Thiết kế sàn bê tông cốt thép trong hệ kết cấu liên kết với cột ống thép nhồi bê tông sử dụng phương pháp khung tương đương

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HUỲNH TIẾN KHANG

THIẾT KẾ SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG HỆ
KẾT CẤU LIÊN KẾT VỚI CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
SỬ DỤNG PHƢƠNG PHÁP KHUNG TƢƠNG ĐƢƠNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và cơng nghiệp
Mã số: 85 80 201

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. ĐÀO NGỌC THẾ LỰC

Đà Nẵng - Năm 2019


LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu riêng của tôi.
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

Huỳnh Tiến Khang

TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT VÀ TIẾNG ANH
Đề tài: THIẾT KẾ SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG HỆ KẾT CẤU
LIÊN KẾT VỚI CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG SỬ DỤNG PHƢƠNG
PHÁP KHUNG TƢƠNG ĐƢƠNG
Học viên: Huỳnh Tiến Khang Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình DD&CN
Mã số: 85 80 201 - Khóa: K36 Đà Nẵng, Trƣờng Đại Học Bách Khoa – ĐHĐN
Tóm tắt - Hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) - sàn phẳng bê tông cốt thép
(BTCT) là giải pháp kết cấu hợp lý cho nhà cao tầng. Điều kiện để kết hợp hai loại kết cấu
này là liên kết giữa cột và sàn phẳng. Với sự có mặt của chi tiết liên kết sẽ ảnh hƣởng đến sự
phân bố độ cứng của sàn tại vị trí liên kết gây ảnh hƣởng đến ứng xử của sàn. Hiện nay, các
phần mềm thiết kế kết cấu nhƣ SAP2000, SAFE chƣa thể mô phỏng đồng thời liên kết sàn cột CFST để thực hiện phân tích. Do đó, luận văn đã trình bày cách xác định nội lực sàn
phẳng liên kết với cột CFST sử dụng Shear head bằng phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng. Tác
giả đề xuất ảnh hƣởng của Shear head đến cấu kiện xoắn của cột tƣơng đƣơng và trình bày
cách xác định nội lực trong sàn bằng phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng cũng nhƣ bằng phần
mềm SAP2000. Trên cơ sở lý thuyết phân tích, thực hiện ví dụ xác định nội lực sàn bằng
phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng và phƣơng pháp phần tử hữu hạn (sử dụng SAP2000) cho
khung trục giữa. Kết quả cho thấy giá trị mơ men khi tính tốn theo hai trƣờng hợp không
chênh lệch nhiều và phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng cho kết quả thiên về giá trị an toàn.
Từ khóa – CFST, Khung tƣơng đƣơng, Sàn phẳng bê tơng cốt thép, Cột tƣơng đƣơng, ACI
318-11

Topic: DESIGN OF THE REINFORCED CONCRETE SLAB IN STRUCTURE
CONNECTED WITH CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMN USING
EQUIVALENT FRAME METHOD
Abstract – The structure system include concrete filled steel column (CFST) - reinforced
concrete flat slab (RC) is a reasonable structural solution for tall buildings. The conditions for
combining these two types of structures are the connection between the column and the floor.
The presence of connection details will affect the stiffness distribution of the slab at the
connection position, affecting the behavior of the slab. Currently, structural design software
such as SAP2000, SAFE cannot simulate floor - column CFST columns together for analysis.

Therefore, the thesis presented how to determine the internal force of flat floor associated
with CFST column using Shear head by frame equivalent method. The author proposes the
influence of the Shear head to the torsion structure of the equivalent column and presents how
to determine internal force in the floor by the equivalent frame method as well as by SAP2000
software. On the basis of analytical theory, perform the example of determining the internal
force of the slab by the equivalent frame method and finite element method (using SAP2000)
for the middle frame. The results show that the moment value when calculating in two cases is
not much different and the equivalent frame method gives the result in safe values.
Keywords – CFST, Frame Equivalent Method, Reinforced concrete flat slab, Equivalent
column, ACI 318-11


MỤC LỤC
TRANG BÌA
LỜI CAM ĐOAN
TRANG TĨM TẮT TIẾT VIỆT VÀ 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 tƣợng và phạm vi nghiên cứu..................................................................................... 2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................................... 2
5. Kết quả dự kiến ................................................................................................................... 2
6. Bố cục đề tài ........................................................................................................................ 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỘT CFST, SÀN PHẲNG BTCT VÀ
CÁC PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ SÀN PHẲNG BTCT .............................................. 3
1.1 Tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông................................................................................ 3
1.1.1. Khái niệm về cột ống thép nhồi bê tông ......................................................... 3

1.1.2. Ƣu điểm, nhƣợc điểm của cột ống thép nhồi bê tông ..................................... 6
1.1.3. Khả năng áp dụng ........................................................................................... 7
1.2. Sàn phẳng bê tông cốt thép .................................................................................................... 8
1.2.1. Sàn phẳng BTCT thƣờng ................................................................................ 9
1.2.2. Sàn phẳng bê tông ứng lực trƣớc .................................................................... 9
1.2.3. Sàn nấm (sàn phẳng có mũ cột) .................................................................... 10
1.3. Tính tốn nội lực trong sàn phẳng ....................................................................................... 11
1.3.1. Phƣơng pháp phân phối trực tiếp .................................................................. 11
1.3.2. Phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng ................................................................ 13
1.3.3. Phƣơng pháp phần tử hữu hạn ..................................................................... 16
1.4. Kết luận chƣơng 1 ................................................................................................................. 17
CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP KHUNG TƢƠNG ĐƢƠNG THIẾT KẾ SÀN TRONG
HỆ KẾT CẤU KẾT HỢP CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG ... 18
2.1. Phân tích khung tƣơng đƣơng trong hệ kết cấu kết hợp cột ống thép nhồi bê tông với
sàn phẳng....................................................................................................................................... 18


2.2. Tính tốn độ cứng và sự truyền các mơ men ngàm ........................................................... 22
2.3. Đặc điểm của dầm bản ......................................................................................................... 24
2.4. Đặc điểm của các cột ............................................................................................................ 25
2.5. Các cấu kiện xoắn và cột tƣơng đƣơng............................................................................... 26
2.6. Sự phân chia mô men cho các dải cột, dải giữa ................................................................. 31
2.7. Thiết kế khung sử dụng phần mềm SAP2000 ................................................................... 31
2.8. Thiết kế cốt thép chịu mô men ............................................................................................ 32
2.9. Kết luận chƣơng .................................................................................................................... 34
CHƢƠNG 3. VÍ DỤ TÍNH TỐN ............................................................................... 35
3.1. Ví dụ thiết kế sàn theo phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng................................................ 35
3.2. Thiết kế khung sử dụng phần mềm SAP2000 ................................................................... 47
3.3. Kết luận chƣơng 3 ................................................................................................................. 50
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 52
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 KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CFST

