Phân tích tĩnh phi tuyến kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông

1

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ HOÀNG PHƯƠNG

PHÂN TÍCH TĨNH PHI TUYẾN KẾT CẤU ỐNG THÉP
CHỮ NHẬT NHỒI BÊ TƠNG

Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình Dân dụng và Công nghiệp
Mã số:60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN ANH THIỆN

Đà Nẵng - Năm 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin xam đoan Luận văn tốt nghiệp cao học ngành kỹ thuật xây dựng
cơng trình dân dụng và cơng nghiệp với đề tài: “Phân tích tĩnh phi tuyến kết cấu
ống thép chữ nhật nhồi bê tông” là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn

Lê Hoàng Phương

TRANG TĨM TẮT TIẾNG ANH
PHÂN TÍCH TĨNH PHI TUYẾN KẾT CẤU ỐNG THÉP CHỮ NHẬT
NHỒI BÊ TƠNG
Học viên: Lê Hồng Phương
Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
Mã số: 60.58.02.08, Khố 33, Trường Đại Học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng
Tóm tắt: Hệ thống kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông (CFT) có nhiều ưu điểm so
với các kết cấu truyền thống bằng vật liệu thép hay bê tông cốt thép về các mặt cường
độ, độ cứng, khả năng chống cháy và thuận tiện cho việc thi công nên được sử dụng
ngày càng nhiều trên thế giới. Luận văn đã phân tích đánh giá ứng xử của kết cấu ống
thép chữ nhật nhồi bê tông dưới tác dụng của động đất thông qua phương pháp phân
tích tĩnh phi tuyến sử dụng phần mềm SAP2000. Ứng xử của một kết cấu khung 6 tầng
bằng cột ống thép nhồi bê tông tiết diện chữ nhật được phân tích và so sánh với kết cấu
cột ống thép nhồi bê tơng tiết diện trịn và các kết cấu bê tông cốt thép để rút ra các
nhận xét.

Từ khố – phân tích đẩy dần; khớp dẻo; tĩnh phi tuyến; cột liên hợp thép bê
tông.
NONLINEAR STATIC ANALYSIS OF CONCRETE FILLED STEEL
RECTANGULAR TUBE
Abstract: Due to several advantages compared with ordinary steel or reinforced
concrete structures in terms of strength, stiffness, fire resistance and construction
efficiency, concrete-filled tube (CFT) column systems have been widely used in civil
engineering worldwide. This thesis investigated the seismic response of concrete-filled
rectangular tube (CFRT) structures through the nonlinear static analysis using
SAP2000. The seismic behavior of a 6-story frame CRFT structure was analyzed and
compared with those of CFT and reinforced concrete (RC) structures; and remarks
were discussed.

Key words – pushover analysis; hinges; nonlinear static; composite concretesteel column.


MỤC LỤC
TRANG BÌA
LỜI CAM ĐOAN
TRANG TĨM TẮT TIẾNG ANH
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ...........................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ................................................................................1
3. Đối tượng nghiên cứu: .............................................................................................1
4. Phạm vi nghiên cứu: ................................................................................................1
5. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................2
6. Cơ sở khoa học và thực tiễn của luận văn: ..............................................................2
7. Bố cục đề tài: ...........................................................................................................2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU ỐNG THÉP CHỮ NHẬT NHỒI BÊ
TƠNG (CFRT) ................................................................................................................3
1.1. Q trình hình thành và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tơng ......................3
1.1.1. Q trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông trên
thế giới......................................................................................................................4
1.1.2. Quy trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông ở Việt Nam 5
1.2. Một số cơng trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tơng ..................................6
1.2.1. Một số cơng trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông trên thế
giới: ..........................................................................................................................6
1.2.2. Một số cơng trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông
ở Việt Nam ..............................................................................................................8

1.3. Đặc tính của kết cấu liên hợp thép – bê tơng ......................................................11
1.3.1. Kiến trúc .......................................................................................................11
1.3.2. Kinh tế ..........................................................................................................12
1.3.3. Chịu nhiệt và chống ăn mịn ........................................................................12
1.3.4. So sánh tính ưu việt của kết cấu liên hợp thép – bê tông so với kết cấu khác
................................................................................................................................12
1.4. Tổng quan về kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông ........................................14
1.5. Đặc điểm chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông. .......................................16


