Luận văn thạc sĩ tính toán dầm liên hợp thép bê tông sử dụng dầm thép tiết diện hộp

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN NGỌC THÀNH

TÍNH TỐN DẦM LIÊN HỢP THÉP-BÊ TƠNG
SỬ DỤNG DẦM THÉP TIẾT DIỆN HỘP

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG
VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN NGỌC THÀNH

TÍNH TỐN DẦM LIÊN HỢP THÉP-BÊ TƠNG
SỬ DỤNG DẦM THÉP TIẾT DIỆN HỘP
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 XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG
VÀ CƠNG NGHIỆP

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. NGUYỄN QUANG VIÊN

Đà Nẵng – Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình riêng của tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng
trình nào.
Học viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Thành


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng. Khoa Đào tạo
Sau Đại học, Bộ môn kết cấu thép – gỗ đã tạo điều kiện thuận lợi nhất giúp tơi trong
q trình học tập và nghiên cứu thực hiện luân văn thạc sỹ trong khóa đào tạo cao học
tại trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn – PGS.TS. Nguyễn Quang Viên đã
tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn một cách tốt nhất.
Tơi xin chân thành cảm ơn tới gia đình, bạn bè và các anh chị em đồng nghiệp
đã có những đóng góp giúp đỡ để tơi hồn thành luận văn này.
Tơi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của thầy cô và bạn đọc.
Học viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Thành

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ...........................................................................................2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................2
4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................3
5. Kết quả dự kiến ...................................................................................................3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊ TƠNG..........4
1.1. Sự hình thành và phát triển kết cấu liên hợp thép-bê tông .......................................4
1.2. Ưu, khuyết điểm của kết cấu liên hợp thép-bê tông ...............................................10
CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ LÝ THUYẾT CHUNG TÍNH TỐN
DẦM LIÊN HỢP THÉP-BÊ TƠNG THEO EUROCODE 4 ..................................12
2.1. vật liệu sử dụng cho kết cấu liên hợp thép - bê tông ..............................................12
2.1.1. Bê tông ........................................................................................................12
2.1.2. Cốt thép .......................................................................................................14
2.2. Một số giải pháp dầm liên hợp thép-bê tông trong sàn nhà cao tầng .....................15
2.2.1. Dầm, giàn liên hợp......................................................................................15
2.2.2. Hệ dầm sàn liên hợp khác trong kết cấu nhà siêu cao tầng ........................16
2.2.3. Dầm liên hợp liên tục..................................................................................17
2.2.4. Dầm liên hợp có tiết diện thay đổi .............................................................. 18
2.2.5. Dầm liên hợp với dầm thép có nách ........................................................... 19
2.2.6. Dầm liên hợp có mố ....................................................................................19
2.3. Dầm liên hợp t-BT thơng dụng, sử dụng dầm thép tiết diện chữ I .........................20
2.3.1. Tính toán theo trạng thái phá hoại (trạng thái giới hạn 1) .......................... 21
2.3.2. Tính toán theo trạng thái giới hạn sử dụng .................................................25
2.3.3. Liên kết trong dầm liên hợp ........................................................................26
2.4. TÍNH TỐN DẦM LIÊN HỢP THÉP-BÊ TƠNG SỬ DỤNG DẦM THÉP TIẾT
DIỆN HỘP CHỮ NHẬT (HCN) ...................................................................................30
2.4.1. Hình dạng và kích thước dầm LH T-BT, sử dụng dầm thép tiết diện hộp
chữ nhật (HCN) .............................................................................................................30

2.4.2. Vật liệu, tải trọng và tổ hợp tải trọng .......................................................... 31
2.4.3. Các giả thuyết tính toán .............................................................................31
2.4.4. Sức bền của tiết diện đối với mômen uốn .................................................32
2.4.5. Khả năng chịu cắt của dầm liên hợp ........................................................... 36
2.4.6. Khả năng chịu uốn và lực cắt đồng thời .....................................................37