: Concrete filled steel tube (Ống thép nhồi bêtông)

BTCT

: Bê tông cốt thép

Rb

: Cƣờng độ chịu nén của bêtông

Rs

: Cƣờng độ chịu kéo của cốt thép

Ec

: Môđun đàn hồi của bêtông

Es

: Môđun đàn hồi của cốt thép

Is

: Mơmen qn tính của tấm thép chịu cắt

Ic

: Mơmen qn tính của tiết diện bê tông

wu

: Tải trọng phân bố đều trên sàn

ho

: chiều cao làm việc của sàn

h

: Chiều dày sàn

b

: Bề rộng dải bản sàn

As

: Tổng diện tích cốt thép chịu kéo trên bề rộng b của dải sàn

a

: Chiều cao v ng nén bêtông

Mp

: Mômen dẻo của tấm thép chịu cắt

Vu

: Lực cắt tổng cột tác dụng vào cột

Vn

: Lực cắt danh nghĩa tại tiết diện d/2 gồm (BT+tấm thép)

Vc

: Khả năng chịu cắt danh nghĩa của bê tông sàn

S

: Mômen tĩnh của một nửa tiết diện chữ nhật tấm thép

fv

: Cƣờng độ tính tốn về cắt của vật liệu tấm thép

fws

: Cƣờng độ tính tốn chịu cắt quy ƣớc của thép cơ bản

βf

: Hệ số chiều sâu nóng chảy trên tiết diện qua đƣờng hàn

βs

: Hệ số chiều sâu nóng chảy trên tiết diện qua thép cơ bản

Awf

: Diện tích tính toán của tiết diện đƣờng hàn ứng với tiết diện 1

Aws

: Diện tích tính tốn của tiết diện đƣờng hàn ứng với tiết diện 2


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Hệ số phân bố mô men cho bản ............................................................. 23
Bảng 2.2. Hệ số độ cứng và hệ số truyền cho các cột ............................................ 23
Bảng 2.3. Mơ men dải cột ...................................................................................... 31
Bảng 3.1. Thơng số hình học của thép hình H100×100 ......................................... 37
Bảng 3.2. Hệ số phân bố mô men cho bản ............................................................. 39
Bảng 3.3. Hệ số độ cứng và hệ số truyền cho các cột ............................................ 41
Bảng 3.4. Phân phối mô men ................................................................................. 43
Bảng 3.5. Bảng phân phối mô men cho dải cột và dải nhịp khung trục 4 .............. 45
Bảng 3.6. Bảng tính tốn cốt thép cho dải cột và dải nhịp ..................................... 46
Bảng 3.7. Bảng so sánh mô men khung tƣơng đƣơng so với SAP2000 ................. 50

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tơng ................................................................... 3
Hình 1.2. Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tơng ................................................... 4
Hình 1.3. Cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép .............................................. 4
Hình 1.4. Cột CFST đƣợc bao bê tơng (Concrete-encased CFST) ................................. 5
Hình 1.5. Cột CFST tăng cƣờng kết cấu thép và cốt thép gia cƣờng .............................. 5
Hình 1.6. CFST với sƣờn tăng cứng ................................................................................ 6
Hình 1.7. Một số tiết diện tổ hợp từ cột CFST ................................................................ 6
Hình 1.8. Ví dụ về cơng trình đƣợc xây dựng bằng kết cấu CFST ................................. 8
Hình 1.9. Sàn phẳng bê tơng cốt thép .............................................................................. 9
Hình 1.10. Sàn bê tơng ứng lực trƣớc ........................................................................... 10
Hình 1.11. Sàn nấm ....................................................................................................... 11
Hình 1.12. Sơ đồ dãy cột và dãy nhịp ........................................................................... 13
Hình 1.13. Sơ đồ khung tƣơng đƣơng ........................................................................... 14
Hình 1.14. Cột tƣơng đƣơng .......................................................................................... 15
Hình 1.15. Thiết kế sàn sử dụng phần mềm SAFE ....................................................... 16
Hình 2.1. Khảo sát cơng trình sử dụng hệ kết cấu cột CFST- sàn phẳng BTCT .......... 18
Hình 2.2. Liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tơng cốt thép ............. 19
Hình 2.3. Liên kết cột CFST – sàn phẳng BTCT sử dụng Shear head.......................... 19
Hình 2.4. Xác định khung tƣơng đƣơng, dải nhịp và dải cột ........................................ 21
Hình 2.5. Xác định v ng ảnh hƣởng của shear head đến độ cứng của sàn ................... 21
Hình 2.6. Sự biến thiên độ cứng dọc theo nhịp ............................................................. 22
Hình 2.7. Tính giá trị EI đối với sàn phẳng BTCT liên kết cột CFST .......................... 25
Hình 2.8. Tính tốn độ cứng của cột Kc ........................................................................ 26
Hình 2.9. Khung cột và dầm .......................................................................................... 26
Hình 2.10. Hoạt động của khung và sự xoắn của cấu kiện biên ................................... 27
Hình 2.11. Xác định Kt .................................................................................................. 28
Hình 2.12. Các cấu kiện chịu xoắn ................................................................................ 29
Hình 2.13. Sự phân chia cấu kiện để xác định C ........................................................... 30

Hình 2.14. Xác định C cho trƣờng hợp tiết diện xoắn có Shear head. .......................... 30
Hình 2.15. Mơ hình khung tƣơng đƣơng d ng cho phân tích phần mềm SAP2000 ..... 32
Hình 2.16. Tiết diện tính tốn đoạn 1-2......................................................................... 32
Hình 2.17. Tiết diện tính tốn đoạn 2-3......................................................................... 32
Hình 3.1. Mặt bằng sàn .................................................................................................. 35


