Thí nghiệm xác định khả năng chịu lực của sàn liên hợp thép bê tông sử dụng một số loại tôn phổ biến trên thị trường
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (11.04 MB, 70 trang )
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------
HUỲNH BÁ VINH
THÍ NGHIỆM
C
C
XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU LỰC
R
L
T.
CỦA SÀN LIÊN HỢP THÉP-BÊ TÔNG SỬ DỤNG
MỘT SỐ LOẠI TÔN PHỔ BIẾN TRÊN THỊ TRƯỜNG
DU
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Đà Nẵng, năm 2021
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------
HUỲNH BÁ VINH
THÍ NGHIỆM
XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU LỰC
C
C
CỦA SÀN LIÊN HỢP THÉP-BÊ TÔNG SỬ DỤNG
R
L
T.
MỘT SỐ LOẠI TÔN PHỔ BIẾN TRÊN THỊ TRƯỜNG
DU
Chuyên ngành
Mã số
: Kỹ thuật Xây dựng
: 8.58.02.01
LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN QUANG HƯNG
Đà Nẵng, năm 2021
LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu độc lập của tôi.
Các số liệu khoa học, tài liệu viện dẫn nêu trong luận văn là trung thực và có nguồn
gốc rõ ràng.
Đà Nẵng, ngày 24 tháng 01 năm 2021.
Tác giả luận văn
Huỳnh Bá Vinh
C
C
DU
R
L
T.
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SÀN LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG ................ 3
1.1. Tổng quan về kết cấu liên hợp ...........................................................................3
1.1.1. Lịch sử hình thành ........................................................................................3
1.1.2. Các cơng trình hiện hữu ................................................................................3
1.1.3. Đặc điểm, u cầu cấu tạo của sàn liên hợp thép – bê tông .........................3
1.1.4. Ưu điểm, nhược điểm ...................................................................................6
1.2. Sự làm việc và các dạng phá hoại của kết cấu sàn liên hợp ..............................6
1.3. Tính tốn khả năng chịu lực của kết cấu sàn liên hợp .......................................7
1.3.1. Tính tốn sức bền kháng uốn của tiết diện sàn liên hợp ...............................7
a.
Tiết diện chịu mômen dương (sagging bending) ...........................................7
b.
Tiết diện chịu mômen âm (hogging bending) ................................................9
C
C
R
L
T.
1.3.2. Khả năng chịu trượt dọc của sàn liên hợp ..................................................10
1.3.3. Khả năng chịu lực cắt đứng của sàn liên hợp .............................................12
DU
1.3.4. Khả năng chống chọc thủng của sàn liên hợp ............................................13
1.4. Tổng quan thực trạng thiết kế sàn liên hợp hiện nay .......................................13
1.4.1. Áp dụng đa dạng loại tấm tôn trong thiết kế và thi công............................13
1.4.2. Chất lượng sàn liên hợp khi sử dụng tấm tôn không chuyên dụng ............14
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ........................................................................................ 14
CHƯƠNG 2. CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM .................................................. 15
2.1. Mẫu thí nghiệm ................................................................................................15
2.2. Vật liệu chế tạo mẫu thí nghiệm ......................................................................17
2.2.1. Bê tơng ........................................................................................................17
2.2.2. Tấm tơn .......................................................................................................18
2.3. Sơ đồ thí nghiệm ..............................................................................................19
2.3.1. Lắp đặt các thiết bị thí nghiệm ...................................................................19
2.3.2. Chi tiết các thiết bị thí nghiệm ....................................................................20
2.4. Quy trình thí nghiệm nén mẫu .........................................................................23
2.5. Tính tốn khả năng chịu lực của 4 nhóm mẫu .................................................24
2.5.1. Tính tốn khả năng chịu mơmen dương giới hạn .......................................24
2.5.2. Tính tốn khả năng chịu lực cắt đứng giới hạn ..........................................28
2.5.3. Tổng hợp kết quả tính tốn khả năng chịu lực của 4 nhóm mẫu ................32
2.6. Dự đốn cơ chế phá hoại mẫu ..........................................................................32
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ........................................................................................ 33
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ............................................................... 34
3.1. Hình ảnh gia tải thí nghiệm đến khi mẫu bị phá hoại và xuất hiện vết nứt .....34
3.2. Tương quan giữa tải trọng và biến dạng nén mặt dưới và mặt trên của mẫu ..38
3.2.1. Nhóm mẫu TL 9 - M250 .............................................................................38
3.2.2. Nhóm mẫu TL 11 - M250 ...........................................................................40
3.2.3. Nhóm mẫu tơn Deck - M250 ......................................................................42
3.2.4. Nhóm mẫu tơn Deck – M300 .....................................................................44
3.3. Tương quan giữa tải trọng và độ võng tại giữa nhịp .......................................46
3.4. Phân tích sự làm việc của mẫu sàn ..................................................................48
C
C
3.5. Kết luận ............................................................................................................49
R
L
T.
KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ......................................................................... 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 51
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI
KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT HỘI ĐỒNG BẢO VỆ
DU
THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA SÀN LIÊN HỢP
THÉP-BÊ TÔNG SỬ DỤNG MỘT SỐ LOẠI TÔN PHỔ BIẾN TRÊN THỊ TRƯỜNG
Tên học viên
: Huỳnh Bá Vinh
Chuyên ngành
: Kỹ thuật Xây dựng
Mã số
: 8.58.02.01
Khóa
: K37, Trường Đại học Bách Khoa - ĐHĐN
Tóm tắt: Hiện nay, sàn liên hợp thép – bê tông đang được sử dụng ngày càng
nhiều trong thiết kế nhà dân dụng và công nghiệp. Khi thiết kế sàn liên hợp phải tuân
thủ tiêu chuẩn Eurocode 4, dựa vào tính chất cơng trình và chọn kích thước tôn chuyên
dụng (tôn sàn Deck) phù hợp. Tuy nhiên, trên thực tế vẫn có khá nhiều cơng trình dân
dụng vừa và nhỏ sử dụng tôn lợp mái (độ dày thường từ 0,45mm đến 0,5mm) thay cho
tôn sàn chuyên dụng để làm kết cấu sàn liên hợp với chiều dài nhịp sàn khoảng 1,0m.