2.4.7. Khả năng chịu trượt dọc .............................................................................37
2.4.8. Giới hạn độ võng đứng ...............................................................................38
CHƯƠNG 3. VÍ DỤ BẰNG SỐ VỀ LỰA CHỌN VÀ TÍNH TỐN DẦM LIÊN
HỢP THÉP - BÊ TƠNG ............................................................................................. 39
3.1. Tính toán dầm đơn giản liên hợp thép - bê tông truyền thống tiết diện chữ I và
dầm liên hợp thép - bê tông tiết diện hộp chữ nhật HCN với nhịp L=6m. ...................39
3.1.1 Các thông số tính toán .................................................................................39
3.1.2. Kết quả tính toán và nhận xét .....................................................................41
3.2. Ví dụ tính toán dầm đơn giản liên hợp thép bê tông truyền thống tiết diện thép
chữ I và dầm liên hợp thép- bê tông tiết diện hộp chữ nhật HCN với nhịp L = 9m .....43
3.3. Khảo sát các thông số ảnh hưởng đến khả năng chịu lực và độ cứng của dầm liên
hợp thép – bê tông tiết diện dầm thép hộp chữ nhật .....................................................46
3.3.1. Thay đổi chiều cao h tiết diện dầm thép .....................................................46
3.3.2. Thay đổi chiều cao ht (độ sâu ngàm dầm thép trong sàn) .......................... 46
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................48
TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO)


TĨM TẮT LUẬN VĂN
TÍNH TỐN DẦM LIÊN HỢP THÉP-BÊ TƠNG SỬ DỤNG
DẦM THÉP TIẾT DIỆN HỘP.
Học viên: Nguyễn Ngọc Thành

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng DD&CN.
Mã số: 60.58.02.08
Khóa: 31 Trường Đại học Bách khoa-ĐHĐN
Tóm Tắt: Trong q trình tìm hiểu, nghiên cứu về kết cấu liên hợp thép – bê
tông truyền thống, nhận thấy loại hình kết cấu này có thể phát triển hơn nữa đáp ứng
những yêu cầu ứng dụng trong thực tế xây dựng. Một số các yêu cầu đặt ra đối với kết
cấu liên hợp thép – bê tông truyền thống là giảm chiều cao của hệ dầm, tăng khả năng
chịu lửa và đặc biệt là giảm chi phí và thời gian thi công chốt chịu cắt,…Khi sử dụng
dầm thép là hộp rỗng được nhồi bê tông vào trong lòng ống qua các lỗ mở ở thành
bụng dầm. Khối bê tông chèn tại các lỗ mở này sẽ góp phần chịu trượt dọc, đảm bảo
liên kết giữa cánh bê tơng cốt thép và dầm thép là hồn toàn, làm tăng độ cứng, tăng
khả năng chịu lực; đặc biệt là giảm được chiều cao dầm và khả năng chống cháy tốt
hơn. Và nội dung của luận văn nhằm giới thiệu tới phương pháp tính toán dầm liên
hợp thép - bê tông tiết diện hộp theo Tiêu chuẩn Châu Âu EuroCode 4. Bằng các ví dụ
số cụ thể hy vọng rằng tài liệu này sẽ giúp cho các kỹ sư xây dựng thiết kế dầm liên
hợp thép - bê tông theo giải pháp sử dụng tiết diện thép là tiết diện hộp mộtt cách dể
dàng hơn.
Từ Khóa: TÍNH TỐN DẦM LIÊN HỢP THÉP-BÊ TÔNG SỬ DỤNG DẦM
THÉP TIẾT DIỆN HỘP.
Design of steel and concrete composite beam using rectangular hollow steel section
Abstract
In the process of exploration, research on the traditional steel-concrete composite
structure, it can be seen that this type of structure can be further developed to meet the
requirements of practical application in construction. Some of the requirements for
traditional steel-concrete composite structures are to reduce the height of the beam
system, increase the fire resistance and, in particular, reduce the cost and time required
for cutting. Using steel beams is a hollow box stuffed into the concrete through the
openings in the abdominal wall of the beam. Concrete blocks at these openings will
contribute to longitudinal sliding, ensuring the bond between the reinforced concrete
wing and steel beams is complete, increasing the hardness, increasing the bearing

capacity; In particular, it reduces the height of the beams and better fire resistance.
And the content of the thesis is to introduce the method of calculating the steelconcrete composite girder box according to European EuroCode 4. The specific
examples hope that this material will help the technicians. The design of steel-concrete
composite beams by means of using a section of steel is easier to cross section.Key
words: Solution to increase the bearing capacity and reduce the displacement of steel
industrial buildings.
Key words - Design of steel and concrete composite beam using rectangular
hollow steel section.


