên hợp

6


1.3 Các bộ phận kết cấu

7

1.3 Các bộ phận kết cấu
a. Bản

8


1.3 Các bộ phận kết cấu
Thép tấm định hình

9

1.3 Các bộ phận kết cấu
b. Dầm

10


1.3 Các bộ phận kết cấu
c. Cột

1.3 Các bộ phận kết cấu
d. Mối nối

12


1.4 Phân tích kết cấu
a. Trạng thái giới hạn tới hạn (Ultimate Limit State)
-

Thường kiểm tra khả năng chịu lực của từng cấu kiện chịu lực tác dụng, mỗi
cấu kiện được xem như một thành phần độc lập thiết kế.

-

Kiểm tra với tải trọng tính toán

-

Đối với dầm, có thể phân tích theo đàn hồi, dẻo, phi tuyến

-

Thường cánh trên của dầm thép trong kết cấu liên hợp được ngăn cản mất
ổn định nhờ bản bê tông. Tuy nhiên khi chịu moment âm cánh chịu nén
không thể ngăn cản mất ổn định nên phải kiểm tra mất ổn định do xoắn
ngang

b. Trạng thái giới hạn sử dụng (Serviceability Limit State)
-

Kiểm tra độ võng và nứt của bê tông

-

Phân tích đàn hồi đối với tính toán theo trạng thái giới hạn sử dụng
13

1.5 Các công trình tiêu biểu
a. Millennium Tower (Vienna – Autria)
-

Số tầng:

55

-

Chiều cao:

> 202m (kể cả antenna)

-

Diện tích mặt bằng: 1000 m2

-

Thời gian xây dựng: 8 tháng (từ tháng 5 đến tháng 12, 1998), 2 ~ 2.5 tầng
một tuần

-

Chiều dày bản:

19 cm

-

Ổn định theo phương ngang: lõi thang máy và thang bộ BTCT

-

Cột ống composite

-

Kinh phí:

145,000,000 Euro

14


1.5 Các công trình tiêu biểu

15

1.5 Các công trình tiêu biểu
b. Ngân hàng thành phố Duisburg
(Germany)
-

Số tầng:

15

-

Chiều cao:

75m

-

Diện tích mặt bằng: 14500 m2

-

Ổn định theo phương ngang: lõi bê
tông (thi công 3m/ ngày)

16


1.5 Các công trình tiêu biểu
c. Bãi đậu xe DEZ (Austria)
-

Chiều dày bản:

26 cm

-

Cột ống composite: đường kính 35.5cm

-

Bãi đậu xe tầng 4 với diện tích 60x30m

-

Nhịp lớn nhất:

10.58m

-

Dầm công sôn:

4.80

17

1.6 Phân tích kết cấu
a. Tính toán theo trạng thái giới hạn tới hạn
-

Phân tích đàn hồi hoặc phân tích dẻo

-

Liên quan đến khả năng chịu lực của kết cấu

-

Dựa vào sức kháng của từng cấu kiện riêng lẻ

-

Phải kiểm tra ổn định tổng thể của kết cấu

-

Tính với tải trọng tính toán

b. Tính theo trạng thái giới hạn sử dụng
-

Phân tích đàn hồi

-

Liên quan đến độ võng giới hạn và nứt của bê tông

-

Khống chế dao động

-

Tính với tải trọng tiêu chuẩn

-

Không có giới hạn về độ võng, tính toán độ võng được so sánh với giới hạn
độ võng trong EC3

18


1.7 Mô hình kết cấu
a. Sự làm việc không gian
Đơn giản hóa việc tính khung không gian bằng cách tính các khung phẳng

b. Khung và liên kết
-

Khung liên tục: bỏ qua sự không liên tục của liên kết và xem liên kết là cứng

-

Khung đơn giản: xét đến tính không liên tục của liên kết, xem liên kết là
khớp, không có khả năng chịu moment