Việc sử dụng tôn lợp mái để làm kết cấu sàn liên hợp như trên hoàn toàn chưa quy định
trong tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện hành mà chủ yếu dựa trên kết quả thi công thực tế ở
các cơng trình tương tự đã có. Do đó, khó kiểm soát kết quả thiết kế, cũng như gây mất
an tồn cho cơng trình khi đi vào vận hành. Đề tài xác định và đánh giá khả năng làm
việc của kết cấu sàn liên hợp khi sử dụng một số loại tôn lợp mái thông dụng để đưa ra
những lời khuyên hữu ích đến người thiết kế khi lựa chọn kết cấu sàn là sàn liên hợp
thép – bê tông.
C
C
R
L
T.
DU
Từ khóa: Sàn liên hợp thép – bê tơng; Tơn lợp mái; Eurocode 4; Khả năng kháng
trượt; Thí nghiệm kháng trượt.
EXPERIMENT ON THE BEARING OF COMPOSITE STEEL AND CONCRETE
SLAB USED UNUSUAL STEEL DECKS
Abstract: Composite steel-concrete slab are largerly used in buildings. In the
design of composite slab to Eurocode 4, the appropriate steel decks must be used.
However, in reality, there are still quite a lot of projects using roofing sheets (thickness
of from 0,45mm to 0,5mm) instead of specialized steel decks, with the span is about
1,0m of long. The use of roofing sheets as mentioned above is completely not mentioned
by the current standards, but mainly based on actual experiences. Therefore, it is difficult
to control the design results and also unsafe. This study aims to determine and evaluate
the bearing of composite slab structure by experiments in case of using some popular
types of roofing sheets, and to provide useful advices to the designer.
Key words: Composite steel and concrete slab, Steel deck, Eurocode 4, shear
bearing, experiments.
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Thành phần cấp phối bê tơng đúc mẫu .................................................. 17
Bảng 2.2: Kết quả thí nghiệm xác định cường độ của bê tông đúc mẫu ............... 18
Bảng 2.3: Kết quả thí nghiệm kéo mẫu tơn ............................................................ 19
Bảng 2.4: Bảng tổng hợp kết quả tính tốn khả năng chịu lực của 4 nhóm mẫu .. 32
Bảng 3.1: Kết quả tương quan giữa tải trọng và biến dạng nén mặt dưới và mặt trên
của nhóm mẫu TL 9 - M250 (xét cùng bề rộng sàn 1m) ........................................ 38
Bảng 3.2: Kết quả tương quan giữa tải trọng và biến dạng nén mặt dưới và mặt trên
của nhóm mẫu TL 11 - M250 (xét cùng bề rộng sàn 1m) ...................................... 40
Bảng 3.3: Kết quả tương quan giữa tải trọng và biến dạng nén mặt dưới và mặt trên
của nhóm mẫu tôn Deck – M250 (xét cùng bề rộng sàn 1m) ................................ 42
Bảng 3.4: Kết quả tương quan giữa tải trọng và biến dạng nén mặt dưới và mặt trên
của nhóm mẫu tôn Deck – M300 (xét cùng bề rộng sàn 1m) ................................ 44
C
C
R
L
T.
Bảng 3.5: Kết quả tương quan giữa tải trọng và độ võng tại giữa nhịp (xét cùng bề
rộng sàn 1m) ............................................................................................................. 46
DU
Bảng 3.6: Tải trọng P và độ võng ở giữa nhịp của 4 nhóm mẫu sàn. .................... 48
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Tịa nhà Diamond Plaza, TP HCM ........................................................... 3
Hình 1.2: Tồ nhà đa năng, 169 Nguyễn Ngọc Vũ, Hà Nội .................................... 3
Hình 1.3: Kết cấu sàn liên hợp thép – bê tông đặc trưng ......................................... 4
Hình 1.4: Các loại sàn liên hợp ................................................................................. 4
Hình 1.5: Các kích thước của sàn và tấm tơn ........................................................... 5
Hình 1.6: Các dạng tạo liên kết điển hình trong sàn liên hợp .................................. 5
Hình 1.7: Tiết diện phá hoại của các dạng phá hoại khác nhau ............................... 7
Hình 1.8: Tiết diện chịu mơmen dương trục trung hịa dẻo đi qua vùng bê tơng nằm
trên sườn ..................................................................................................................... 7
Hình 1.9: Tiết diện chịu mơmen dương trục trung hịa dẻo đi qua sườn tấm tơn ... 8
C
C
Hình 1.10: Tiết diện chịu mơmen âm ..................................................................... 10
R
L
T.