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
h, tf,bf, tw, hw
h, ht, hb, t, b, tp, bp

Kích thước tiết diện dầm thép chữ I
Kích thước tiết diện dầm thép tiết diện hộp chữ nhật

hg, hp, hc, hd, a, beff
nhật
bo, ho

Kích thước tiết diện dầm liên hợp có dầm thép hộp chữ

fy, fyd
fck, fcd
tơng

Giới hạn chảy, giới hạn chảy tính tốn của thép
Cường độ chịu nén, cường độ chịu nén tính toán của bê

c, M

Hệ số an tồn riêng phần của bê tơng, thép

x, z

Khoảng cách từ trục trung hòa dẻo, trọng tâm vùng nén
đến mép trên sàn

d, hsc

Đường kính và chiều cao chốt chịu cắt

A, Av

Diện tích và diện tích phần chịu cắt của tiết diện

Kích thước lỗ mở bụng dầm

dầm thép
Ncf,x, Npl,a1, Npl,a2
vùng kéo
M+pl,Rd

Lực dọc bê tông vùng nén, thép vùng nén và thép

Mf,Rd
MEd
VRd,c
VRd,f

Vpl,Rd
VEd

Mô men bền dẻo dương của tiết diện liên hợp
Khả năng chịu mô men của riêng các cánh dầm thép
Mô men tác dụng lên dầm
Khả năng chịu cắt của phần bê tông qua lỗ mở
Khả năng chịu trượt của ma sát giữa bê tông và thép
Khả năng chịu cắt
Lực cắt tác dụng lên dầm



Độ võng thực của dầm liên hợp



Độ võng thực của dầm



Độ võng thực của dầm



Mức độ liên kết


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu

bảng

Tên bảng

Trang

2.1.

Các đặc trưng cơ học của Bê tông theo Eurocode 4

12

2.2.

Giá trị giới hạn của độ võng thẳng đứng cho dầm và sàn

25

3.1.

Chiều cao và diện tích tiết diện 2 dầm

40

3.2.
3.3.

Khả năng chịu mômen và độ võng của dầm thép 6m trong giai
đoạn thi công
Mô men bền dẻo và độ võng của dầm 6m trong giai đoạn liên

hợp

41
42

3.4.

Khả năng chịu cắt của dầm thép 6m trong giai đoạn liên hợp

43

3.5.

Chiều cao và diện tích tiết diện 2 dầm 9m

43

3.6.

Khả năng chịu mô men và độ võng của dầm thép 9m trong giai
đoạn thi công

44

3.7.

Mô men bền dẻo và độ võng của dầm 9m trong giai đoạn liên
hợp

44

3.8.

Khả năng chịu cắt của dầm 9m trong giai đoạn liên hợp

44


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
Tên hình
hình
1.1.
Nhà chung cư sử dụng Kết cấu liên hợp thép – bê tông.
1.2.
Một số loại dầm liên hợp thép-bê tơng
1.3.
Một số hình dạng tiết diện cột liên hợp thép-bê tơng
Tịa nhà 101 Peachtree Tower, Atlanta, Mỹ cao 234,7 m với 50
1.4.
tầng nổi
1.5.
Tháp thiên nhiên kỷ (Wien) Áo, cao 171m với 50 tầng
Tòa nhà One Atlantic Center, Atlanta, Mỹ cao 249,94m với 50
1.6.
tầng nổi
Trung tâm thương mại Thượng Hải cao 492m, 101 tầng nổi và 3
1.7.
tầng hầm
1.8.