1.6. Ưu điểm của các loại ống thép nhồi bê tông. .....................................................17
1.6.1. Khả năng chịu lực và độ tin cậy cao ............................................................17
1.6.2. Công năng sử dụng hiệu quả ........................................................................18
1.6.3. Hiệu quả kinh tế ...........................................................................................19
CHƯƠNG 2. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI TUYẾN CHO KẾT CẤU ...20
2.1. Giới thiệu phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến ...............................................20
2.1.1. Nội dung phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến..........................................20
2.1.2. Đặc trưng của khớp dẻo được mặc định theo ASCE 41-13 (Hinges
properties) ..............................................................................................................22
2.1.3. Sử dụng kết quả của phương pháp đẩy dần: ................................................23
2.1.4. Ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng của phương pháp đẩy dần:.................23
2.1.5. Phương pháp nghiên cứu: ............................................................................24
2.2. Giới thiệu phương pháp phân tích động phi tuyến: ............................................24
CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CFRT QUA PHÂN TÍCH
TĨNH PHI TUYẾN BẰNG PHẦN MỀM SAP2000 ....................................................26
3.1. Phần mềm phân tích kết cấu SAP2000: ..............................................................26
3.2. Xây dựng mơ hình phân tích: .............................................................................29
3.3. Khung 6 tầng sử dụng cột CFRT: .......................................................................29
3.4. Khung 6 tầng sử dụng cột liên hợp CFT ............................................................43
3.5. Khung 6 tầng sử dụng cột bê tông cốt thép (RC) ...............................................48

3.6. Kết luận chương 3 ...............................................................................................57
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................58
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................59
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO)
BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC
PHẢN BIỆN.


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. So sánh kích thước của dầm liên hợp với dầm không liên hợp khi khả năng
chịu lực như nhau .......................................................................................13
Bảng 1.2. So sánh kích thước của dầm và cột liên hợp với dầm và cột bê tông cốt thép
thường khi khả năng chịu lực như nhau ....................................................14
Bảng 3.1. Giá trị trên đường cong đẩy dần của khung CFRT 6 tầng ............................43
Bảng 3.2. Giá trị trên đường cong đẩy dần của khung CFT 6 tầng...............................48
Bảng 3.3. Giá trị trên đường cong đẩy dần của khung RC 6 tầng.................................53
Bảng 3.4. Giá trị trên đường cong đẩy dần của khung RC 6 tầng.................................55
Bảng 3.5. Kích thước các loại cột của các hệ kết cấu ...................................................55


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Tịa nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas (USA) ...................................6
Hình 1.2. Tồ nhà Burj Khalifa (Dubai) .......................................................................7
Hình 1.3. Willis Tower (Hoa Kì). .................................................................................8
Hình 1.4. Tịa nhà Diamond Plaza, TP.HCM................................................................9
Hình 1.5. Trung tâm thương mại tài chính Bitexco, TP Hồ Chí Minh .........................9
Hình 1.6. Vietinbank Tower, Hanoi ............................................................................10
Hình 1.7. Khách sạn JW Marriott, Hà Nội ..................................................................10
Hình 1.8. Dự án tồ nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ............................11
Hình 1.9. Các dạng tiết diện cột liên hợp thép bê tơng ...............................................15

Hình 2.1. Đường cong đẩy dần tổng thể của kết cấu. .................................................21
Hình 2.2. Đường cong quan hệ lực – biến dạng đối với khớp dẻo. ............................21
Hình 3.1a. Hộp thoai “Load case data – Nonlinear Static” và các tham số SAP2000 27
Hình 3.1b. Hộp thoại “Load Application Control for Nonlinear Static Analysis” và
các tham số SAP2000 ..............................................................................27
Hình 3.2. Hộp thoai “Result Saved for Nonlinear Static Load Cases” và các tham số
SAP2000 ..................................................................................................28
Hình 3.3. Tổng quát mối quan hệ lực – chuyển vị của khớp dẻo trong SAP2000 ......28
Hình 3.4. Mặt bằng ......................................................................................................30
Hình 3.5. Khai báo tải trọng gió theo tiêu chuẩn ASCE 7-10 .....................................31
Hình 3.6. Khai báo tải trọng gió đẩy theo tiêu chuẩn ASCE 7-10 ..............................32
Hình 3.7. Khai báo tải trọng gió hút theo tiêu chuẩn ASCE 7-10...............................32
Hình 3.8. Khai báo tải trọng động đất .........................................................................33
Hình 3.9. Mặt cắt điển hình cột CFRT ........................................................................34
Hình 3.10. Mặt cắt điển dầm thép ...............................................................................36
Hình 3.11. Khai báo tiết diện cấu kiện cột liên hợp CFRT (Màu xanh đậm thể hiện
lớp vỏ thép, mài xám bên trong thể hiện lõi bê tơng) ..............................37
Hình 3.12. Khai báo tiết diện dầm thép chữ I .............................................................38
Hình 3.13. Mơ hình khung 6 tầng sử dụng cột CFRT bằng ETABS ..........................38
Hình 3.14. Kiểm tra tự động mơ hình khung 6 tầng sử dụng cột CFRT bằng ETABS
.................................................................................................................39
Hình 3.15. Khớp dẻo cho dầm thép I 400x200x10x8 .................................................41
Hình 3.16. Khớp dẻo cho cột liên hợp CFRT 400x400x20 .......................................41
Hình 3.17. Đường cong đẩy dần của khung sử dụng cột CFRT .................................42