Hình 1.11: Sơ đồ thí nghiệm khả năng chịu trượt dọc của sàn liên hợp ................ 11
Hình 1.12: Vẽ biểu đồ quan hệ xác định thông số m và k...................................... 11
DU
Hình 1.13: Xác định khả năng chịu lực cắt đứng của sàn liên hợp ........................ 12
Hình 1.14: Xác định khả năng chống chọc thủng của sàn liên hợp ....................... 13
Hình 2.1: Tiết diện ngang mẫu thí nghiệm với tơn 9 sóng, b= 375 mm. ............... 15
Hình 2.2: Tiết diện ngang mẫu thí nghiệm với tơn 11 sóng, b= 300 mm .............. 15
Hình 2.3: Tiết diện ngang mẫu thí nghiệm với tơn sàn Deck, b= 335 mm ........... 15
Hình 2.4: Bãi đúc mẫu. ............................................................................................ 16
Hình 2.5: Mẫu đúc loại tơn lợp 9 sóng.................................................................... 16
Hình 2.6: Một mẫu đúc tơn lợp 9 sóng bị hư hỏng trong q trình tập kết. .......... 16
Hình 2.7: Chế tạo mẫu bê tơng tại hiện trường. ..................................................... 17
Hình 2.8: Tiết diện ngang mẫu tơn lợp 9 sóng. ...................................................... 18
Hình 2.9: Tiết diện ngang mẫu tơn lợp 11 sóng. .................................................... 18
Hình 2.10: Tiết diện ngang mẫu tơn Deck. ............................................................. 18
Hình 2.11: Sơ đồ thí nghiệm mẫu sàn ..................................................................... 20
Hình 2.12: Hình ảnh bố trí thiết bị thực tế .............................................................. 20
Hình 2.13: Thi cơng dán lá Strain Gauge lên mặt tấm tôn. .................................... 21
Hình 2.14: Thi cơng dán lá Strain Gauge lên mặt bê tơng. .................................... 21
Hình 2.15: Cảm biến đo chuyển vị LVDT trong thí nghiệm ................................. 22
Hình 2.16: Cảm biến đo lực Load cell trong thí nghiệm ........................................ 23
Hình 2.17: Thiết bị Data logger TDS-303 trong thí nghiệm .................................. 23
Hình 2.18: Kết nối và kiểm tra thiết bị đo trước khi tiến hành thí nghiệm ........... 24
Hình 3.1: Mẫu TL 9-M250-m1 bị phá hoại. ........................................................... 34
Hình 3.2: Vết nứt sau khi mẫu bị phá hoại ở mẫu TL 9-M250-m1. ...................... 34
Hình 3.3: Mẫu TL 11-M250-m1 bị phá hoại. ......................................................... 35
Hình 3.4: Vết nứt sau khi mẫu bị phá hoại ở mẫu TL 11-M250-m1. .................... 35
Hình 3.5: Mẫu Deck-M250-m1 bị phá hoại. .......................................................... 36
Hình 3.6: Vết nứt sau khi mẫu bị phá hoại ở mẫu Deck-M250-m1....................... 36
C
C
Hình 3.7: Mẫu Deck-M300-m2 bị phá hoại. .......................................................... 37
R
L
T.
Hình 3.8: Vết nứt sau khi mẫu bị phá hoại ở mẫu Deck-M300-m2....................... 37
Hình 3.9: Biểu đồ tương quan giữa tải trọng và biến dạng nén mặt dưới và mặt trên
của nhóm mẫu TL 9 - M250 (xét cùng bề rộng sàn 1m) ........................................ 39
DU
Hình 3.10: Biểu đồ tương quan giữa tải trọng và biến dạng nén mặt dưới và mặt
trên của nhóm mẫu TL 11 - M250 (xét cùng bề rộng sàn 1m) .............................. 41
Hình 3.11: Biểu đồ tương quan giữa tải trọng và biến dạng nén mặt dưới và mặt
trên của nhóm mẫu tơn Deck – M250 (xét cùng bề rộng sàn 1m) ......................... 43
Hình 3.12: Biểu đồ tương quan giữa tải trọng và biến dạng nén mặt dưới và mặt
trên của nhóm mẫu tơn Deck – M300 (xét cùng bề rộng sàn 1m) ......................... 45
Hình 3.13: Biểu đồ quan hệ tải trọng P và độ võng ở giữa nhịp của 4 nhóm mẫu
sàn. ............................................................................................................................ 47
CÁC CHỮ VIẾT TẮT
QCVN 02-2009/BXD: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia Việt Nam 02-2009/BXD;
EC4: Tiêu chuẩn Eurocode 4 – Design of composite steel and concrete structures;
TCVN 3118:1993: Bê tông nặng – Phương pháp xác định cường độ nén;
TCVN 8828:2011: Tiêu chuẩn Việt Nam – Bê tông – Yêu cầu bảo dưỡng ẩm tự
nhiên.
MỞ ĐẦU
Tính cần thiết của đề tài:
Hiện nay, sàn liên hợp thép – bê tông đang được sử dụng ngày càng nhiều trong
thiết kế nhà dân dụng và công nghiệp. Khi thiết kế sàn liên hợp phải tuân thủ tiêu chuẩn
Eurocode 4, dựa vào tính chất cơng trình và chọn kích thước tơn chun dụng (tơn sàn
Deck) phù hợp. Tuy nhiên, trên thực tế vẫn có khá nhiều cơng trình dân dụng vừa và
nhỏ sử dụng tôn lợp mái (độ dày thường từ 0,45mm đến 0,5mm) thay cho tôn sàn chuyên
dụng để làm kết cấu sàn liên hợp, chiều dài nhịp sàn thường là 1,0m.
Việc sử dụng tôn lợp mái để làm kết cấu sàn liên hợp như trên hoàn toàn chưa quy
định trong tiêu chuẩn, quy chuẩn hiện hành mà chủ yếu dựa trên kết quả thi công thực
tế ở các cơng trình tương tự đã có. Do đó, khó kiểm sốt kết quả thiết kế, cũng như gây
mất an tồn cho cơng trình khi đi vào vận hành.
Đề tài “Thí nghiệm xác định khả năng chịu lực của sàn liên hợp thép-bê tông
sử dụng một số loại tôn phổ biến trên thị trường” nhằm xác định và đánh giá khả
năng làm việc của kết cấu sàn liên hợp khi sử dụng một số loại tôn lợp mái thông dụng
để đưa ra những lời khuyên hữu ích đến người thiết kế khi lựa chọn kết cấu sàn là sàn
liên hợp thép – bê tông.
C
C
Mục tiêu nghiên cứu:
R
L
T.