Tòa nhà Diamond Plaza, 21 tầng ở TP HCM
1.9.
Tòa nhà Vietinbank Tower, 68 tầng, Hà Nội
2.1.
Hệ sàn liên hợp T-BT với dầm có lỗ ở bản bụng
2.2.
Hệ sàn liên hợp T-BT sử dụng giàn
2.3.
Dầm liên hợp T-BT với bản sàn bê tông cốt thép phẳng
2.4.
Dầm liên hợp với tấm BT đúc sẵn và lớp BT đổ bù
2.5.
Liên kết dầm - cột trong dầm liên hợp T-BT
2.6.
Dầm thép có nách trong sàn liên hợp
2.7.
Hệ sàn dầm liên hợp thép - bê tông truyền thống
2.8.
Chiều rộng của tấm sàn cùng tham gia làm việc với một dầm
2.9.
Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hoà đi qua tấm sàn
Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hoà nằm trong bản cánh trên
2.10.
dầm thép
Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hoà đi qua bản bụng dầm
2.11.
thép
2.12.
Chốt hàn
2.13.

Chốt hàn trong tấm sàn liên hợp
2.14.
Thép góc hàn với sợi thép xuyên qua
2.15.
Phối cảnh và mặt cắt ngang dầm liên hợp HCN
2.16.
Hình cắt kích thước của dầm liên hợp HCN
2.17.
Biểu đồ ứng suất dẻo khi TTH đi qua bản bê tông
2.18.
Biểu đồ ứng suất dẻo khi TTH đi qua mép trên dầm thép
Phân bố ứng suất pháp, khi trục trung hòa dẻo đi qua bụng của
2.19.
dầm thép, phía dưới bản cạnh trên của hộp thép, nhưng ở phía
trên mặt tôn sàn

Trang
4
4
5
7
8
8
9
10
10
15
16
17
17

18
19
20
22
23
24
24
27
27
28
30
31
33
34
34


Số hiệu
Tên hình
Trang
hình
2.20.
Biểu đồ ứng suất dẻo khi TTH đi qua sóng tơn
36
3.1.
Quan hệ giữa mơ men bền dẻo dầm liên hợp HCN và chiều cao h
46
3.2.
Quan hệ giữa độ võng dầm liên hợp HCN và chiều cao h
46

3.3.
Quan hệ giữa chiều cao vùng nén x và chiều sâu ht
47


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay nhu cầu xây dựng ở nước ta ngày càng phát triển mạnh nhằm hướng tới
mục tiêu cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Trước sự phát triển mạnh và nhanh
của ngành cơng nghiệp xây dựng nói chung, xây dựng dân dụng và cơng nghiệp nói
riêng, có rất nhiều giải pháp kết cấu, vật liệu, công nghệ xây dựng hiện đại ra đời.
Thực tế các loại hình kết cấu bê tơng, thép, gỗ đã được xây dựng rất phổ biến ở nước
ta. Tuy nhiên chúng cịn có các nhược điểm nhất định.
Kết cấu liên hợp thép – bê tông được sử dụng như là một sự kết hợp các ưu
điểm và hạn chế các nhược điểm của bê tông và thép. Để phù hợp với xu thế thiết kế
phát triển bền vững kết cấu liên hợp thép - bê tông được sử dụng rộng rãi trong xây
dựng dân dụng và công nghiệp, đặc biệt là cho sàn nhà cao tầng. Lý do là nhờ những
ưu điểm:
- Khả năng chịu lực tốt, độ tin cậy cao; nhờ vào các ưu điểm chính của vật liệu
thép là có cường độ cao, lớn nhất trong các loại vật liệu xây dựng. Thép là vật liệu đàn
hồi lý tưởng, tiệm cận với các giả thiết tính tốn kết cấu.
- Tính cơng nghiệp hóa cao. Các cấu kiện chịu lực chính bằng thép được chế tạo
chủ yếu là trong nhà máy, chúng sẽ thành kết cấu chịu tồn bộ tải trọng thi cơng.
- Bê tơng được bao bọc một phần hoặc toàn bộ kết cấu thép, tương tác cùng với
tiết diện thép thành tiết diện liên hợp cùng chịu các tải trọng sử dụng. Bê tông không
chỉ giúp giữ ổn định cục bộ cho các tiết diện thép mỏng, mà còn làm tăng tính chống
rỉ, tăng tính chống cháy, tăng tuổi thọ cho kết cấu công trình.
Thơng thường, tiết diện thép trong dầm liên hợp thép - bê tơng thường sử dụng là