Hình 3.18. Sự phân bố khớp dẻo .................................................................................42
Hình 3.19. Khai báo tiết diện cấu kiện cột liên hợp CFT ...........................................44
Hình 3.20. Khai báo tiết diện cấu kiện dầm thép chữ I ...............................................45
Hình 3.21. Mơ hình khung 6 tầng sử dụng cột liên hợp CFT bằng SAP2000 ............45

Hình 3.22. Khớp dẻo cho dầm thép I 400x200x10x8 .................................................46
Hình 3.23. Khớp dẻo cho cột liên hợp CFT 450x22 ...................................................47
Hình 3.24. Sự phân bố khớp dẻo .................................................................................47
Hình 3.25. Đường cong đẩy dần của khung CFT 6 tầng.............................................48
Hình 3.26. Mơ hình khung RC 6 tầng bằng SAP2000 ................................................50
Hình 3.27. Khai báo khớp dẻo cho cột RC 650x650 ..................................................51
Hình 3.28. Khai báo khớp dẻo cho dầm bê tơng cốt thép ...........................................51
Hình 3.29. Sự phân bố khớp dẻo .................................................................................52
Hình 3.30. Đường cong đẩy dần của khung RC 6 tầng (Tương đương khả năng chịu
lực với khung sử dụng cột CFRT) ...........................................................52
Hình 3.31. Sự phân bố khớp dẻo (bước 14) ................................................................54
Hình 3.32. Đường cong đẩy dần của khung RC 6 tầng...............................................54
Hình 3.33. Biểu đồ đường cong đẩy dần .....................................................................56
Hình 3.34. Chuyển vị các tầng của các hệ kết cấu ......................................................57


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nhu cầu xây dựng nhà cao tầng và siêu cao tầng đang bùng nổ mạnh mẽ
ở Việt Nam, đặc biệt ở các khu đơ thị lớn như Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh,
cộng với xu hướng phát triển của xây dựng hiện đại nên khi sử dụng các giải
pháp kết cấu cột bê tơng cốt thép thơng thường, cơng trình nhà cao tầng địi
hỏi kích thước các cấu kiện kết cấu cột có thể rất lớn, nặng nề, tốn kém, giảm
khơng gian sử dụng và giảm tính thẩm mĩ. Để khắc phục các nhược điểm kể
trên, giải pháp kết cấu cột liên hợp thép bê tông đã và đang được sử dụng phổ
biến ở nhiều nước trên thế giới cho các công trình nhà nhiều tầng. Mục đích
của giải pháp này là tận dụng các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lý giữa vật
liệu thép và bê tông để tạo ra kết cấu cột liên hợp có khả năng chịu lực và độ

tin cậy cao, đồng thời tăng cường khả năng chống cháy. Bên cạnh đó, cơng
trình sử dụng giải pháp kết cấu cột liên hợp sẽ đáp ứng được công năng sử
dụng cao, hiệu quả về kinh tế và đảm bảo tính thẩm mĩ, nhưng đồng thời phải
có khả năng chịu được tải trọng ngang (tải trọng động đất) tốt hơn trong kết
cấu nhà cao tầng. Trên cơ sở đó, cột ống thép chữ nhật nhồi bê tông (CFRT)
sẽ là giải pháp thay thế hữu hiệu cho kết cấu cột bê tơng cốt thép truyền thống
vốn có tiết diện, kích thước lớn hơn. Ở nước ta, từ năm 2006 tiêu chuẩn thiết
kế kết cấu liên hợp thép bê tông đang được tiến hành nghiên cứu và biên soạn
theo tiêu chuẩn Châu Âu. Để nghiên cứu được ứng xử của cột CFRT chịu tải
trọng động đất cần phải có phương pháp phân tích, đánh giá cường độ và biến
dạng của kết cấu này khi chịu tải trọng động đất. Do đó, đề tài: “ Phân tích phi
tuyến tĩnh kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông” sẽ là một nghiên cứu hữu
ích.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Đánh giá ứng xử của kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông dưới tác
dụng của tải trọng động đất.
3. Đối tượng nghiên cứu:
- Kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông.
4. Phạm vi nghiên cứu:


2

- Ứng xử của kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông khi chịu tải trọng
động đất bằng phân tích tĩnh phi tuyến.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của phương pháp
phân tích tĩnh phi tuyến.
- Phương pháp mơ phỏng: Sử dụng phần mềm SAP2000 để mơ hình và
phân tích ứng xử của kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông CFRT.