-

19

Khung bán liên tục: xem liên kết là nửa cứng

1.7 Mô hình kết cấu
c. Tương tác giữa kết cấu và móng
- Trước tiên, kết cấu được mô hình với nền được xem là cứng, xác định tải tác
tác dụng lên nền và độ lún.
- Độ lún được tính vào kết cấu dưới dạng biến dạng tác dụng, từ đó đánh giá
ảnh hưởng của độ lún lên nội lực và moment
- Khi độ lún ảnh hưởng đáng kể đến nội lực, tương tác giữa kết cấu và móng
phải được xét đến bằng cách sử dụng các liên kết lò xo tương đương để mô
hình sự làm việc của đất nền
d. Mô hình khung
-

Mô hình khung phù hợp với sự làm việc thực tế của khung

-

Hình dáng cơ bản của khung được thể hiện bằng các đường thẳng qua tâm
cấu kiện

-

Bỏ qua sự chồng nhau của bề rộng thực tế của các cấu kiện

-

Có thể xét đến bề rộng thực tế của các cấu kiện tại các mối nối các cấu kiện

20


1.8 Bề rộng tính toán
Ảnh hưởng của “Shear lag” tạo ra sự phân bố ứng suất không đều trong bản,
dẫn đến khái niệm bề rộng tính toán.
Đối với nhịp giữa và gối giữa:

beff = be1 + be2

be1 = min(Lo/8; bi),
Lo bằng khoảng cách giữa các điểm uốn ngược trong biểu đồ moment.
Đối với dầm đặt trên hai gối: Lo là nhịp dầm

21

1.8 Bề rộng tính toán

Đối với dầm liên tục: Lo là chiều dài của dầm chịu moment dương (đối với nhịp)
và là chiều dài của dầm chịu moment âm (đối với gối) xác định từ hình 4.
Bề rộng tính toán được dùng để kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện ngang
22

và xác định đặc trưng đàn hồi của các tiết diện này


1.8 Bề rộng tính toán
Đối với gối biên:

beff = b0 + ∑βibei
Với βi = 0.55 + 0.025Le/bei ≤ 1.0
Le là chiều dài nhịp tương đương của nhịp biên
23

1.9 Hệ số tính đổi tương đương
a. Modun đàn hồi của thép
Modun đàn hồi của thép (theo EC4) lấy bằng 210x103 N/mm 2
b. Modun đàn hồi ngắn hạn của bê tông
Bê tông là vật liệu
không tuyến tính,
không đàn hồi nên
modun đàn hồi không
là hằng số (hình 7), và
duy trì biến dạng
thường xuyên khi
giảm tải.

24


1.9 Hệ số tính đổi tương đương
Khi chịu ứng suất

không đổi, biến
dạng của bê tông
tăng dần theo thời
gian, gọi là từ biến
(hình 8). Bê tông
cũng chịu sự thay
đổi của thể tích
gây bởi co ngót
(hoặc phình ra) và
do nhiệt độ thay
đổi.
25

1.9 Hệ số tính đổi tương đương
Modun đàn hồi thay đổi như hình 7.
-

Modun tuyến tính ban đầu

-

Modun tiếp tuyến tương ứng với ứng suất cho trước

-

Modun cát tuyến

-

Modun dây cung

Modun phụ thuộc vào ứng suất phụ thuộc vào tốc độ gia tải. Giá trị được sử dụng
cho thiết kế là modun đàn hồi cát tuyến tương ứng với tốc độ gia tải cụ thể

26


1.9 Hệ số tính đổi tương đương
-

Khi phân tích đàn hồi, bê tông chịu nén và thép được xem làm việc đàn hồi

tuyến tính. Cho phép sử dụng độ cứng chống uốn không xét đến nứt (EI)1, bê
tông chịu kéo được xem không nứt. Nơi sử dụng độ cứng chống uốn của tiết
diện nứt (EI) 2, thì bỏ qua khả năng chịu kéo của bê tông.
-