các thép hình chữ I cán nóng hoặc tổ hợp hàn. Việc chống trượt giữa hai bộ phận cấu
thành là bản cánh bê tông cốt thép và dầm thép được đảm bảo nhờ các chốt hàn vào
đỉnh dầm thép. Giải pháp này dễ dàng cho thi công chế tạo; nhưng tốn thêm vật liệu và
lao động để hàn các chốt thép; đặc biệt là làm chiều cao xây dựng của dầm lớn, chiều
cao tầng bị tăng lên, tốn không gian sử dụng và khả năng chịu lửa thấp.
Trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu về kết cấu liên hợp thép – bê tông truyền
thống, nhận thấy loại hình kết cấu này có thể phát triển hơn nữa đáp ứng những yêu
cầu ứng dụng trong thực tế xây dựng. Một số các yêu cầu đặt ra đối với kết cấu liên
hợp thép – bê tông truyền thống là giảm chiều cao của hệ dầm, tăng khả năng chịu lửa
và đặc biệt là giảm chi phí và thời gian thi công chốt chịu cắt,…Khi sử dụng dầm thép
là hộp rỗng được nhồi bê tông vào trong lòng ống qua các lỗ mở ở thành bụng dầm.


2
Khối bê tông chèn tại các lỗ mở này sẽ góp phần chịu trượt dọc, đảm bảo liên kết giữa
cánh bê tơng cốt thép và dầm thép là hồn tồn, làm tăng độ cứng, tăng khả năng chịu
lực; đặc biệt là giảm được chiều cao dầm và khả năng chống cháy tốt hơn.
Trong xây dựng dân dụng và công nghiệp, các cấu kiện liên hợp rất phù hợp với
cơng trình có chiều cao lớn từ trên 25 tầng và tăng được khả năng chịu lửa của kết cấu.
Loại hình kết cấu này hiện nay đã được áp dụng khá phổ biến trên thế giới như ở Anh,
Mỹ, Pháp, Nhật Bản, Hàn Quốc, Úc,…do các nước này đã có tiêu chuẩn thiết kế cho
kết cấu liên hợp và đã thể hiện được các ưu điểm trong quá trình xây dựng và sử dụng.
Ở Việt Nam kết cấu liên hợp thép – bê tơng sử dụng cịn hạn chế do chưa có các
nghiên cứu đầy đủ cũng như chưa có tiêu chuẩn thiết kế, các cơng trình đã và đang áp
dụng loại hình kết cấu này đều phải tham khảo tiêu chuẩn nước ngoài. Một trong số
các tiêu chuẩn dùng sớm nhất và phổ biến là tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp thép –
bê tơng EN 1994-1-1.
Vì vậy trước các yêu cầu thực tế đặt ra, trên cơ sở các tiêu chuẩn, tài liệu, giáo
trình về kết cấu liên hợp thép – bê tơng nói chung, dầm liên hợp thép – bê tơng nói
riêng cũng như các nghiên cứu về các loại hệ dầm sàn liên hợp có chiều cao nhỏ đã và

đang được ứng dụng ở một số nước trên thế giới, tác giả đề tài đã phát triển, nghiên
cứu sự làm việc của dầm liên hợp thép– bê tơng sử dụng dầm thép có tiết diện hộp chữ
nhật.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Đặc điểm làm việc và tính tốn dầm liên hợp thép - bê tơng theo Tiêu chuẩn
Châu Âu EuroCode 4;
- Dầm sàn của của nhà cao tầng không chỉ phải chịu tải trọng lớn, nhịp lớn; mà
cịn phải có khơng gian rộng phía dưới sàn đủ để chứa các đường ống kỹ thuật. Giải
pháp thường sử dụng là dầm LH với dầm thép là các thép hình chữ I (cán nóng hoặc
hàn). Đề tài này tìm cách giảm chiều cao dầm liên hợp thép - bê tông theo giải pháp sử
dụng tiết diện thép là tiết diện hộp, nhồi bê tông và không cần chốt hàn; nhằm áp dụng
trong sàn nhà cao tầng.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Dầm liên hợp thép - bê tông với giải pháp tiết diện thép
là thép hình chữ I với các chốt hàn để chống trượt và tiết diện thép là hộp chữ nhật
nhồi bê tông qua các lỗ mở, không cần chốt hàn; sử dụng cho sàn nhà cao tầng.
- Phạm vi nghiên cứu: Tính toán dầm đơn giản liên hợp thép - bê tơng tiết diện
thép hình chữ I và hộp thép nhồi bê tông để làm đối chứng so sánh.