Hình 3.2. Các chi tiết liên kết cột CFST – sàn phẳng BTCT ........................................ 36
Hình 3.3. Quy đổi chu vi tới hạn của Shear head .......................................................... 37
Hình 3.4. Mơ tả khung tƣơng đƣơng trục 4 ................................................................... 38
Hình 3.5. Các cấu kiện chịu xoắn liên kết cho cột biên ................................................ 39
Hình 3.6. Các cấu kiện chịu xoắn liên kết cho cột giữa ................................................ 42
Hình 3.7. Các hệ số phân bố độ cứng ............................................................................ 42
Hình 3.8. Biểu đồ mơ men khi tính theo khung tƣơng đƣơng....................................... 44
Hình 3.9. Biểu đồ mơ men phân phối cho dải cột (bc = 4500mm) ................................ 45
Hình 3.10. Biểu đồ mô men phân phối cho dải nhịp (bnh = 4500mm) .......................... 46
Hình 3.11. Bố trí cơt thép cho khung tƣơng đƣơng....................................................... 47
Hình 3.12. Mơ hình khung tƣơng đƣơng sử dụng SAP2000 ......................................... 49
Hình 3.13. Biểu đồ mơ men khung tƣơng đƣơng sử dụng SAP2000 ............................ 49


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, các cơng trình nhà cao tầng ở Việt Nam vẫn chủ yếu sử dụng các kết
cấu truyền thống là kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép. Một giải pháp kết cấu
mới và hợp lý sẽ đem lại ý nghĩa lớn về mặt kĩ thuật và hiệu quả sử dụng cho cơng
trình. Hệ kết cấu kết hợp giữa cột ống thép nhồi bê tông (CFST) và sàn phẳng bê
tông cốt thép là giải pháp hiệu quả thay thế cho kết cấu truyền thống vì những ƣu

điểm vƣợt trội về mặt kỹ thuật và thi công của cột ống thép nhồi bê tông và sàn
phẳng bê tông cốt thép nhƣ:
+ Với cột CFST: sự bố trí của thép và bê tơng trong mặt cắt ngang tối ƣu hóa
cƣờng độ và độ cứng của tiết diện. Thép nằm ở chu vi bên ngồi, nơi nó làm việc
hiệu quả nhất trong việc chịu kéo và chống lại mô men uốn. Độ cứng của cột CFST
đƣợc tăng cƣờng đáng kể vì thép có mô đun đàn hồi lớn hơn nhiều so với bê tơng và
nằm xa trọng tâm, nơi nó đóng góp lớn nhất vào mơ men qn tính. Bê tơng tạo
thành một lõi lý tƣởng để chịu đƣợc tải trọng nén và nó làm trì hỗn, ngăn chặn sự
vênh cục bộ của ống thép, đặc biệt là trong các cột CFST hình chữ nhật. Về mặt công
nghệ cột ống thép nhồi bê tông dễ thi công, không cần hệ thống coffa nên rút ngắn
đƣợc thời gian thi cơng xây dựng cơng trình.
+ Kết cấu sàn phẳng đƣợc xem là giải pháp sàn hợp lý vì nó làm giảm đƣợc
chiều cao tầng, tăng số tầng sử dụng cũng nhƣ thuận tiện cho thi công đẩy nhanh tiến
độ xây dựng, thuận lợi cho việc bố trí đƣờng ống thiết bị kĩ thuật, dễ dàng thơng gió
và linh hoạt bố trí mặt bằng
Nhƣ vậy, hệ kết cấu sàn phẳng và cột ống thép nhồi bê tông ph hợp để sử
dụng làm kết cấu cho nhà cao tầng. Hiện nay, các nghiên cứu về liên kết sàn - cột đã
đƣợc thực hiện. Tuy nhiên, việc ứng dụng vào thực tế vẫn cịn khó khăn vì chƣa có
các hƣớng dẫn thiết kế chi tiết. Sự có mặt của chi tiết liên kết sẽ ảnh hƣởng đến sự
phân bố độ cứng của sàn gây khó khăn cho tính toán thiết kế sàn. Hơn nữa, các phần
mềm thiết kế kết cấu nhƣ SAP2000 chƣa thể mô phỏng đồng thời liên kết sàn - cột
CFST để thực hiện phân tích. Do đó, luận văn sẽ nghiên cứu giải pháp thiết kế sàn
theo hƣớng thực hành. Đấy là lý do để thực hiện đề tài: “Thiết kế sàn bê tông cốt
thép trong hệ kết cấu liên kết với cột ống thép nhồi bê tông sử dụng phương pháp
khung tương đương”.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Nghiên cứu tổng quan về cột CFST, sàn phẳng , các phƣơng pháp thiết kế sàn
phẳng bê tông cốt thép.
- Nghiên cứu thiết kế sàn phẳng bê tông cốt thép theo phƣơng pháp khung
tƣơng đƣơng có xét đến ảnh hƣởng của liên kết cột ống thép nhồi bê tông – sàn

2
phẳng BTCT
- Thực hiện tính tốn thiết kế sàn phẳng theo phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng
trong hệ kết cấu cột CFST – sàn phẳng BTCT
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu: Hệ kết cấu kết hợp cột CFST với sàn phẳng bê tông
cốt thép.
- Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế sàn phẳng BTCT theo phƣơng pháp khung
tƣơng đƣơng cho khung trục giữa có xét đến chi tiết liên kết cột CFST – sàn.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết thiết kế sàn phẳng bê tông cốt thép sử dụng khung tƣơng
đƣơng trong hệ kết cấu kết hợp cột CFST – sàn phẳng BTCT sử dụng chi tiết liên kết
Shear head.
5. Kết quả dự kiến
- Thiết lập trình tự thiết kế sàn phẳng bê tơng cốt thép theo phƣơng pháp khung
tƣơng đƣơng có xét đến ảnh hƣởng của liên kết cột ống thép nhồi bê tơng – sàn
phẳng BTCT
- Ví dụ tính tốn thiết kế sàn cho khung trục giữa.
6. Bố cục đề tài
Mở đầu:
1. Tính cấp thiết của đề tài
2. Mục tiêu đề tài
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Chƣơng 1: Tổng quan
Chƣơng 2: Phƣơng pháp khung tƣơng đƣơng thiết kế sàn trong hệ kết cấu kết
hợp cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép
Chƣơng 3: Ví dụ tính tốn.

Kết luận và kiến nghị
Danh mục tài liệu tham khảo


3

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỘT CFST, SÀN PHẲNG BTCT VÀ
CÁC PHƢƠNG PHÁP THIẾT KẾ SÀN PHẲNG BTCT
1.1 Tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông
1.1.1. Khái niệm về cột ống thép nhồi bê tông
Cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube - CFST) là một kết cấu
liên hợp gồm vỏ ống thép và lõi bê tơng c ng làm việc chung với nhau (Hình 1.1).