6. Cơ sở khoa học và thực tiễn của luận văn:
Nghiên cứu trong luận văn dựa trên cơ sở tiêu chuẩn ASCE 41-13 của
Hoa Kỳ biên soạn và xuất bản năm 2013 và một số tài liệu tham khảo liên
quan. Ngồi ra luận văn cịn áp dụng những kiến thức về sức bền vật liệu, cơ
học kết cấu và phần mềm SAP2000 V20 để mô phỏng kết cấu
7. Bố cục đề tài:
Chương 1: Tổng quan về kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tơng
(CFRT)
1.1 Q trình hình thành và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tơng
1.2 Một số cơng trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tơng
1.3 Đặc tính của kết cấu liên hợp thép – bê tông
1.4 Tổng quan về kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông:
1.5 Đặc điểm chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông.
1.6 Ưu điểm của các loại ống thép nhồi bê tông.
Chương 2: Các phương pháp phân tích phi tuyến cho kết cấu
2.1 Giới thiệu phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến.
2.2 Giới thiệu phương pháp phân tích động phi tuyến:
Chương 3: Đánh giá ứng xử của kết cấu CFRT qua phân tích tĩnh
phi tuyến bằng phần mềm SAP2000
3.1 Phần mềm phân tích kết cấu SAP2000:
3.2 Xây dựng mơ hình phân tích:
3.3 Khung 6 tầng sử dụng cột CFRT:
3.4 Khung 6 tầng sử dụng cột liên hợp CFT
3.5 Khung 6 tầng sử dụng cột bê tông cốt thép (RC)
3.6 Kết luận chương 3


3

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU ỐNG THÉP CHỮ NHẬT NHỒI BÊ
TƠNG (CFRT)
1.1. Q trình hình thành và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông
Lịch sử phát triển của kết cấu hỗn hợp thép – bê tông gắn liền
với lịch sử phát triển kết cấu bê tông cốt thép (BTCT). Thực chất kết cấu này
là một cá biệt của kết cấu BTCT. Do tính chất cấu tạo của thép trong kết cấu
liên hợp khác với trong kết cấu BTCT thơng thường, tính chất làm việc, sự
tương tác giữa bê tông và thép không giống như BTCT thường và do đó việc
thiết kế kết cấu loại này cũng mang tính chất hồn tồn khác.
Kết cấu liên hợp thép bê tông là loại kết cấu sử dụng thép kết cấu
(structural steel) kết hợp với bê tông hoặc bê tông cốt thép để chúng
cùng tham gia chịu lực. Các giải pháp cấu tạo thường được sử dụng bao
gồm:
+ Bê tông được nhồi trong kết cấu thép ( Concrete Filled Tube – CFT):

+ Bê tơng bọc ngồi kết cấu thép ( Concrete Encased Sections – CES):

+ Thép kết cấu liên kết với bê tông:


4

Việc hình thành kết cấu này bắt nguồn từ hai nguyên nhân. Nguyên nhân
thứ nhất bắt đầu từ ý định thay thế các cốt thép tròn bằng các dạng cốt thép
khác gọi là cốt cứng, khi hàm lượng quá lớn hình thành nên kết cấu liên hợp.
Nguyên nhân thứ hai bắt đầu từ ý tưởng muốn bao bọc kết cấu thép chịu lực
bằng bê tông để chống xâm thực, chống cháy hoặc chịu lực, từ đó hình thành
nên kết cấu liên hợp thép – bê tông. Tuy ra đời muộn hơn một số kết cấu
truyền thống như kết cấu thép, kết cấu bê tông, kết cấu gỗ… nhưng dạng kết
cấu này cũng đã được sử dụng tới hơn thế kỷ, và càng ngày càng thấy có

nhiều điểm ưu việt cần phải khai thác.

1.1.1. Quá trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê
tông trên thế giới
Việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông
dùng trong lĩnh vực xây dựng đã và đang được rất nhiều quốc gia quan tâm.
Tại Mỹ, năm 1894, cầu Melan Arch được thiết kế bởi một kỹ sư người Áo J.
Melan được đánh dấu là ứng dụng liên hợp đầu tiên. Cầu vịm bê tơng, cốt
thép và thép kết cấu vượt nhịp 30feet (~9m) qua một dòng suối ở một thành
phố nhỏ Rock Rapids ở Northvvest Iowa.