DU
Đề tài tập trung vào việc chế tạo các mẫu sàn liên hợp phù hợp với các quy định
hiện hành sử dụng một số loại tơn trên thị trường hiện nay. Sau đó, tiến hành thí nghiệm
tuân thủ tiêu chuẩn EC4 để xác định khả năng chịu lực của từng loại sàn, đánh giá và
đưa ra những lời khuyên hữu ích phục vụ cho thiết kế sàn liên hợp.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Sàn liên hợp sử dụng một số loại tôn trên thị trường
hiện nay với các cấp bền khác nhau.
- Phạm vi nghiên cứu: Xác định khả năng chịu lực của sàn liên hợp.
Phương pháp nghiên cứu: Dùng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, cụ thể
như sau:
- Thu mua các loại tôn phục vụ cho thí nghiệm có sẵn trên thị trường thành
phố Đà Nẵng và thường được các nhà thầu thi công sử dụng, gồm 3 loại:
02 loại tơn lợp mái (9 sóng, 11 sóng) dày 0,5mm và 01 loại tơn sàn Deck
loại H50W1000 dày 0,5mm;
- Chuẩn bị bê tông với 2 mác thông dụng: M250 và M300. Bê tông được đặt
mua từ Công ty chuyên bê tông xây dựng;
- Tiến hành đúc mẫu sàn liên hợp theo tiêu chuẩn EC4 và các tiêu chuẩn hiện
hành liên quan;
- Tưới ẩm, bảo dưỡng mẫu liên tục cho đến khi mẫu sàn đủ 28 ngày tuổi;
Trang 1
- Tiến hành thí nghiệm gia tải, quan sát quá trình làm việc của mẫu sàn đến
lúc phá hoại, ghi số gia tải lớn nhất cho mỗi mẫu sàn;
- Tổng hợp, phân tích, đánh giá q trình làm việc của mẫu sàn, xác định khả
năng chịu lực tới hạn của mẫu, tổng hợp cho từng nhóm mẫu;
- Kết luận khả năng chịu lực đại diện cho từng nhóm mẫu sàn và đưa ra các
khuyến nghị hữu ích phục vụ cho công tác thiết kế sàn liên hợp.
Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài:
Kết cấu sàn liên hợp gồm: Bê tông và tôn sàn Deck đã được sử dụng rộng rãi trong
các cơng trình dân dụng và cơng nghiệp quy mô vừa và lớn, kết cấu đã dần trở nên quen
thuộc với các nhà thiết kế trong nước với ưu điểm rút ngắn tiến độ thi công. Tuy nhiên,
với những cơng trình nhà quy mơ vừa và nhỏ hiện nay, việc sử dụng tôn lợp mái thay
thế cho tôn sàn Deck làm kết cấu cho sàn liên hợp là tương đối nhìu nhằm tối ưu nhất
về chi phí. Việc sử dụng tôn lợp mái làm kết cấu sàn liên hợp như vậy là chưa được quy
định trong tiêu chuẩn, quy chuẩn trong nước và cả ngoài nước. Mà chỉ dựa vào những
tính tốn ổn định mang tính tương quan, cũng như kinh nghiệm triển khai thi công thực
tiễn. Do đó, loại kết cấu sàn này cần được nghiên cứu, thí nghiệm và thử nghiệm nhiều
hơn để đưa ra những lời khuyên hữu ích cho người thiết kế, để hạn chế thấp nhất những
rủi ro mà thiết kế chưa lường hết được.
C
C
R
L
T.
DU
Nội dung luận văn:
Nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương:
Chương 1. Tổng quan về sàn liên hợp thép - bê tông.
Chương 2. Chương trình thí nghiệm.
Chương 3. Kết quả thí nghiệm.
Trang 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SÀN LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG
1.1. Tổng quan về kết cấu liên hợp
1.1.1. Lịch sử hình thành
Lịch sử phát triển của kết cấu liên hợp thép – bê tông gắn liền với lịch sử phát triển
của kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép.
Việc hình thành dạng kết cấu liên hợp này bắt nguồn từ 2 nguyên nhân:
(i) - 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;
(ii) - 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 ngày
càng có nhiều ưu việt cần phải khai thác.
1.1.2. Các cơng trình hiện hữu
C
C
R
L
T.
Hiện nay đã có rất nhiều cơng trình nhà nhiều tầng ở Việt Nam áp dụng kết cấu
khung nhà thép tiền chế, như sau:
DU
Hình 1.1: Tịa nhà Diamond Plaza, TP HCM
Hình 1.2: Tồ nhà đa năng,
169 Nguyễn Ngọc Vũ, Hà Nội
1.1.3. Đặc điểm, yêu cầu cấu tạo của sàn liên hợp thép – bê tông
Khác với kết cấu sàn bê tơng cốt thép thơng thường, có cốt thép chịu lực là
các thanh thép tròn, kết cấu sàn liên hợp thép – bê tông là kết cấu mà thép chịu lực
Trang 3
có dạng tấm tơn định hình và tấm đan bằng bê tông cốt thép đổ tại chổ. Sự làm việc
sàn liên hợp thép – bê tông nhờ vào tiếp xúc giữa bê tông và thép.
Sàn liên hợp thép – bê tông là bản sàn một phương, các bản sàn gác lên dầm
phụ được đỡ bởi các dầm chính đặt vng góc với dầm phụ và gác lên cột.
Bê tơng
Tấm tơn sàn
Đinh chống cắt
R
L
.
T
U
D
C
C
Dầm thép
Hình 1.3: Kết cấu sàn liên hợp thép – bê tơng đặc trưng
Vài trị của tấm tơn:
-
Là sàn cơng tác trong q trình thi cơng;
-
Là cốt pha cho vữa bê tông khi thi công bê tông sàn;
-
Là cốt thép lớp dưới chịu lực của bản sàn.