Hình 1.1. Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tông
Đối với bê tông, cƣờng độ chịu nén lớn hơn rất nhiều so với cƣờng độ chịu kéo
và cƣờng độ chịu nén của bê tông sẽ đƣợc tăng lên khi bê tông bị hạn chế nở hông.
Đối với kết cấu thép, cƣờng độ chịu kéo cao nhƣng dễ bị mất ổn định cục bộ dƣới tải
trọng nén. Trong loại kết cấu cột CFST, cốt thép và bê tông đƣợc sử dụng kết hợp để
có thể phát huy hết bản chất tự nhiên và các đặc điểm nổi trội tạo ra kết cấu có nhiều
ƣu điểm. Loại kết cấu này hiện đang đƣợc nghiên cứu áp dụng cho cơng trình nhà,
xƣởng, các cơng trình cầu đƣờng ở Việt Nam.
Cột ống thép nhồi bê tông về mặt cấu tạo rất đa dạng. Dƣới đây là một số dạng
cấu tạo cho họ cột này:
Dạng tiết diện phổ biến nhất của cột CFST là tiết diện mà bê tông đƣợc nhồi
vào phần rỗng bên trong ống thép có dạng hình trịn (Circular Hollow Section CHS), hay cột có tiết diện rỗng hình vng (Square Hollow Section - SHS) hoặc cột
có tiết diện rỗng hình chữ nhật (Rectangular Hollow Section - RHS). Đối với tiết
diện CHS sự hạn chế biến dạng ngang của lõi bê tông là lớn nhất và bất ổn định cục
bộ hầu nhƣ xuất hiện đối với tiết diện hình vng và chữ nhật. Tuy nhiên cột CFST
với các tiết diện SHS và RHS vẫn tiếp tục đƣợc sử dụng nhiều trong xây dựng với

những ƣu điểm riêng của nó. Những dạng tiết diện ngang khác cũng đƣợc sử dụng
cho mục đích nghệ thuật nhƣ dạng đa giác, dạng elip… (Hình 1.2).


4
Ống thép

Lõi bêtông

a

Lõi bêtông

Lõi bêtông

a

D
Ống thép

Lõi bêtông

Ống thép

a

Ống thép

b
Ống thép

Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

Hình 1.2. Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tông
Một dạng khác của cột CFST là cột có tiết diện với hai lớp ống thép trong và
ngồi đƣợc gọi là cột ống thép nhồi bê tơng với hai lớp ống thép. Tiết diện cột bao
gồm ống thép trong và ống thép ngồi, bê tơng đƣợc nhồi vào giữa hai ống thép
(Hình 1.3). Với cấu tạo mặt cắt nhƣ thế này, cột sẽ có độ cứng chống uốn lớn, cƣờng
độ cao, khả năng chống cháy tốt hơn và tránh đƣợc sự bất ổn định đối với cấu kiện
khi chịu tác động của áp lực bên ngoài. Dạng cột này có thể là lựa chọn tối ƣu khi
thiết kế những cấu kiện với tiết diện ngang lớn.
Ống thép

Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

Hình 1.3. Cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép
Một trƣờng hợp khác của kết cấu CFST là sử dụng bê tông cốt thép truyền
thống để bao bọc CFST nhƣ Hình 1.4. Cấu tạo tiết diện gồm ống thép bên trong đƣợc
lắp đặt trƣớc tiếp theo là lắp đặt các hệ thép gia cƣờng, lớp bê tông bên trong và bên
ngồi đƣợc đổ sau đó. Việc nhồi bê tơng vào trong ống sẽ làm tăng tối đa khả năng
giam hãm bê tông nâng cao cƣờng độ tới hạn của tiết diện. Bê tơng cốt thép bao bọc
bên ngồi tạo thành một lớp chống cháy cho lõi bên trong, do đó khả năng chống
cháy của loại cột này đƣợc tăng đáng kể so với cột CFST truyền thống. Ngoài ra, loại
cột này cịn có khả năng kháng bất ổn định cục bộ, chống ăn mòn đối với ống thép
rất tốt và dễ liên kết với những dầm bê tông cốt thép hoặc dầm thép trong hệ kết cấu


5
cơng trình.
Ống thép

Bêtông

Ống thép

Cốt thép
mềm

Bêtông

Bêtông

Ống thép

Cốt thép
mềm

Cốt thép
mềm

Hình 1.4. Cột CFST được bao bê tông (Concrete-encased CFST)
Kết cấu thép và kết cấu thép gia cƣờng luôn luôn đƣợc sử dụng để tăng sức
kháng tải của cấu kiện CFST mô tả ở Hình 1.5. Mặt cắt kết cấu thép đóng góp lớn
vào khả năng chịu lực của cột mà không làm thay đổi dạng tiết diện cột. Sự đóng góp
đến khả năng chịu lực của cột có thể đƣợc xem xét nhƣ khả năng kết hợp của kết cấu
thép với những phần của cột CFST.
Cốt thép hình

Ống thép

Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

Cốt thép mềm

Lõi bêtông

Hình 1.5. Cột CFST tăng cường kết cấu thép và cốt thép gia cường
Trong cột CFST thông thƣờng, bất ổn định cục bộ của ống thép thông thƣờng
xuất hiện sau khi tiết diện liên hợp đạt đến cƣờng độ tới hạn. Điều này có thể là một
vấn đề quan trọng cho sự phát triển và ứng dụng ống thành mỏng với thép cƣờng độ
cao. Những sƣờn tăng cứng ngang và dọc có thể đƣợc hàn vào ống thép để cải thiện
cƣờng độ và độ dẻo của cột liên hợp. Đối với cột có tiết diện ngang lớn, các sƣờn
tăng cứng có thể hàn vào mặt trong của ống. Các thanh nối cũng có thể đƣợc hàn nối
các sƣờn gia cƣờng nhƣ Hình 1.6. Hiệu quả của sƣờn tăng cứng trong việc trì hỗn
bất ổn định cục bộ của ống thép đã đƣợc kiểm tra bằng những nghiên cứu thực
nghiệm.