5

Hình 1: Cầu Melan Arch

Ở Châu Âu, những năm 1900, ở Anh đã xuất hiện kết cấu liên hợp thép –
bê tông, tuy nhiên lúc đầu người ta chỉ xem như phần thép chịu tải trọng,
phần bê tông chỉ mang tính chất bảo vệ cho thép ( theo giáo sư P.R.
Knowles).
Năm 1944 ở Mỹ, tiêu chuẩn Quốc gia đầu tiên về kết cấu hỗn hợp thép –
bê tông AASHTO (The American Association of State Highway
Transportation) mới được ban hành.
Sau tiêu chuẩn Mỹ (AASHTO) và của Đức (DIN 1078), Ủy ban cộng
đồng Châu Âu CEC (The Commission of the European Communities) đã
thống nhất ban hành một số tiêu chuẩn cho mọi quốc gia trong công cộng về
lĩnh vực xây dựng. Bộ tiêu chuẩn European Codes gồm 9 tập. Trong đó bộ
tiêu chuẩn về kết cấu liên hợp thép - bê tông (Eurocodes 4) đã được đưa
vào sử dụng năm 1997. Trong đó phần ENV 1994-4-1 là Tiêu chuẩn thiết
kế kết cấu liên hợp cho xây dựng dân dụng, đầy đủ các phần từ vật liệu đến

thiết kế sàn, dầm, cột… bằng kết cấu liên hợp thép – bê tông.
Ở Nhật Bản, từ năm 1910, kết cấu hỗn hợp thép – bê tông đã
xuất hiện và được ứng dụng rộng rãi trong việc xây dựng nhà cao tầng (theo
báo cáo của Giáo sư Minoru Wakabayashi trường đại học tổng hợp Kyoto).

1.1.2. Quy trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép - bê tơng ở
Việt Nam
Năm 2006, “ Giáo trình Kết cấu liên hợp thép – bê tông” của PGS.TS
Phạm Văn Hội đã viết theo tiêu chuẩn Eurocode 4 (Design of Composite
Steel and Concrete Structures) và các tài liệu ứng dụng tiêu chuẩn trên để


6

thiết kế các cấu kiện liên hợp thép – bê tông ở Việt Nam .Với yêu
cầu phát triển xây dựng hiện nay, loại kết cấu này chắc chắn sẽ được
sử dụng rộng rãi tại Việt Nam.
1.2. Một số cơng trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông

1.2.1. Một số cơng trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tơng
trên thế giới:
Nói đến nhà cao tầng dùng kết cấu liên hợp tiêu biểu ở Hoa Kỳ
cần kể đến toà nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas (USA). Toà nhà cấu
tạo từ các mảng tường bê tơng cốt thép tồn khối ở bốn góc nhà, giữa
các cột thép bọc bê tông, các sàn dùng dầm thép đỡ bản sàn bê tông đổ tại
chỗ liền với ván khuôn thép cố định. Nhà cao 778 feet (237 m), diện tích
khoảng 2.000.000 feet vng (185.806m2), chu kỳ dao động riêng của
nhà là 6,7 giây, chi phí thép cho nhà trung bình khoảng 16 found cho
1feet vng (khoảng 78kG/m2)

Hình 1.1. Tòa nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, Texas (USA)


7

Hình 1.2. Tồ nhà Burj Khalifa (Dubai)
Tồ nhà Burj Khalifa, trước kia tên là Burj Dubai trước khi khánh
thành, là một nhà chọc trời siêu cao ở "Trung tâm Mới" của Dubai, Các Tiểu Vương
quốc Ả Rập Thống nhất. Với tổng chiều cao 829,8 m trong đó chiều cao đến mái
(khơng bao gồm ăng-ten) là 828 m, nó đã là cơng trình nhân tạo cao nhất thế
giới từng được xây dựng từ cuối năm 2008. Kết cấu bê tông cốt thép của tồ
nhà từ phần móng đến tầng thứ tư, các tầng tiếp theo đến tầng 156 sử dụng
cột liên hợp thép phủ hoặc phủ bê tông.


8

Hình 1.3. Willis Tower (Hoa Kì).
Bên cạnh Empire State, tại Mỹ cịn có một cơng trình tịa tháp cao tầng
vơ cùng ấn tượng có tên Willis Tower (hay Sears Tower). Cơng trình này
được hồn thiện vào năm 1973 có tất cả 110 tầng với độ cao đạt 442m. Thành
phần chính của tồ nhà này là kết cấu thép, do đó đây là một trong các toà nhà
thép chọc trời và rất ấn tượng. Nhờ kết cấu thép mà Willis Tower được xây
dựng hoàn thành chỉ trong vỏn vẹn 3 năm, dù nó lên đến 110 tầng . Hiện nay
Willis Tower được xem như một biểu tượng tại Mỹ.

1.2.2. Một số cơng trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép
bê tông ở Việt Nam
Diamond Plaza ở TP HCM (21 tầng), sử dụng kết cấu khung thép
bọc vật liệu chống cháy là sỉ lị cao, cơng trình của cơng ty xuất nhập khẩu

Hồng Hà ở Hà Nội sử dụng kết cấu sàn liên hợp.


9

Hình 1.4. Tịa nhà Diamond Plaza, TP.HCM.
Bitexco Finaancial Tower được xây dựng trên diện tích 5.267m2 quy mơ
68 tầng với chiều cao 262m. Tòa nhà được thiết kế bằng thép và kính.