Yêu cầu cấu tạo:
-
Chiều dày của sàn từ 10 ÷ 40cm;
-
Chiều dày tấm tơn từ 0,75 ÷ 1,5mm, chiều cao sóng từ 40 ÷ 80mm;
-
Có lớp mạ kẽm ở 2 mặt để chống ăn mịn;
-
Thép tấm định hình là thép dập nguội, dập nguội nhằm làm tăng độ bên cơ
học của thép dẫn đến làm tăng khả năng chịu lực của tiết diện:
Hình 1.4: Các loại sàn liên hợp
Trang 4
-
Giới hạn đàn hồi của tấm tôn khoảng 300 N/mm2;
-
Chiều dày của tồn bộ sàn liên hợp (h) khơng được nhỏ hơn 80mm. Chiều
dày phần bê tông (hc) trên các sườn khơng được nhỏ hơn 40cm để tránh
phá hoại giịn và đảm bảo lớp bảo vệ cho cốt thép. Nếu sàn làm việc liên
hợp với dầm hoặc được sử dụng như vách cứng, chiều dày h không được
nhỏ hơn 90mm, hc khơng được nhỏ hơn 50mm;
-
Kích thước tiêu chuẩn của các hạt cốt liệu trong bê tơng phụ thuộc vào
kích thước nhỏ nhất của cấu kiện và không được lớn hơn giá trị nhỏ nhất
trong các giá trị sau:
+ 0,4hc;
+ bo/3, với b0 là chiều rộng trung bình của sườn tấm tơn;
+ 31,5mm (kích thước mắt sàn rây cốt liệu).
C
C
R
L
T.
DU
Hình 1.5: Các kích thước của sàn và tấm tơn
-
u cầu đối với gối tựa: Gối tựa của sàn liên hợp phải có bề rộng nhỏ nhất
là 75mm đối với các loại khối thường như dầm thép hoặc dầm bê tông và
100mm đối với các loại gối ít gặp như: Gạch, đá.
Hình 1.6: Các dạng tạo liên kết điển hình trong sàn liên hợp
Trang 5
1.1.4. Ưu điểm, nhược điểm
Ưu điểm:
-
Tiến độ thi công, chi phí được tối ưu hơn;
-
Ngồi ra, kết cấu liên hợp thép-bê tơng có khả năng vượt nhịp lớn, chiều
cao dầm giảm nên tăng không gian sử dụng, giảm chiều cao tầng.
Nhược điểm:
-
Chiều cao cơng trình cịn hạn chế, ít được áp dụng cho cơng trình nhiều
tầng và siêu cao tầng.
1.2. Sự làm việc và các dạng phá hoại của kết cấu sàn liên hợp
Ba dạng làm việc của bản sàn liên hợp:
-
Tương tác hồn tồn: Khơng có trượt giữa thép và bê tơng ở mặt tiếp xúc,
phá hoại có thể dẻo hoặc giịn, lực tới hạn Pu lớn nhất;
-
Khơng tương tác: Trượt rất lớn xảy ra tại bề mặt tiếp xúc của bê tơng và
thép, gần như khơng có sự truyền lực cắt, lực tới hạn Pu nhỏ nhất;
-
Tương tác một phần: Trượt bé, lực cắt truyền một phần, tải tới hạn Pu có
giá trị trung gian giữa 2 trường hợp trên, phá hoại giòn hoặc dẻo.
C
C
R
L
T.
DU
Các dạng phá hoại:
-
Phá hủy do mômen uốn: xảy ra tại tiết diện I-I chịu mômen uốn lớn nhất,
việc kiểm tra bền theo trạng thái giới hạn thứ nhất M≤Mgh trong đó Mgh là
mơmen giới hạn mà tiết diện chịu được.
-
Phá hủy do sự trượt dọc giữa tấm tôn và bê tông tại vùng có lực cắt lớn IIII, nguyên nhân do lực liên kết giữa tấm tôn và bê tông không đảm bảo
chống lại lực cắt tại vùng này. Khả năng chống trượt dọc của sàn liên hợp
thường được xác định bằng thực nghiệm.
-
Phá hủy do lực cắt đứng tại tiết diện có lực cắt lớn III-III: khả năng chống
lực cắt đứng do phần bê tông quyết định, kiểm tra bền theo trạng thái giới
hạn thứ nhất V≤Vgh.
-
Phá hủy do chọc thủng: nếu trên sàn có lực tập trung P thì sàn cần được
kiểm tra chống chọc thủng tương tự như sàn BTCT.
Trang 6
Hình 1.7: Tiết diện phá hoại của các dạng phá hoại khác nhau
Sự phá hoại sàn liên hợp có thể xảy ra theo 2 dạng làm việc:
-
Phá hoại giòn: sự phá hoại xảy ra đột ngột, nói chung khơng có biến dạng lớn;
-
Phá hoại dẻo: sự phá hoại xảy ra từ từ kèm theo biến dạng lớn, có những dấu
hiệu báo trước.
C
C
R
L
T.
1.3. Tính tốn khả năng chịu lực của kết cấu sàn liên hợp
DU
1.3.1. Tính tốn sức bền kháng uốn của tiết diện sàn liên hợp
a. Tiết diện chịu mômen dương (sagging bending)
Xét một đoạn bề rộng sàn b. Bỏ qua sự tham gia chịu nén của cốt thép trong bê
tông và sự tham gia chịu kéo của bê tông trong vùng kéo. Tại trạng thái giới hạn tất cả
các điểm trên tiết diện đều bị chảy dẻo, ứng suất trong tấm tôn đạt cường độ fp; ứng suất
trong bê tông vùng nén đạt cường độ fc, tuy nhiên Eurocode 3 quan niệm rằng ứng suất
trong bê tông chỉ đạt 0,85fc nhằm kể đến ứng xử phi tuyến của bê tơng.