6
Sườn tăng cứng

Thanh nối

Sườn tăng cứng

Ống thép

Ống thép

Lõi bêtông

Lõi bêtông

Hình 1.6. CFST với sườn tăng cứng
Ngoài ra, với các kết cấu yêu cầu khả năng chịu lực lớn, độ cứng lớn có thể tổ
hợp các cột CFST riêng lẻ thành các dạng kết cấu CFST tổ hợp để phát huy các ƣu
điểm của kết cấu thép bê tông liên hợp nhƣ Hình 1.7 a,b,c hay kết hợp cùng với kết
cấu bê tơng cốt thép (Hình 1.7d) tạo ra mặt cắt liên hợp cho cột trụ, những vòm trong
cầu. Những loại tiết diện này cũng đã đƣợc sử dụng cho các kết cấu nhà cao tầng
cũng nhƣ kết cấu cầu ở Trung Quốc.
CFST

Bêtông

CFST

CFST

Tấm thép

CFST

Mối hàn
CFST

(a)

(b)

CFST

Ống thép

rỗng

CFST

Kết cấu BTCT

CFST

Ống thép
rỗng

(c)

(d)

Hình 1.7. Một số tiết diện tổ hợp từ cột CFST
1.1.2. Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông
a. Ưu điểm
Độ bền của lõi bê tông (lớp vỏ thép với chức năng nhƣ lớp áo bọc chặt bên
ngoài) đã đƣợc tăng khoảng 2 lần so với độ bền của bê tông thƣờng [1];
Cách sắp xếp vật liệu trên trên mặt cắt ngang làm tối ƣu cƣờng độ và độ cứng
của cấu kiện. Cốt thép đƣợc phân bố ở chu vi ngoài cùng của tiết diện nên phát huy
hiệu quả làm việc cao nhất khi chịu mô men uốn. Bê tông tạo một lõi lý tƣởng để
chống lại tải trọng nén trong q trình làm việc, trì hỗn và chống lại sự bất ổn định


7
cục bộ của ống thép đặc biệt các cấu kiện có tiết diện hình vng hoặc chữ nhật.
Ngồi ra, ống thép cản trở biến dạng nở hông của lõi bê tông làm tăng cƣờng độ chịu
nén và độ dẻo dai đối với cấu kiện CFST;

Việc nhồi bê tông vào trong ống thép làm nâng cao độ chống ăn mòn bên trong
ống thép, làm giảm độ mảnh, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng
khả năng chống móp méo của vỏ ống thép khi va đập;
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 tƣơng tự làm bằng kết cấu bê
tông cốt thép hay kết cấu thép thông thƣờng. Khối lƣợng của kết cấu ống thép nhồi
bê tông nhỏ hơn so với kết cấu bê tơng do đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn
đồng thời làm giảm tải trọng xuống móng. 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 hƣ hỏng do va đập. Do khơng có cốt chịu
lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tông với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỉ lệ N/X có
thể lấy nhỏ hơn) và sẽ dễ dàng đạt chất lƣợng bê tông cao hơn [1].
b. Nhược điểm
Một cấu kiện CFST bao gồm hai vật liệu với sự khác nhau về đƣờng cong ứng
suất-biến dạng và ứng xử cũng có sự khác biệt rõ rệt. Sự tƣơng tác giữa hai vật liệu
này đặt ra một bài tốn khó trong việc xác định thuộc tính kết hợp nhƣ mơ men qn
tính, mơdul đàn hồi;
Cơ chế phá hoại cấu kiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ hình dạng, chiều dài,
đƣờng kính, chiều dày ống thép, cƣờng độ thép và cƣờng độ bê tông cùng với các
thông số về sự kết dính giữa hai mặt tiếp xúc của vật liệu thép và bê tông, sự giam
hãm của bê tông ứng suất dƣ, hiện tƣợng từ biến, sự co ngót và các dạng tải trọng
làm phức tạp thêm sự phân tích và thiết kế đối với cấu kiện CFST [2];
Một hạn chế nữa ảnh hƣởng đến việc sử dụng rộng rãi loại kết cấu này đó là
cấu tạo liên kết giữa cột CFST và sàn bê tông cốt thép, dầm bê tông cốt thép hay dầm
thép. Các ứng xử, cơ chế làm việc, trạng thái phá hoại liên kết chƣa đƣợc hiểu rõ do
đó gây ra khơng ít những khó khăn cho tính tốn thiết kế cấu tạo liên kết;
Hiện nay, các hạn chế tồn tại của loại kết cấu CFST tiếp tục đƣợc nghiên cứu
để dần hoàn thiện các yêu cầu về mặt cấu tạo, lý thuyết tính toán cũng nhƣ nhận thức
sâu hơn về ứng xử của loại kết cấu này.
1.1.3. h n ng áp dụng

Kết cấu ống thép nhồi bê tông đƣợc ứng dụng rộng rãi cho rất nhiều lĩnh vực
nhƣ nhà dân dụng và công nghiệp, cầu đƣờng, giàn khoan dầu...


8
Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, loại kết cấu này đƣợc áp dụng khá nhiều
cho cấu kiện chịu lực chính nhƣ hệ móng cọc, các cột đ của tồ nhà cao tầng. Hiện
nay, việc xây dựng cầu qua các sơng rộng và sâu, có nhu cầu lƣu thơng đƣờng
thu lớn và điều kiện địa chất phức tạp đang đòi hỏi phải sử dụng các loại nhịp
lớn khẩu độ hàng trăm mét. Với các kích thƣớc nhƣ vậy, cấu kiện sẽ nặng và trở
thành một nguyên nhân làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu, làm tăng chi phí
xây dựng cũng nhƣ tạo thêm nhiều phức tạp cho việc vận chuyển, lắp ráp, thi công
kết cấu. Với việc sử dụng kết cấu CFST cho cấu kiện chịu lực nén chính nhƣ vịm
chính của cầu vịm, thanh mạ cong trong cầu dàn, hệ móng cọc của kết cấu trụ,
thân trụ sẽ đáp ứng đƣợc yêu cầu về chịu lực cao, độ cứng lớn vừa đáp ứng đƣợc
việc giảm trọng lƣợng bản thân kết cấu.

Hình 1.8. d về cơng trình được ây dựng b ng kết cấu CFST
Trong lĩnh vực xây dựng dầu khí, năm 1989 tại 2 dàn khoan dầu ở biển Đen
và biển Azov của Liên Xô đã sử dụng cấu kiện mặt cắt rỗng tổ hợp 2 loại vật liệu
thép - bêtơng làm các trụ đ chính của dàn khoan, nhờ đó giảm đƣợc 30% lƣợng
thép so với dầm khoan bằng thép c ng loại; hơn nữa, phần rỗng cịn đƣợc d ng để
lắp các thiết bị cơng nghệ và cáp thông tin.
1.2. Sàn phẳng bê tông cốt thép
Với xu hƣớng phát triển của công nghệ cũng nhƣ yêu cầu về mặt kiến trúc, thẩm
mỹ kinh tế cho cơng trình thì hệ kết cấu sàn sƣờn truyền thống dần dần đƣợc thay thế
bởi hệ sàn phẳng không dầm với nhiều ƣu điểm nổi trội nhƣ tạo ra không gian sử
dụng linh hoạt, dễ dàng cho việc bố trí không gian sử dụng ph hợp với công năng
của công trình, giảm số lƣợng cột, chiều cao thơng thu hợp lý, dễ dàng đáp ứng các
yêu cầu bố trí hệ kĩ thuật. Dƣới đây sẽ giới thiệu tổng quan về một số loại sàn phẳng

đƣợc sử dụng ở Việt Nam.