3
4. Phương pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu phương pháp thiết kế của Tiêu chuẩn châu Âu EC 4;
- Tiến hành một số khảo sát bằng số với dầm liên hợp T-BT tiết diện thép dạng
chữ I và hộp chữ nhật để so sánh.
5. Kết quả dự kiến
- Khảo sát sự làm việc, khả năng chịu lực, cách tính toán dầm liên hợp thép - bê
tơng sử dụng dầm thép có tiết diện là thép hình I và tiết diện hộp chữ nhật với hình
dạng lỗ mở khác nhau.
- Tiến hành các khảo sát bằng số; So sánh và đưa ra kiến nghị để áp dụng.

4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊ TƠNG
1.1. SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP-BÊ
TƠNG
Khác với kết cấu bê tơng cốt thép thơng thường, có cốt thép chịu lực là các thanh
thép trịn, kết cấu liên hợp thép - bê tơng (LH T-BT) là kết cấu mà thép chịu lực có
dạng thép tấm, thép hình, thép ống. Nó có thể nằm ngồi bê tông (gọi là kết cấu thép
nhồi bê tông), hay nằm bên trong bê tông (gọi là kết cấu thép bọc bê tông) hoặc liên
kết với nhau để cùng làm việc.

Hình 1.1. Nhà chung cư sử dụng Kết cấu liên hợp thép – bê tơng.

Hình 1.2. Một số loại dầm liên hợp thép-bê tông


5

Hình 1.3. Một số hình dạng tiết diện cột liên hợp thép-bê tông
Lịch sử phát triển của kết cấu liên hợp thép - bê tông gắn liền với lịch sử phát
triển kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép.
Từ những ý tưởng thay thế các cốt thép tròn bằng các dạng cốt thép khác gọi là
cốt cứng, khi hàng lượng quá lớn hình thành nên kết cấu thép liên hợp và ý tưởng
muốn bao bọc kết cấu 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 tơng. Mặc dù ra đời có phần muộn
màng hơn so với các kết cấu truyền thống như kết cấu thép, kết cấu bê tông, kết cấu
gỗ... nhưng dạng kết cấu này cũng được con người sử dụng hơn thế kỷ nay và ngày

càng có nhiều ưu điểm cần được khai thác và ứng dụng.
Việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tông dùng
trong lĩnh vực xây dựng cầu đường, dân dụng và các dạng kết cấu kỹ thuật khác đã và
đang được nhiều quốc gia quan tâm. Nhiều hội nghị khoa học tầm cở quốc tế về liên
hợp thép - bê tông đã được tổ chức: đầu tiên là hội nghị diễn ra tại Tokyo Nhật Bản
năm 1978, hội nghị thứ hai đã được tổ chức tại Seattle Washington, Mỹ năm 1984.
Hội nghị lần thứ ba đã tổ chức tại New England College ở Henniker, New Hamshire
năm 1987. Từ đó đến nay cũng đã có thêm rất nhiều hội nghị tầm cở lớn đã được diễn
ra.
Năm 1894, Lần đầu tiên kết cấu liên hợp thép - bê tông đã được dùng làm cầu
Rock Rapids do một kỹ sư người Viên thiết kế. Cầu này dùng thép hình chữ I làm
khung và được đổ bê tơng bên ngồi tạo dạng vịm. Bốn năm sau đó, năm 1898 kỹ sư
F.W. Pattenson đã thiết kế cầu gần Pitts Burgh, Pennsylvania, cầu này dùng hệ dầm
thép bọc bê tông để đở bản mặt cầu bằng bê tông tạo nên kết cấu LH THÉP - BÊ
TÔNG. Vào năm 1894 ở Pitts Burgh đã xây dựng một ngôi nhà mà các dầm sàn làm
bằng thép bọc bê tông, năm 1897 ngôi nhà này bị hỏa hoạn nhưng các kết cấu dầm sàn