Trục trung hịa dẻo đi qua vùng bê tơng nằm trên sườn:
Hình 1.8: Tiết diện chịu mơmen dương trục trung hịa dẻo đi qua vùng bê tơng
nằm trên sườn
Trang 7
Gọi xpl là khoảng cách từ biên trên đến trục trung hòa dẻo. Điều kiện xảy ra trường
hợp này là:
𝑥𝑝𝑙 ≤ ℎ𝑐
Hợp lực nén tác dụng lên vùng bê tông nén có giá trị:
𝑁𝑐𝑓 = (𝑏. 𝑥𝑝𝑙 )0,85𝑓𝑐
Hợp lực kéo tác dụng lên tấm tôn đặt tại trọng tâm của tiết diện tấm tơn và có giá
trị:
𝑁𝑝 = 𝐴𝑝 . 𝑓𝑝
Cân bằng lực theo phương ngang tìm được:
𝑁𝑝 = 𝑁𝑐𝑓 ⇔ (𝑏. 𝑥𝑝𝑙 )0,85𝑓𝑐 = 𝐴𝑝 . 𝑓𝑝
⇒ 𝑥𝑝𝑙 =
𝐴𝑝 𝑓𝑝
0,85𝑏𝑓𝑐
C
C
Mômen dương giới hạn mà tiết diện chịu được:
R
L
T.
𝑥𝑝𝑙
+
)
𝑀𝑅𝑑
= 𝑁𝑝 𝑧 = 𝐴𝑝 𝑓𝑝 (𝑑𝑝 −
2
Giá trị dp có được khi xác định được trục trọng tâm của tấm tôn (thường được cung
cấp bởi nhà sản xuất).
DU
Trục trung hòa dẻo đi qua sườn tấm tôn:
Quan niệm tương tự trường hợp trước, đồng thời bỏ qua sự tham gia chịu lực nén
của phần bê tông nằm trong sườn tôn. Tấm tơn sẽ có một phần chịu kéo và một phần
chịu nén.
Hình 1.9: Tiết diện chịu mơmen dương trục trung hịa dẻo đi qua sườn tấm tôn
Tại trạng thái giới hạn dẻo, biểu đồ phân bố ứng suất gồm phần tấm tơn bên dưới
trục trung hịa dẻo chịu kéo và chảy dẻo đạt giá trị +fp, phần tấm tôn bên trên trục trung
Trang 8
hòa dẻo chịu nén và chảy dẻo đạt giá trị -fp, tồn bộ bê tơng nằm trên sườn tơn bị nén
chảy dẻo đạt giá trị 0,85fc.
Biểu đồ này có thể phân thành tổng 2 biểu đồ như hình vẽ, gồm biểu đồ thứ nhất
trong đó một phần tấm tơn chịu kéo cần bằng với phần bê tông chịu nén, và biểu đồ thứ
hai trong đó phần cịn lại của tấm tôn chịu kéo cân bằng với phần tấm tôn chịu nén.
Hợp lực nén tác dụng lên vùng bê tông chịu nén:
𝑁𝑐𝑓 = (𝑏ℎ𝑐 )0,85𝑓𝑐
Gọi z là cánh tay đòn của hợp lực trong biểu đồ thứ nhất, mômen do biểu đồ thứ
nhất gây ra có giá trị là (Ncf.z) trong đó:
𝑧 = ℎ − 0,5ℎ𝑐 − 𝑒𝑝 + (𝑒𝑝 − 𝑒)
𝑁𝑐𝑓
𝐴𝑝,eff 𝑓𝑝
Với e là khoảng cách từ biên dưới đến trọng tâm tấm tôn, ep là khoảng cách từ biên
dưới đến trục trung hòa dẻo của tiết diện hữu hiệu của tấm tôn. Khái niệm về tiết diện
hữu hiệu tấm tơn được trình bày trong các phần tiếp theo. Các giá trị này thường được
cho bởi các nhà sản xuất.
C
C
R
L
T.
Phần biểu đồ thứ hai (tác dụng lên tấm tôn) sẽ tạo ra mômen Mpr, mômen này sẽ
nhỏ hơn mômen giới hạn dẻo của tấm tôn do bị thiếu hụt một phần ứng suất ở vùng giữa,
xác định như sau:
DU
𝑀𝑝𝑟 = 1,25𝑀𝑝𝑎 (1 −
𝑁𝑐𝑓
𝐴𝑝,eff 𝑓𝑝
) và lấy 𝑀𝑝𝑟 ≤ 𝑀𝑝𝑎
Trong đó Ap,eff là tiết diện hữu hiệu của tấm tôn; Mpa là mômen giới hạn dẻo của
tiết diện hữu hiệu tấm tôn, 𝑀𝑝𝑎 = 𝑊p,eff ⋅ 𝑓𝑝 với Wp,eff là mômen kháng uốn dẻo tiết diện
hữu hiệu.
Vậy mômen giới hạn mà tiết diện sàn liên hợp chịu được là:
+
𝑀𝑅𝑑
= 𝑁𝑐𝑓 𝑧 + 𝑀𝑝𝑟
b. Tiết diện chịu mômen âm (hogging bending)
Gọi As là diện tích cốt thép đặt trong bê tơng để chịu kéo. Bỏ qua sự tham gia chịu
nén và kéo của tấm tơn, lúc này có thể tính tốn khả năng chịu mơmen của tiết diện hồn
tồn giống tiết diện bê tông cốt thép thông thường.
Trang 9
Hình 1.10: Tiết diện chịu mơmen âm
Coi vùng bê tơng bị nén nằm hồn tồn trong sườn tơn, gọi bc là bề rộng trung bình
của vùng này, ta có hợp lực nén tác dụng lên bê tông:
𝑁𝑐 = (𝑏𝑐 . 𝑥)0,85𝑓𝑐
C
C
Hợp lực kéo tác dụng lên cốt thép là Ns= Asfs, cần bằng hợp lực kéo và nén tìm
được chiều cao vùng nén bê tông:
R
L
T.