Hình 1.5. Trung tâm thương mại tài chính Bitexco, TP Hồ Chí Minh
Vietinbank Tower Hà Nội bao gồm 2 tòa tháp, được liên kết với nhau
bằng khối đế 7 tầng. Tháp thứ nhất cao 68 tầng, tháp thứ hai cao 48 tầng.


10

Hình 1.6. Vietinbank Tower, Hanoi
JW Marriott Hà Nội đạt tiêu chuẩn 5 sao, tọa lạc trên diện tích 63.000m2
và 16.000m2 mặt nước, bao gồm 9 tầng.

Hình 1.7. Khách sạn JW Marriott, Hà Nội
Nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ, Hà Nội gồm 2 tầng hầm
và 21 tầng chức năng.


11

Hình 1.8. Dự án tồ nhà hoạt động đa năng 169 Nguyễn Ngọc Vũ
1.3. Đặc tính của kết cấu liên hợp thép – bê tơng
Khi thiết kế một cơng trình, ngoài việc đảm bảo khả năng chịu lực, độ

cứng dẻo của kết cấu mà còn phải đảm bảo các yêu cầu về kiến trúc,
kinh tế, thi công, cũng như khả năng chịu nhiệt, chống ăn mòn.

1.3.1. Kiến trúc
Kết cấu liên hợp cho phép sự đa dạng trong kiến trúc bằng cách kết hợp
các cấu kiện liên hợp theo nhiều kiểu. Ngoài ra, với tiết diện nhỏ của dầm cho
phép tạo ra:
- Nhịp lớn hơn
- Sàn mỏng hơn
- Cột mảnh hơn
Những yếu tố trên tạo điều kiện thuận lợi cho thiết kế không gian kiến
trúc.


12

1.3.2. Kinh tế
Tiết kiệm được nhiều chi phí do sử dụng cấu kiện có tiết diện
nhỏ hơn (độ cứng lớn có khả năng vượt nhịp lớn, giảm độ võng, giảm chiều
cao tiết diện) và lắp đặt nhanh trong thi công.
Lợi ích tỷ số nhịp và chiều cao được thể hiện:
- Giảm chiều cao tiết diện dẫn đến giảm chiều cao tồn bộ cơng trình và
tiết kiệm được diện tích bao che;
- Nhịp lớn hơn so với các kết cấu khác có cùng chiều cao dẫn
đến tạo ra những khơng gian rộng lớn, giảm số lượng cột trong mặt bằng;
- Nhiều tầng hơn so với các kết cấu khác có cùng chiều cao. Kết cấu liên
hợp được lắp đặt dễ dàng và nhanh hơn nên:
- Tiết kiệm chi phí thi cơng, thời gian hồn thành cơng trình sớm;
- Đưa cơng tình vào sử dụng dần đến thu hồi vốn nhanh hơn.

1.3.3. Chịu nhiệt và chống ăn mịn
Các cơng trình kết cấu thép cổ điển tốn rất nhiều chi phí để bảo vệ thép
kết cấu dưới tác dụng nhiệt của lửa. Các kết cấu hiện đại và kết cấu liên hợp
có thể chịu lửa bằng cách kết hợp với bê tông cốt thép, bê tơng sẽ bảo
vệ thép do bê tơng có khối lượng lớn và dẫn nhiệt kém.
Các dầm và cột thép sẽ được bao bọc hoàn toàn hoặc một phần.
Điều này khơng chỉ giúp duy trì nhiệt độ thấp trong thép mà còn tăng khả
năng chịu lực, tăng độ ổn định.
Khả năng chống ăn mòn của thép được tăng cường. Điều này
càng có ý nghĩa đối với cơng trình xây dựng ở vùng khí hậu có độ
ẩm cao, cơng trình ven biển, các cấu kiện bị tiếp xúc với môi trường ăn
mịn.

1.3.4. So sánh tính ưu việt của kết cấu liên hợp thép – bê tơng so với kết
cấu khác
Kích thước của cấu kiện khi sử dụng kết cấu liên hợp nhỏ hơn nhiều so
với kết cấu không liên hợp. Điều này thể hiện rõ qua kết quả so sánh
thể hiện ở bảng 1.1 và bảng 1.2. Bảng tổng hợp này được tham khảo
từ giáo trình thuộc chương trình châu Âu về chuyển giao kỹ thuật ở Việt


13

Nam. Kết cấu liên hợp thép – bê tơng có thể đạt hiệu quả kinh tế
cao. So với kết cấu bê tơng cốt thép thơng thường thì lượng thép dùng
trong kết cấu liên hợp lớn hơn, nhưng đôi khi chưa hẳn là đắt hơn.
Nếu đánh giá hiệu quả kinh tế một cách tồn diện, có thể chi phí vật liệu
cao nhưng bù lại bởi tốc độ thi công nhanh, sớm quay vịng vốn thì rất có thể
cơng trình sẽ rẻ hơn. Để có thể so sánh định lượng, tác giả P. R.
Knowles đã lập bảng so sánh trọng lượng thép và giá thành tổng thể cho

khung nhà 5 tầng một nhịp thiết kế ở hai giai đoạn đàn hồi và dẻo cho hai loại
khung: Loại khung thép hoàn toàn và Khung thép liên hợp thép – bê tông
(Bảng 1.3).