9
1.2.1. Sàn phẳng BTCT thường
Là hệ thống chịu lực theo một hoặc hai phƣơng đƣợc kê trực tiếp lên cột hoặc
tƣờng chịu lực nhƣ Hình 1.10. Nó là một trong những dạng kết cấu sàn phổ biến nhất
trong các tòa nhà. Điểm đặc biệt của loại sàn này là chiều dày không đổi hoặc gần
nhƣ không đổi tạo ra mặt phẳng phía dƣới của sàn dẫn tới sự đơn giản trong việc làm
cốt pha và thi công. Sàn này cho phép linh hoạt trong việc tạo vách ngăn và có thể
không cần phải sử dụng trần giả. Nhịp kinh tế của sàn phẳng với tải trọng từ nhỏ tới
trung bình thƣờng bị giới hạn bởi việc kiểm soát độ võng dài hạn và có thể cần phải
tạo độ vồng tƣờng hợp lý (không quá lớn) hoặc sử dụng sàn bê tông ứng lực trƣớc.
Nhịp kinh tế đối với sàn phẳng BTCT là 6m đến 8m. Nhịp L của sàn phẳng BTCT
xấp xỉ 28D đối với nhịp đơn, 30D đối với nhịp biên và 32D đối với nhịp trong của
sàn nhiều nhịp trong đó D là chiều dày sàn.

Hình 1.9. Sàn phẳng bê tông cốt thép
Ưu điểm:
+ Cốt pha đơn giản, thi công nhanh;
+ Tạo không gian linh hoạt, dễ dàng bố trí mặt bằng;
+ Khơng dầm, tạo khoảng thơng thủy lớn ở dƣới sàn;
+ Chiều dày kết cấu nhỏ và từ đó giảm đƣợc chiều cao tầng.
Nhược điểm:
+ Nhịp trung bình, khả năng chịu tải ngang hạn chế;
+ Cần có cốt thép chống chọc thủng ở xung quanh cột hoặc cột cần có kích
thƣớc lớn hơn;
+ Cần kiểm sốt độ võng dài hạn;
1.2.2. Sàn phẳng bê tông ứng lực trước
Trong cấu kiện bê tông ứng lực trƣớc, bằng cách đặt vào một lực nén trƣớc tạo

bởi lực kéo cốt thép, nhờ tính đàn hồi, cốt thép có xu hƣớng co lại tạo nên lực nén
trƣớc và gây ra ứng lực trƣớc trong bê tông. Ứng suất nén trƣớc trong bê tông sẽ triệt


10
tiêu hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng sử dụng gây ra. Do đó, khả năng chịu
kéo của bê tông đƣợc nâng cao và hạn chế sự phát triển vết nứt. Ứng lực trƣớc chính
là việc tạo cho kết cấu một cách có chủ ý các ứng suất tạm thời nhằm tăng cƣờng sự
làm việc của vật liệu trong các điều kiện sử dụng khác nhau. Trƣớc khi cấu kiện chịu
tải trọng sử dụng, cốt thép đã bị căng trƣớc cịn bê tơng đã bị nén trƣớc [3].
Trong bê tơng ứng lực trƣớc do có thể khống chế sự xuất hiện khe nứt bằng lực
căng trƣớc nên cần thiết và có thể d ng cốt thép cƣờng độ cao. Mặt khác để có thể
giảm đƣợc kích thƣớc tiết diện và từ đó giảm trọng lƣợng bản thân của cấu kiện,
đồng thời tăng ứng suất tập trung ở v ng neo cần phải sử dụng bê tông cƣờng độ cao.
Bê tông ứng lực trƣớc đã trở thành một sự kết hợp lý tƣởng giữa hai loại vật liệu hiện
đại có cƣờng độ cao [3].
Sử dụng sàn bê tơng ứng lực trƣớc có nhiều ƣu điểm nhƣ có khả năng vƣợt nhịp
lớn, khả năng chịu uốn, chịu cắt cao hơn so với sàn bê tơng cốt thép thƣờng có c ng
tiết diện, hạn chế đƣợc biến dạng, khe nứt, tăng độ bền của kết cấu, do sử dụng đƣợc
vật liệu có cƣờng độ cao nên giảm đƣợc kích thƣớc tiết diện, tiết kiệm đƣợc khối
lƣợng vật liệu, làm giảm trọng lƣợng bản thân, giảm chi phí cho nền móng ….

Hình 1.10. Sàn bê tơng ứng lực trước
Về lý thuyết tính toán, nhiều tổ chức và quốc gia trên thế giới đã nghiên cứu và
cho ra đời các tiêu chuẩn, quy phạm về bê tông ứng lực trƣớc nhƣ tiêu chuẩn FIP của
Liên đồn quốc tế về bê tơng ứng lực trƣớc; Tiêu chuẩn AASHTO cho cầu đƣờng,
tiêu chuẩn ACI cho xây dựng dân dụng của Mỹ; Quy phạm Eurocode của khối liên
hiệp châu Âu; Tiêu chuẩn Anh BS; Quy phạm BPEL của Pháp; Quy phạm CHII
của Liên Xô (cũ)… Các tiêu chuẩn, quy phạm kể trên không ngừng đƣợc cải tiến,
hồn thiện và ln đƣợc sửa đổi, cập nhật từ hai đến bốn năm một lần. Tại Việt Nam

tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 cũng đã có những chỉ dẫn để thiết kế loại kết cấu này.
1.2.3. Sàn nấm (sàn phẳng có mũ cột)
Sàn nấm là sàn khơng có dầm, bản sàn dựa trực tiếp trên cột. D ng sàn nấm sẽ
giảm đƣợc chiều cao kết cấu, việc làm ván khuôn đơn giản và dễ dàng bố trí cốt thép.