Trong tính toán đặc trưng tiết diện composite trong miền đàn hồi, tiết diện

composite thép – bê tông được thay thế bằng tiết diện thép tương đương. Đối
với tiết diện chịu moment dương, diện tích cánh bê tông Ac được thay thế bằng
diện tích cánh thép Ac/n, với n là hệ số tính đổi
-

Khi tính đặc trưng hình học, ứng suất: n = Ea/Ec

-

Khi tính các tác động dài hạn, để chính xác, sử dụng modun hữu hiệu

Ec’:

n = Ea/Ec’

Modun hữu hiệu là modun ngắn hạn đối với bê tông được hiệu chỉnh đối với
tác động của từ biến

27

1.9 Hệ số tính đổi tương đương

28


1.9 Hệ số tính đổi tương đương

29

1.9 Hệ số tính đổi tương đương

30


1.10 Phân loại khung
a. Khung giằng và khung không giằng

Khung giằng: - có hệ giằng (dàn, vách)
- có thể phân tích khung và giằng riêng rẽ:
(khung chịu tải đứng và hệ giằng chịu tải trọng ngang, tải đứng tác dụng lên
giằng, tác động của độ nghiêng ban đầu và tải trọng bản thân hệ giằng)

31

1.10 Phân loại khung
Khung không giằng: là những khung không có hệ giằng hoặc những khung có hệ
giằng nhưng không đủ độ cứng. Với khung không giằng chịu tải đứng và tải ngang
cũng như những ảnh hưởng của sự không hoàn chỉnh khác (ứng suất thừa, hình
dáng cấu kiện không chính xác, không phẳng, không thẳng, lệch tâm…)
b. Tiêu chuẩn phân loại khung giằng và khung không giằng
Sự tồn tại hệ giằng trong kết cấu không đảm bảo cho kết cấu khung được xem
là khung giằng. Chỉ khi hệ giằng làm giảm ít nhất 80% chuyển vị ngang thì
khung được xem là khung giằng.
-

Nếu khung không bố trí hệ giằng: khung không giằng

-

Khi khung có bố trí hệ giằng:
Nếu ψbr > 0.2ψunbr : khung không giằng
Nếu ψbr ≤ 0.2ψunbr : khung giằng

Với

ψ br là độ mềm theo phương ngang của kết cấu có hệ giằng
ψ unbr là độ mềm theo phương ngang của kết cấu không có hệ giằng

32

1.10 Phân loại khung
c. Khung không chuyển vị ngang – khung chuyển vị ngang
Khung không chuyển vị ngang:
- Khung chịu tải trọng ngang có đủ độ cứng để có thể bỏ qua sự gia tăng lực do
chuyển vị ngang của nút gây ra
- Tác động (ảnh hưởng) bậc 2 (thứ cấp) có thể bỏ qua (bỏ qua ảnh hưởng của
P – Δ)
- Sử dụng phân tích bậc nhất đối với kết cấu khung
Khung có chuyển vị ngang:
- Khi ảnh hưởng bậc hai không thể bỏ qua, khung được xem là khung có
chuyển vị ngang

33

1.10 Phân loại khung
d. Tiêu chuẩn phân loại khung không chuyển vị ngang – khung chuyển vị
ngang
Phân loại khung (hay hệ giằng) là có chuyển vị ngang hay không chuyển vị
ngang dựa vào tỉ số tổng tải trọng đứng tác dụng lên kết cấu và tải tới hạn đàn
hồi do mất ổn định gây ra (phá hoại theo dạng có chuyển vị).
VSd / Vcr ≤ 0.1 : khung không chuyển vị ngang
VSd / Vcr > 0.1 : khung có chuyển vị ngang
Hay
λcr = Vcr/ VSd ≥ 10 : khung không chuyển vị ngang
λcr = Vcr / VSd < 10 : khung có chuyển vị ngang