Bảng 1.1: So sánh kích thước của dầm liên hợp với dầm không liên hợp
khi khả năng chịu lực như nhau [1]


14

Bảng 1.2: So sánh kích thước của dầm và cột liên hợp với dầm và cột bê
tông cốt thép thường khi khả năng chịu lực như nhau [1]

1.4. Tổng quan về kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông:
Hệ thống kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông (Concrete-Filled Steel
Tube – viết tắt tiếng Anh là CFST) là một hệ thống gồm các cấu kiện chịu lực
chính gồm các ống thép được nhồi đặc bằng bê tông cường độ cao hoặc trung
bình. Thơng thường dùng ống trịn, nhưng các ống vuông cũng được áp dụng.
Hệ thống kết cấu CFST có nhiều ưu điểm về độ cứng, cường độ, khả năng
chống biến dạng, và khả năng chống cháy. Nói chung, loại kết cấu này có thể
nghiên cứu áp dụng cho rất nhiều loại cơng trình xây dựng nhà, xưởng, và các
cơng trình cầu đường.


15

Hình 1.9. Các dạng tiết diện cột liên hợp thép bê tông
Kết cấu ống thép nhồi bê tông là một kết cấu liên hợp bao gồm ống thép
vỏ và bê tông lõi cùng làm việc chung. Kết cấu loại này có nhiều ưu thế:
Độ bền của lõi bê tơng (có lớp vỏ thép với chức năng như lớp áo bọc bên

ngoài) đã được tăng khoảng 2 lần so với độ bền của bê tông thông thường.
Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng đúng ra là có sự co ngót nhưng cũng đã
có sự trương nở của bê tơng trong ống và sự trương nở đó được duy trì trong
nhiều năm tạo thuận lợi cho sự làm việc của bê tông. Khơng có sự trao đổi độ
ẩm giữa bê tơng và mơi trường bên ngồi là ngun nhân gây ra sự trương nở.
Nhiều thí nghiệm đã chứng tỏ trị số biến dạng co ngót theo chiều dọc của mẫu
bị cách li là rất nhỏ, vào khoảng ɛ = (2 – 3).10-5. Đó là ưu điểm của kết cấu
ống thép được nhồi bê tông so với kết cấu bê tông cốt thép thơng thường.
Ngồi kết cấu ống thép mặt cắt đặc cịn có loại ống thép trịn nhồi bê
tơng mặt cắt rỗng với 2 lớp vỏ thép bọc mặt ngoài và mặt trong, kẹp giữa là
lớp lõi bê tông. Cách sắp xếp đan xen các lớp vật liệu thép và bê tông như vậy
sẽ tạo ra cơ cấu chịu lực chung giữa lõi bê tông và vỏ thép nhờ hiệu ứng nở
hông của bê tông khi chịu nén. Sự cách li của bê tông với môi trường xung
quanh tạo ra những điều kiện tốt hơn cho sự làm việc của bê tông khi chịu tải
trọng.
Nhiều thí nghiệm so sánh 2 loại kết cấu này đã cho thấy rằng tải trọng
càng tác dụng dài hạn thì càng gây ra sự phá hoại trong bê tông không bị cách
li lớn hơn nhiều so với bê tông bị cách li. Trong bê tông không bị cách li thì


16

các vết nứt nhỏ ngày càng nhiều, còn trong bê tơng khơng bị cách li thì chỉ
sau 2 đến 3 ngày đầu sẽ hồn tồn khơng bị nứt thêm nữa. Trong các mẫu bê
tơng khơng bị cách li thì tính phi tuyến biến dạng từ biến có thể quan sát được
trong vịng 20 đến 30 ngày, trong bê tơng bị cách li thì tính phi tuyến này sẽ
mất đi trong vòng 2 đến 7 ngày đầu (với điều kiện chúng chịu ứng suất như
nhau).
Việc nhồi bê tông vào ống thép đã nâng cao độ bền chống ăn mòn mặt
trong của thép, làm giảm độ mảnh của cấu kiện, làm tăng độ ổn định cục bộ