11
Sàn nấm có có mặt dƣới phẳng nên việc chiếu sáng và thơng gió tốt hơn sàn có dầm.
Ngồi ra việc ngăn chia các phòng trên mặt sàn cũng sẽ linh hoạt và rất thích hợp với
các bức tƣờng ngăn di động.
Khi chịu tải trọng thẳng đứng, bản sàn có thể bị phá lõm vì cắt theo kiểu bị cột
đâm thủng. Để tăng cƣờng khả năng chịu cắt, có thể tạo ra mũ cột hoặc tạo bản đứng
cột có chiều dày lớn hơn.
Bản có chiều dày lớn hơn trên đầu cột cịn có tác dụng tăng cƣờng khả năng
chịu momen, vì ở tiết diện sát đến cột, momen uốn trong bản đạt giá trị lớn nhất.
Chiều rộng nhịp thích hợp với sàn nấm, thƣờng là 4m đến 8m đối với bê tông cột
thép thƣờng, khi nhịp của bản từ 7m trở lên nên có cốt thép ứng lại trƣớc để có thể
giảm chiều dày bản và giảm độ võng.

Hình 1.11. Sàn nấm
1.3. Tính tốn nội lực trong sàn phẳng
Để phân tích sàn, tính tốn nội lực, ứng suất trong sàn có thể sử dụng ba
phƣơng pháp thơng dụng sau:
1.3.1. Phương pháp phân phối trực tiếp
Trong tính tốn bản sàn theo phƣơng pháp này, momen uốn M0 của từng ô bản
đƣợc phân phối cho các miền momen âm và dƣơng dựa trên bảng tra các hệ số đƣợc
lập sẵn. Phƣơng pháp này mang tính ứng dụng cao, dễ sử dụng và đơn giản. Tuy
nhiên phạm vi sử dụng bị hạn chế.
a. Phương pháp phân phối trực tiếp theo tiêu chuẩn ACI318-11[4]
Để đảm bảo khả năng chịu uốn của sàn ở trạng thái giới hạn đủ để chịu đƣợc

momen âm và momen dƣơng do tải trọng bất lợi nhất gây ra cần có các điều kiện
sau:
+ Phải có ít nhất 03 nhịp liên tục theo mỗi phƣơng;
+ Các nhịp phải đều nhau. Theo từng phƣơng, các nhịp kề nhau không đƣợc
chênh nhau quá 1/3 chiều dài nhịp lớn hơn;
+ Tất cả tải trọng đều là tải trọng đứng, hoạt tải phải là tải phân bố đều và nhỏ


12
hơn 02 lần tĩnh tải;
+ Các ô sàn phải là hình chữ nhật, t lệ nhịp dài và nhịp ngắn khơng q 2;
+ Cột khơng lệch vị trí q 10% khoảng cách các đƣờng tim cột của các cột kế
tiếp nhau theo mỗi phƣơng.
b. Quy trình tính tốn:
- Xác định momen tổng cộng: do tải tính tốn M0:

wu l2ln2
Mo
8
Trong đó: wu – tải trọng phân bố; l2 – bề rộng dầm – bản; ln – chiều dài thông
thủy của nhịp, đƣợc tính bằng khoảng cách 02 mặt trong gối tựa nhƣng không nhỏ
hơn 0,65l1 (l1 – khoảng cách tâm 02 gối tựa).
- Phân phối momen cho các ô bản:
+ Đối với các nhịp trong, M0 đƣợc phấn phối 65% cho momen âm và 35% cho
momen dƣơng. Giá trị này xấp xỉ nhƣ dầm ngàm hai đầu chịu tải trọng phân bố dựa
trên giả thiết góc xoay của các điểm liên kết phía trong là khơng đáng kể. Tiết diện
tới hạn đối với momen âm là tiết diện tại vị trí mặt gối tựa (cột, tƣờng, mũ cột) của
bản sàn. Với cột tròn, tiết diện tới hạn đối với momen âm nằm tại vị trí cạnh hình
vng tƣơng đƣơng.
+ Đối với các nhịp biên, lực chỉ tác dụng lên một phía nên sẽ gây momen

khơng cân bằng. Góc xoay sẽ làm giảm momen âm và tăng momen dƣơng ở giữa
nhịp và gối trong đầu tiên. Độ lớn góc xoay cột biên phụ thuộc độ cứng cột tƣơng
đƣơng. Nếu độ cứng cột lớn so với độ cứng của dầm – bản, cột sẽ ngăn cản góc xoay
của biên ngồi của sàn và đóng vai trị nhƣ liên kết ngàm, t lệ phân phối momen
tƣơng tự nhƣ các nhịp trong (65% gối và 35% nhịp). Ngƣợc lại, nếu độ cứng cột
không đủ lớn, cột đóng vai trị nhƣ gối cố định. Lúc này, momen gối ngoài bằng 0,
momen giữa nhịp bằng 0,63M0, momen tại gối trong đầu tiên bằng 0,75M0. Nếu sàn
khơng có dầm biên, t lệ phân phối lần lƣợt cho các tiết diện trên sẽ là 0,26M 0,
0,5M0, 0,7M0. Nếu sàn có dầm biên: 0,3M0, 0,5M0, 0,7M0.
c. Phân phối momen cho các dãy nhịp và dãy cột:
- Sau khi phân phối momen cho các ô bản, cần phân phối momen cho các dãy
nhịp và dãy cột của ô bản


13
dải nhịp
dả i cột

dải nhịp
dả i cột

dả i cột

dải cột

2

2

dải nhịp

2

dải cột

2

2

dải nhịp

2

dải cột

dả i cột

dải nhịp

1

1

1

1

1

1

1

1

1

Hình 1.12. Sơ đồ dãy cột và dãy nhịp
- Sự phân phối momen âm và dƣơng cho các dãy cột phụ thuộc vào t số l 2/l1
và α l2/l1, với sàn không dầm α = 0. Sau khi phân phối momen cho dãy cột, lƣợng
momen còn lại sẽ phân phối cho dãy nhịp:
+ Đối với momen dƣơng: 60% sẽ phân phối cho dãy cột;
+ Đối với momen âm: Nhịp giữa: 75% phân phối cho dãy cột; Nhịp biên: Sự
phân phối momen phụ thuộc l2/l1, α l2/l1, độ cứng chống xoắn của dầm biên βt.
t

EcbC
2 Ecs I s

Trong đó: Ecb và Ecs – mơ đun đàn hồi của bê tông dầm và sàn; Is – momen
quán tính của dầm bản; C – hệ số liên quan đến độ cứng chống xoắn của dầm biên:
C

x x3 y
(1 0.63 )
y 3

Với x là cạnh ngắn, y là cạnh dài của tiết diện chữ nhật thành phần trong tiết
diện ngang chịu xoắn trong phạm vi chiều cao tiết diện cột.
Nếu βt rất nhỏ, gần bằng 0,1% momen âm sẽ phân phối cho dãy cột. Nếu βt >

2,5 thì 75% momen phân bố cho dãy cột.
1.3.2. Phương pháp khung tương đương
Vì lực cắt và momen uốn trong sàn do tải trọng thẳng đứng tác dụng lên từng
sàn nên có thể phân tích độc lập từng sàn. Phƣơng pháp này đƣợc d ng để xác định


14
nội lực cho sàn, số nhịp bất kỳ, nhịp có thể đều hoặc khơng đều. Tƣởng tƣợng cắt
tồn bộ sàn dọc theo đƣờng tim của sàn, tạo thành khung theo cả 2 phƣơng, gọi là

L2

L2

L2

L2

khung tƣơng đƣơng [5].