6
khơng bị ảnh hưởng của lửa cháy, từ đó kết cấu này được đặt ra ý tưởng chịu lửa.
Ở Châu Âu việc sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông lúc đầu cũng xuất phát từ
mục đích dùng bê tơng bọc kết cấu thép để chống ăn mịn và chịu lửa. Thời kỳ đầu
một số ứng dụng chủ yếu làm cầu, hoặc một số ứng dụng làm sàn nhà theo kiểu bản bê
tông dầm thép. Do yêu cầu cầu thực tế nên việc ứng dụng đã đi trước lý thuyết tính
toán. Tuy vậy việc nghiên cứu lý thuyết cũng đã được đặt ra rất sớm, năm 1908 một số
thí nghiệm về cột liên hợp thép - bê tông đã được làm tại phòng thí nghiệm tại trường
Đại học Columbia. Sau này cũng có rất nhiều cơng trình thực nghiệm được các nhà
khoa học tiến hành nhưng lúc đó chưa có ai cơng bố lý thút để có thể làm căn cứ
thiết kế. Mãi đến năm 1925 kỹ sư Scott mới viết một tài liệu phân tích kết quả thí
nghiệm đầu tiên để làm cơ sở thiết kế sàn bê tông kết hợp dầm thép. Năm 1929 ông

kết hợp với một tác giả khác tên là Caughey xuất bản cuốn “ Phương pháp thực hành
thiết kế dầm thép tiết diện chữ I bọc bê tông”; tài liệu này được xem như làm tài liệu
lý thuyết sớm nhất Châu Âu hướng dẫn thiết kế sàn bê tông cốt thép kết hợp dầm thép.
Ở Mỹ, sau những năm 50 việc sử dụng thép tấm làm ván khn sàn và sau đó
cùng làm việc với bản sàn bê tông tạo nên kết cấu liên hợp thép – bê tông rất phổ biến
trong xây dựng nhà cao tầng. Một trong những cơng trình hiện đại sớm sử dụng kết
cấu này là Ngôi nhà tịa án Liên bang ở Brooklyn, New York.
Nói đến nhà cao tầng dùng kết cấu liên hợp tiêu biểu ở Mỹ cần phải kể tới tòa
nhà 35 tầng Major Bank ở Dallas, tiểu bang Texas. Nhà này được cấu tạo các mảng
tường bê tơng cốt thép tồn khối ở bốn góc nhà, giữa là các cột thép bọc bê tơng, các
sàn dùng dầm thép đỡ bản sàn bê tông tại chỗ liền với ván khn thép cố định. Tịa
nhà Atlantic Center Project ở Atlantic cao 275 feet (221m) là một ví dụ tiêu biểu cho
loại kết cấu này, ở đó hệ khung lõi cứng của nhà thi công theo phương pháp ván khuôn
trượt.
Việc sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông đã trải qua một thời gian dài nhưng
chính thức đưa vào tiêu chuẩn quốc gia thì gần đây mới được quan tâm rõ rệt. Ngay cả
ở Mỹ, việc nghiên cứu ứng dụng bắt đầu từ thế kỷ 20 mà đến năm 1944, lần đầu tiên
mới được đưa vào tiêu chuẩn quốc gia AASHTO (the Amerian Association of
Highway and Transportation). Một quốc gia khác cũng rất quan tâm đến kết cấu liên
hợp thép - bê tông là nước Đức, họ đã ban hành tiêu chuẩn quốc gia DIN từ rất sớm.
Sau khi tiêu chuẩn Mỹ (AASHTO) và của Đức (DIN) ban hành, hàng loạt các
quốc gia khác dựa vào đó mà soạn thảo tiêu chuẩn cho nước mình. Gần đây cộng đồng
châu Âu CEC thấy cần thiết phải có một bộ tiêu chuẩn thống nhất chung cho các quốc
gia Châu Âu khơng chỉ về hỗn hợp mà cịn về kết cấu xây dựng nói chung. Bộ tiêu