của thành thép ống và làm tăng khả năng chống móp, méo (biến dạng) của vỏ
ống thép khi va đập.
1.5. Đặc điểm chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông.
Khác với ống thép thường, ống thép nhồi bê tông chỉ làm việc hiệu
quả khi chịu nén. Khi chịu kéo khả năng chịu lực của nó nhỏ hơn nhiều. Về
mặt này ống thép nhồi bê tông tương tự kết cấu bê tông cốt thép. Do đó trong
một hệ thống kết cấu chịu lực nên dùng ống thép nhồi bê tông chỉ cho các cấu
kiện chịu nén. Về nguyên tắc không nên dùng kết cấu ống thép nhồi bê tông
làm cấu kiện chịu kéo. Tuy nhiên trong một số trường hợp cũng có thể dùng
ống thép nhồi bê tơng làm cấu kiện chịu kéo vì các lí do đặc biệt như: để
chống gỉ cho bề mặt trong ống, để tăng độ cứng chống uốn hay tăng trọng
lượng bản thân.
Trong thực tế thường có 2 cách lập sơ đồ chịu lực:
+ Thứ nhất: sử dụng ống thép nhồi bê tông trong các sơ đồ kết cấu truyền
thống của cơng trình mà có những cấu kiện chịu nén chủ yếu, đó là các cột,
trụ, thanh biên cột điện, các thanh chịu nén của giàn và vòm.
+ Thứ hai: lập các sơ đồ kết cấu mới mà trong đó các tải trọng tính tốn
chủ yếu do ống thép nhồi bê tơng chịu. Theo cách thứ hai này thì cần lưu ý áp
dụng mấy nguyên lí sau:
Nguyên lí tập trung vật liệu, các cấu kiện nên được làm to lên thì tổng
khối lượng tồn kết cấu sẽ được giảm nhẹ nhờ khả năng chịu lực của kết cấu
tăng nhanh hơn so với sự tăng khối lượng của nó.
Ngun lí đơn giản hóa hình dạng kết cấu.
Ngun lí về sự kết hợp chức năng.


17

Diện tích bề mặt ngồi của kết cấu ống thép nhồi bê tông chỉ nhỏ bằng
một nửa so với kết cấu thép cán có cùng khả nặng chịu lực, do đó chi phí sơn

phủ và bảo dưỡng cũng ít hơn. Trên bề mặt của ống hình trụ sẽ đọng lại rất ít
bụi và chất bẩn vì vậy kết cấu ống thép nhồi bê tơng có độ bền chống gỉ cao.
Bề mặt trong không cần phủ sơn, mạ kim loại hoặc bịt kín.
Giá thành tổng thể của cơng trình làm bằng kết cấu ống thép nhồi bê
tơng nói chung nhỏ hơn nhiều so với giá thành của cơng trình tương tự làm
bằng kết cấu bê tông cố thép hoặc kết cấu thép thông thường. Khối lượng của
kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn so với kết cấu bê tông cốt thép do đó
việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn. Kết cấu ống thép nhồi bê tông kinh
tế hơn so với kết cấu bê tơng cốt thép vì khơng cần ván khn, giá vịm, đai
kẹp và các chi tiết đặt sẵn, nó có sức chịu đựng tốt hơn, ít hư hỏng do va đập.
Do khơng có cột chịu lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tơng với cấp phối hỗn
hợp cứng hơn (tỉ lệ nước/xi măng có thể lấy nhỏ hơn) và sẽ dễ dàng đạt chất
lượng bê tơng cao hơn.
Nói chung đặc điểm cơ bản của loại kết cấu ống thép nhồi bê tơng có
thể được tổng kết như sau:
- Mặt cắt ngang của cột trong hệ thống kết cấu ống thép nhồi bê tông có
thể được giảm do tăng cường độ vật liệu.
- Các nguyên nhân dao động kết cấu do động đất và gió có thể được
giảm do nó được tăng cường độ cứng hơn kết cấu thép thông thường.
- Ảnh hưởng của sự cố cháy nổ có thể được giảm hoặc bỏ qua do hiệu
ứng của bê tông nhồi đặc trong ống thép.
1.6. Ưu điểm của các loại ống thép nhồi bê tông.

1.6.1. Khả năng chịu lực và độ tin cậy cao
Kết cấu cột liên hợp thép bê tông đã tận dụng được các ưu điểm về
đặc trưng cơ lý của cả hai vật liệu thép và bê tông. Vật liệu thép có cường độ
chịu kéo và chịu nén cao, khả năng cho phép biến dạng dẻo lớn, độ tin cậy, độ
an toàn chịu lực cao nhưng khả năng chịu lửa kém và giá thành lại cao. Trong
khi đó vật liệu bê tơng mặc dù chỉ có cường độ chịu nén tương đối nhưng lại
có tính chịu lửa tốt, giá thành rẻ và được sử dụng phổ biến. Như vậy, so với

trường hợp chỉ sử dụng kết cấu bê tông cốt thép thuần túy thì việc sử dụng