34


CHƯƠNG 2

ĐẠI CƯƠNG VỀ SÀN COMPOSITE

1

1. Giới thiệu
1.1 Bản composite
-

Dải một phương

-

Nhịp điển hình 3.5m

-

Dãi đặt trên các dầm phụ

-

Dầm phụ đặt trên dầm chính

-

Hệ lưới chữ nhật

-

Bản không được chống trong

suốt quá trình xây dựng

Ưu điểm
-

Thi công nhanh và đơn giản

-

Sàn công tác an toàn cho công
nhân bên dưới

-

Bản thép và dầm được sản xuất
tại nhà máy nên hạn chế sai số
kích thước

2


1. Giới thiệu
Cấu tạo sàn: Sàn thép, cốt thép, bê tông đổ tại chỗ

-

Khi bê tông đông cứng, kết cấu sàn làm việc như sàn liên hợp thép – BTCT

-

Thép tấm định hình và bê tông bên trên được liên kết với nhau theo cách
lực cắt theo phương ngang được truyền qua tại bề mặt tiếp xúc giữa thép
tấm định hình và bê tông

3

1. Giới thiệu
+ ab < 3.5m: không cần
thanh chống phụ trong quá
trình đổ bê tông sàn
+ ab ≥ 3.5m: cần bố trí các
thanh chống phụ trong quá
trình đổ bê tông.
Cốt hép trong bản liên hợp
thép – BTCT dùng để:
- Phân phối tải trọng
- Gia cường cục bộ tại
các lỗ hở của bản
- Chống cháy, chịu moment âm phía trên và khống chế vết nứt do co ngót của
bê tông

4


1. Giới thiệu
1.2. Các dạng thép tấm định hình:
-

Bề dày từ 0.75 ÷ 1.5mm, thường dùng 0.75mm ÷ 1.0mm

-

Chiều cao từ 40mm ÷ 80mm

-

Có lớp mạ kẽm mỏng ở hai mặt để chống ăn mòn

-

Thép tấm định hình là thép dập nguội. Sự dập nguội làm tăng độ bền cơ học
của thép dẫn đến làm tăng khả năng chịu lực của tiết diện.

5

1. Giới thiệu

6


1. Giới thiệu
1.3 Các dạng liên kết giữa thép và BTCT:

7

1. Giới thiệu
1.4 Yêu cầu cấu tạo:
- h ≥ 80mm và hc ≥ 40 mm
- h ≥ 90mm và hc ≥ 50 mm khi bản làm việc phối hợp với dầm hay bản được
sử dụng như một vách cứng ngang

- Kích thước cốt liệu :
0.4hc (hc – chiều cao bê tông phía trên sườn)
b0 / 3 (b0 – bề rộng trung bình của cánh)
31.5mm
Các điều kiện trên đây để đảm bảo rằng cốt liệu dể dàng đi qua các cánh

8


2. Sự làm việc của bản composite
2.1 Tương tác giữa BT và
thép
- Liên kết giữa bê tông và
thép là hoàn toàn: tương
tác hoàn

toàn

- Giữa thép tấm định hình và
bê tông có chuyển vị dọc
tương đối: tương tác
không hoàn toàn

9

2. Sự làm việc của bản composite
2.2 Ba dạng làm việc
của bản composite

+ Tương tác hoàn toàn: không có trượt giữa thép và bê tông tại mặt tiếp xúc,

phá hoại có thể là giòn hoặc dẻo, lực tới hạn Pu lớn nhất
+ Không tương tác: Trượt rất lớn xảy ra tại bề mặt tiếp xúc của bê tông và
thép, gần như không có sự truyền lực cắt, lực tới hạn Pu nhỏ nhất
+ Tương tác một phần: Trượt bé, lực cắt truyền một phần, tải tới hạnPu có giá
10

trị trung gian giữa hai trường hợp trên, phá hoại giòn hoặc dẻo


2. Sự làm việc của bản composite
2.3 Độ cứng của bản composite: phụ thuộc vào hiệu quả của liên kết
-Thể hiện bằng phần đầu của đường cong P – δ
- Độ cứng lớn nhất ứng với tương tác hoàn toàn
- Ba dạng liện kết giữa thép và bê tông:
+ Liên kết hóa lý: bé nhưng luôn tồn tại trong tất cả thép định hình
+ Liên kết ma sát: hình thành ngay khi xuất hiện sự trượt vô cùng bé
+ Liên kết neo cơ học: xuất hiện sau khi có sự trượt đầu tiên và phụ
phuộc vào hình dáng mặt tiếp xúc giữa thép và bê tông.