L1

L1

L1
h

h
L1

L1

L1

Hình 1.13. Sơ đồ khung tương đương
Khung tƣơng đƣơng có phần tử cột bao gồm 02 cột ở tầng trên và tầng dƣới kế
tiếp nhau của sàn và phần tử dầm có chiều rộng tính từ tâm 02 nhịp kế tiếp nhau,
chiều cao bằng chiều dày sàn. Cột giả thiết ngàm 02 đầu.
a. Momen quán t nh của dầm – bản:
- Thay đổi dọc theo trục dầm – bản do ảnh hƣởng của kích thƣớc các bộ phận
kết cấu cột, mũ cột và bản mũ cột (nếu có).
- Độ cứng của bản sàn tại vị trí cột hoặc trong phạm vi mũ cột có thể xem nhƣ
cứng tuyệt đối, tại gần vị trí với mũ cột hoặc cột, độ cứng của dầm – bản nhỏ hơn.
Từ tim cột đến mặt cột hoặc mép mũ cột, momen quán tính của dầm – bản lấy bằng
momen quán tính tại mặt cột hoặc mặt mũ cột chia cho (1-c2/l2)2, trong đó c2 là kích
thƣớc của cột hoặc mũ cột, l2 là kích thƣớc nhịp theo phƣơng đang xét.
b. Cột tương đương:
- Trong khung tƣơng đƣơng, đối với sàn khơng dầm, tồn bộ phần momen
trong sàn giữa các cạnh cột và dầm – bản sẽ truyền thông qua lực xoắn. Để mô tả
phản ứng của kết cấu đối với sự truyền momen giữa sàn và cột do uốn và xoắn, giả
thiết cột có cánh tay địn về phía của cột. Cánh tay địn sẽ truyền momen từ sàn vào
cột thơng qua xoắn. Cột phía trên và phía dƣới sàn c ng với cánh tay đòn này coi
nhƣ một cấu kiện, gọi là cột tƣơng đƣơng.


15

h

Cánh tay đòn

s

h
Bề rộng dầm -bản

Hình 1.14. Cột tương đương
- Độ cứng của cột tƣơng đƣơng đƣợc tính nhƣ sau: (1)
1
K ec

1
Kc

1
Kt

Trong đó: Kec – độ cứng cột tƣơng đƣơng;
Độ cứng của cột:

Kc kc EI / lc
Cột có tiết diện khơng đổi: kc = 4
Ic – chiều dài cột tính từ tâm sàn tầng dƣới đến tâm sàn tầng trên
Kt – độ cứng chống xoắn của cánh tay đòn
Kt

9 EcsC
l2 (1 c2 / l2 )3

Ecs – mô đun đàn hồi của bê tông sàn

c2 – bề rộng cột; l2 – bề rộng dầm – bản
C – momen chống xoắn cánh tay đòn; Với tiết diện chữ nhật:
C

x x3 y
(1 0.63 )
y 3

Với x là cạnh ngắn, y là cạnh dài của tiết diện chữ nhật thành phần trong tiết
diện ngang chịu xoắn trong phạm vi chiều cao tiết diện cột.
- Nếu có dầm theo phƣơng vng góc với phƣơng tính tốn chạy qua cột thì K t
nên tăng lên Isb/Is với Is là momen qn tính của bản khơng kể đến thân dầm, Isb là
momen quán tính đồng thời của bản và thân dầm. Khi đó cơng thức (1) trở thành:
1
K ec

1
Kc

1
Kt ( I sb / I s )

c. T nh tốn khung tương đương:
- Có thể sử dụng máy tính với các chƣơng trình tính tốn theo phƣơng pháp
phần tử hữu hạn để xác định momen trong khung tƣơng đƣơng.
d. Cốt thép chịu momen uốn trong bản sàn:


16
Cốt thép trong bản sàn 2 phƣơng đƣợc tính tốn theo cấu kiện chịu uốn với

momen uốn tính tốn đƣợc xác định ở mỗi phƣơng.
1.3.3. Phương pháp phần tử hữu hạn
- Phƣơng pháp này là cơng cụ hữu ích để giải các bài toán từ đơn giản đến phức
tạp. Phƣơng pháp này chia vật thể biến dạng thành nhiều phần tử có kích thƣớc hữu
hạn gọi là phần tử hữu hạn. Các phần tử liên kết với nhau bởi các nút. Các phần tử
vẫn là liên tục trong phạm vi của nó, nhƣng có hình dạng đơn giản nên cho phép
nghiên cứu dễ dàng hơn dựa trên cơ sở của một số quy luật về sự phân bố chuyển vị
và nội lực. Kết cấu liên tục đƣợc chia thành một số hữu hạn các miền hoặc các kết
cấu con có kích thƣớc càng nhỏ càng tốt nhƣng phải hữu hạn. Các miền hoặc các kết
cấu con gọi là phần tử hữu hạn. Chúng có thể có dạng hình học và kích thƣớc khác
nhau, tính chất vật liệu đƣợc giả thiết khơng thay đổi trong mỗi phần tử nhƣng có thể
thay đổi từ phần tử này sang phần tử khác.
- Phƣơng trình cân bằng của tồn hệ kết cấu đƣợc suy ra bằng cách phối hợp
các phƣơng trình cân bằng của các phần tử hữu hạn riêng rẽ sao cho vẫn đảm bảo
đƣợc tính liên tục của tồn bộ kết cấu. Cuối c ng, căn cứ vào điều kiện biên, giải hệ
phƣơng trình cân bằng tổng thể để xác định giá trị của các thành phần chuyển vị. Các
thành phần này d ng để tính ứng suất và biến dạng.

Hình 1.15. Thiết kế sàn sử d ng phần mềm SAFE