𝑥=
DU
𝐴𝑠 𝑓𝑠
0,85𝑏𝑐 𝑓𝑐
Mômen âm giới hạn mà tiết diện liên hợp chịu được:
𝑥
−
𝑀𝑅𝑑
= 𝑁𝑠 𝑧 = 𝐴𝑠 𝑓𝑠 (𝑑𝑠 − )
2
Trong đó ds là khoảng cách từ biên dưới đến trọng tâm tiết diện cốt thép As.
1.3.2. Khả năng chịu trượt dọc của sàn liên hợp
Khả năng chống lực trượt dọc (longitudinal shear) được quyết định bởi lực dính
và các chi tiết liên kết tấm tơn với phần bê tông bên trên. Lực trượt dọc giới hạn rất khó
xác định bằng lý thuyết. Hiện để xác định được giới hạn trượt dọc người ta phải thực
hiện thí nghiệm trên các mẫu thử đối với từng loại tôn khác nhau. Các tiêu chuẩn
Eurocode 4 hay của Hoa Kỳ đều sử dụng chung hình thức thí nghiệm này.
Trang 10
Hình 1.11: Sơ đồ thí nghiệm khả năng chịu trượt dọc của sàn liên hợp
Sơ đồ thí nghiệm trên một mẫu sàn có bề rộng b, 2 đầu tựa đơn giản chịu 2 lực tập
trung có giá trị mỗi lực là P/2 ở ¼ nhịp L. Phản lực gối tựa có giá trị Vt= P/2. Tiến hành
gia lực P đến khi phá hủy sẽ xác định được phản lực Vt tương ứng.
C
C
Eurocode 4 quy định phải thực hiện với 2 nhóm mẫu, mỗi nhóm 3 mẫu. Nhóm thứ
nhất (nhóm A) được chọn sao cho chiều dài nhịp L lớn nhất có thể để hiện tượng phá
hủy do trượt dọc xảy ra đầu tiên. Tương tự cho nhóm thứ hai (nhóm B) nhưng L chọn
sao cho có giá trị bé nhất có thể.
R
L
T.
DU
Hình 1.12: Vẽ biểu đồ quan hệ xác định thông số m và k
Vẽ biểu đồ quan hệ giữa hai thông số (Vt/bdp) và (Ap/bLs), đường xiên số 1 là
đường đặc trưng để xác định khả năng chịu lực trượt dọc của sàn – là đường nối 2 giá
trị bé nhất của 2 mẫu trong nhóm A và B, sau đó giảm giá trị đi 10%. Từ đường thẳng
này xác định 2 giá trị k và m như trên biểu đồ. Lực trượt dọc giới hạn mà sàn chịu được
xác định như sau:
Trang 11
Ap
1
VL, Rd bd p m
k
bLs
vs với 𝛾 = 1,25
𝑣𝑠
Ls gọi là chiều dài trượt dọc (chiều dài cắt). Khi tính tốn thiết kế, chiều dài cắt
quy định như sau:
- Ls = L/4 khi sàn chịu tải phân bố đều.
- Ls = khoảng cách từ vị trí đặt tải đến gối tựa gần nhất khi sàn chịu tải tập trung.
Các thông số m và k sẽ được nhà sản xuất tôn cung cấp, đơn vị N/mm2. Chú ý giá
trị VL,Rd trình bày ở đây chỉ áp dụng cho sàn khơng có chốt ở 2 đầu (lực liên kết tôn và
bê tông chỉ gồm lực dính và mấu gây nên).
1.3.3. Khả năng chịu lực cắt đứng của sàn liên hợp
Lực cắt giới hạn theo phương đứng (vertical shear) tính cho bề rộng bằng khoảng
cách giữa tâm hai sườn bs xác định như sau:
C
C
𝑉𝑣,𝑅𝑑 = 𝑏𝑜 𝑑𝑝 𝜏𝑅𝑑 𝑘𝑣 (1,2 + 40𝜌)
Trong đó:
R
L
T.
- bo: bề rộng trung bình của sườn bê tơng.
- ρ= Ap/(bodp) < 0,02.
DU
- Ap: tiết diện của phần tôn thép chịu kéo nằm trong bề rộng bo.
- dp: chiều cao trung bình của sàn.
- kv = (1,6-dp) 1; với dp tính bằng m.
- Rd = 0,25fctk/c : cường độ cắt tính tốn của bê tơng; c=1,5.
Hình 1.13: Xác định khả năng chịu lực cắt đứng của sàn liên hợp
Như vậy khi tính tốn trên bề rộng b thì cần đếm số sườn trên đó để biết khả năng
chịu lực cắt đứng là bao nhiêu. Có thể bỏ qua sự tham gia chịu lực cắt đứng của tấm tơn,
lúc đó lấy ρ= 0.
Trang 12
1.3.4. Khả năng chống chọc thủng của sàn liên hợp
Khi có lực tập trung tác dụng cục bộ lên một vùng sàn (vùng 2 trong hình) thì sàn
liên hợp có khả năng bị chọc thủng (punching shear). Gọi Cp là chu vi tính tốn của tháp
cọc thủng (đừng nét đứt số 1), lực chọc thủng giới hạn mà sàn chịu được:
𝑉𝑝,𝑅𝑑 = 𝐶𝑝 ℎ𝑐 𝜏𝑅𝑑 𝑘(1,2 + 40𝜌) với 𝑘 = 1 + √
200
𝑑𝑝
≤2
C
C
R
L
T.