11

2. Sự làm việc của bản composite
2.4 Các dạng phá hoại

- Dạng phá hoại I: phá hoại do moment dương (tiết diện I), tức là sức kháng uốn
của bản Mpl.Rd, là dạng nguy hiểm đối với nhịp vừa đến nhịp lớn với mức độ tương
tác cao giữa thép và bê tông
- Dạng phá hoại II: phá hoại do lực cắt dịc lớn, khả năng chịu tải tới hạn đạt được
tại mặt tiếp xúc giữa thép và bê tông. Dạng này xảy ra tại tiết diện II dọc theo
chiều dài chịu cắt Ls

- Dạng phá hoại III: phá hoại do lực cắt theo phương đứng lớn gần gối tựa (tiết
diện III) nơi lực cắt theo phương đứng là quan trọng. Dạng này chỉ có thể nguy
12
hiểm đối với bản có chiều dày lớn và nhịp bản ngắn chịu tải nặng


2. Sự làm việc của bản composite
2.5 Phá hoại giòn và phá hoại dẻo: Phá hoại giòn (hình 7) xảy ra đột ngột
hường không có biến dạng đáng kể có thể quan sát được, phá hoại dẻo xảy
ra với biến dạng đáng kể và tăng dần
Phá hoại giòn hay dẻo
phụ thuộc vào đặc trưng
của mặt tiếp xúc thép và
bê tông. Bản có thép tấm
định hình dạng lồi mở dể
ứng xử giòn, ngược lại
bản có thép tấm định hình
dạng lõm có xu hướng
biểu hiện ứng xử dẻo.
13

Liên kết chịu cắt giữa dầm và bản cũng có ảnh hưởng đến dạng phá hoại.

3. Các điều kiện thiết kế, sự làm việc và độ võng
3.1 Các giai đoạn thiết kế:
- Trong quá trình thi công: thép tấm đóng vai trò như cốp pha
- Khi sử dụng: bê tông và thép làm viêc cùng nhau như kết cấu liên hợp

14

3. Các điều kiện thiết kế, sự làm việc và độ võng
3.1 Giai đoạn thi công
- Thép tấm định hình phải đủ chịu trọng lượng bê tông ướt và tải trọng thi
công.
- Mặc dù sàn thép có thể chống đỡ tạm thời trong suốt thời gian thi công, nó
thích hợp hơn nếu không sử dụng thanh chống.
- Kiểm tra thép tấm định hình theo trạng thái giới hạn tới hạn và trạng thái giới
hạn sử dụng theo EC3 (phần 1.3).
- Các tải trọng được xét đến khi tính theo trạng thái giới hạn tới hạn:
Trọng lượng bê tông và sàn thép
Tải trọng thi công
Tải dụng cụ thiết bị
Trọng lượng bê tông tăng lên do võng thép định hình
15

3. Các điều kiện thiết kế, sự làm việc và độ võng
- Theo EC4 trong mỗi diện tích 3mx3m ngoài trọng lượng bê tông, tải thi công
tiêu chuẩn và trọng lượng bê tông thừa do bản võng sẽ được lấy chung 1.5
kN/m2.
- Trên phần diện tích còn lại, tải tiêu chuẩn 0.75 kN/m2 cộng vào trọng lượng
của bê tông. Các tải này nên được đặt để gây ra moment uốn lớn nhất hay lực
cắt lớn nhất.
- Không có bê tông, thép tấm định hình cần phải đủ chịu được tải tiêu chuẩn
1kN trên 1 diện tích có cạnh 300mm hay tải đường tiêu chuẩn 2kN/m tác dụng
vuông góc với bụng trên bề rộng 0.2m, tải này là tải do quá trình vận hành tạo
ra

16