DU
Hình 1.14: Xác định khả năng chống chọc thủng của sàn liên hợp
1.4. Tổng quan thực trạng thiết kế sàn liên hợp hiện nay
1.4.1. Áp dụng đa dạng loại tấm tôn trong thiết kế và thi công
Với những tính năng nổi bật của kết cấu sàn liên hợp như đã nói trên: là sàn cơng
tác, là cốt pha cho vữa bê tông và là cốt thép dọc lớp dưới chịu lực của bản sàn, do đó
loại sàn này ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công tác thiết kế và cũng như
những nhà thầu thi công. Loại tôn chuyên dụng sử dụng cho loại sàn này là tơn Deck,
tơn được dập nguội tạo sóng gân tăng cứng và tạo các gờ ma sát nhằm tăng độ bám dính,
cũng như khả năng làm việc chung giữa tơn và bê tơng. Tuy nhiên, thực tế với những
cơng trình cơng trình nhỏ, chịu tải trọng khơng lớn, có nhà thiết kế cũng như thi công
vẫn chọn loại tôn lợp (không dập tạo gờ ma sát) thay cho tôn sàn Deck chuyên dụng với
bề dày tương ứng với tôn sàn Deck được tính tốn theo tiêu chuẩn nhằm tối ưu chi phí.
Theo tìm hiểu thực tế, thường dùng 3 loại tơn lợp sau: 7 sóng, 9 sóng và 11 sóng.
Phổ biến nhất vẫn là 2 loại tơn lợp 9 sóng và 11 sóng, vì 2 loại máy dập tơn này được
sử dụng phổ biến ở các nhà máy cung cấp tôn lợp.
Theo thực tế thiết kế và thi công cũng như các nhà cung cấp tôn như vậy, nên trong
đề tài đã sử dụng 2 loại này: 9 sóng và 11 sóng và 1 loại tơn sàn Deck với bề dày xấp xỉ
và bằng nhau để đúc mẫu sàn thí nghiệm, quan sát và đánh giá sự khác biệt trong quá
trình làm việc của mỗi loại.
Trang 13
1.4.2. Chất lượng sàn liên hợp khi sử dụng tấm tôn không chuyên dụng
Điểm nổi bật của kết cấu sàn liên hợp là sử dụng tấm tôn để làm sàn công tác, làm
ván khuôn và làm cốt thép chịu lực cho sàn. Xét thấy, tính năng làm cốt thép dọc cho
sàn vẫn là điều tất yếu mà tấm tôn sàn phải đảm nhận trong quá trình vận hành sử dụng,
chịu tải trọng bên ngoài. Để phát huy tối đa nhất khả năng chịu tải của sàn, 2 thành phần
tấm tôn và bê tông phải được liên kết chặt chẽ và làm việc đồng thời. Do đó, sự khác
biệt lớn nhất giữa sử dụng tôn sàn chuyên dụng và tôn lợp mái khi sử dụng làm kết cấu
sàn liên hợp là sự ma sát, bám dính giữa 2 vật liệu thép và bê tông.
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Thông qua các nội dung tóm tắt trong chương 1, tác giả đã khái quát về một số đặc
điểm cấu tạo, yêu cầu cấu tạo, sự làm việc … và các trạng thái phá hoại chung của các
dạng kết cấu sàn liên hợp thép – bê tơng. Từ đó, có cái nhìn tổng thể về loại kết cấu sàn
này và cho thấy việc ứng dụng tôn lợp mái để thay thế cho tôn sàn Deck (loại chuyên
dụng) nhưng vẫn đảm bảo các yêu cầu như trên là có thể chấp nhận được tuy nhiên phải
có nghiên cứu, tính tốn rõ ràng.
C
C
R
L
T.
Chương 2 sẽ tiến hành chế tạo mẫu sàn liên hợp thép – bê tông tuân thủ các quy
định trong tiêu chuẩn, quy chuẩn Việt Nam và tiêu chuẩn EC4.
DU
Trang 14
CHƯƠNG 2. CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM
2.1. Mẫu thí nghiệm
Thí nghiệm được thực hiện với 3 loại tôn, mỗi loại tôn được thí nghiệm liên hợp
với 2 cấp bền bê tơng, mỗi 1 loại tơn và 1 cấp bền được thí nghiệm với 4 mẫu. Vậy tổng
gồm 24 mẫu thí nghiệm. Cụ thể như sau:
-
Về tơn: Tơn lợp 9 sóng dày 0,5mm, tơn lợp 11 sóng dày 0,5mm và tơn sàn
Deck loại H50W1000 dày 0,58mm;
-
Về bê tông: M250 và M300.
Các thông số kích thước mẫu đại diện như sau:
-
Chiều dài mẫu là 1,2m (Trong đó: 1,0m là chiều dài nhịp để thí nghiệm, cịn
lại 0,2m phần đầu thừa).
-
Chiều cao mẫu là 10cm (từ mặt dưới đáy tấm tôn đến mặt trên của bê tơng).
-
Tiết diện ngang các nhóm mẫu cụ thể như sau:
C
C
R
L
T.
DU
Hình 2.1: Tiết diện ngang mẫu thí nghiệm với tơn 9 sóng, b= 375 mm.
Hình 2.2: Tiết diện ngang mẫu thí nghiệm với tơn 11 sóng, b= 300 mm
Hình 2.3: Tiết diện ngang mẫu thí nghiệm với tơn sàn Deck, b= 335 mm
Trang 15
Các mẫu sàn thí nghiệm chỉ sử dụng 2 vật liệu gồm tấm tôn và bê tông để gia công
chế tạo. Ngồi ra, khơng sử dụng lưới thép, cốt thép thanh, đinh chống cắt…
C
C
R
L
T.
DU
Hình 2.4: Bãi đúc mẫu.
Hình 2.5: Mẫu đúc loại tơn lợp 9
sóng.
Tuy nhiên, trong q trình bảo dưỡng dưới sự thay đổi nhiệt độ môi trường ngày
đêm, một vài mẫu dùng tôn lợp bị bong, tách rời tôn khỏi bê tông do sự co giản không
đều giữa 2 loại vật liệu.
Hình 2.6: Một mẫu đúc tơn lợp 9 sóng bị hư hỏng trong q trình tập kết.
Trang 16