7
chuẩn gọi là European Codes (Eurocodes hay EC) được ra đời gồm có chín tập và tập
Eurocodes 4 là tập về Kết cấu liên hợp thép- bê tông.
Ở nga các nghiên cứu về kết cấu liên hợp thép - bê tông cũng được tiến hành từ

lâu. Năm 1936 dưới sự chỉ đạo của viện sỹ G.P. Pêrêdêri người Nga đã xây dựng xong
chiếc cầu nhịp 110m qua sông Neeva ở Xanh Pêtecbua. Trong những năm 40 của thế
kỷ 19 Giáo sư V.A. Ransnôpski đã dùng ống thép mỏng nhồi bê tông để làm kết cấu
chịu lực cho nhiều đồ án thiết kế. Chiếc cầu dài 140m dạng vịm qua sơng Ixet cũng
dùng loại kết cấu này. Ở Nhật Bản việc nghiên cứu kết cấu liên hợp thép - bê tông
cũng được quan tâm rất sớm. Kết cấu liên hợp thép - bê tông xuất hiện ở Nhật từ năm
1910, được ứng dụng rộng rãi làm nhà cao tầng.
Với xu thế phát triển công nghệ ngày càng hiện đại, biện pháp thi công tiên tiến.
Hiện nay, kết cấu liên hợp thép - bê tông được sử dụng rất rộng rãi đặc biệt là các tịa
nhà cao tầng.

Hình 1.4. Tịa nhà 101 Peachtree Tower, Atlanta, Mỹ cao 234,7 m với 50 tầng nổi


8

Hình 1.5. Tháp thiên nhiên kỷ (Wien) Áo, cao 171m với 50 tầng

Hình 1.6. Tịa nhà One Atlantic Center, Atlanta, Mỹ cao 249,94m với 50 tầng nổi


9

Hình 1.7. Trung tâm thương mại Thượng Hải cao 492m, 101 tầng nổi và 3 tầng hầm
Ở Việt Nam, lý thuyết tính toán cấu kiện liên hợp thép - bê tơng đã được đưa vào
giáo trình “ Kết cấu bê tông cốt thép - phần cấu kiện cơ bản” xuất bản năm 1995, dựa
theo lý thuyết tính toán của Nga và còn khá đơn giản. Trong thời gian gần đây tại
thành phố Hồ Chí Minh, Hà Nội đã có nhiều cơng trình cao tầng dùng kết cấu liên hợp
thép - bê tông như dùng khung thép bọc vật liệu chống cháy, dùng sàn liên hợp...
Trong tương lai với yêu cầu phát triển xây dựng hiện nay việc sử dụng kết cấu liên hợp

thép - bê tông để thiết kế và thi công sẽ được sử dụng rộng ở Việt Nam, trước hết là
các tịa nhà cao tầng có chiều cao 30 tầng trở lên.


10

Hình 1.8. Tịa nhà Diamond Plaza, 21 tầng ở TP HCM

Hình 1.9. Tịa nhà Vietinbank Tower, 68 tầng, Hà Nội
1.2. ƯU, KHUYẾT ĐIỂM CỦA KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP-BÊ TÔNG
Xem xét lại các kết quả nghiên cứu và thực tế các cơng trình đã được thi cơng
nhận thấy rằng, kết cấu liên hợp thép - bê tơng có những ưu điểm sau:
- 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 mơi trường ăn mịn.
- Khả năng chịu lửa tốt. Đối với các loại cấu kiện được bọc bê tông, khả năng


11
chịu lửa của thép được đảm bảo tốt hơn thép bọc ngoài.
- Khả năng chịu lực của vật liệu tăng (do thép chịu lực là chính) làm giảm kích
thước của các cấu kiện, kết cấu sẽ thanh mảnh hơn so với kết cấu bê tông cốt thép
thông thường, không gian sử dụng và hiệu quả kiến trúc tăng.
- Tăng độ cứng của kết cấu. Điều này thấy rõ đối với các cột liên hợp thép - bê
tông kể cả bọc ngoài hay nhồi trong đều làm giảm độ mảnh của cột thép làm tăng ổn
định cục bộ cũng như tổng thể của thép.
- Khả năng biến dạng lớn hơn kết cấu bê tơng cốt thép, đó là ưu điểm lớn khi
chịu tải trọng động đất.
- Có thể tạo kết cấu ứng lực trước trong hi thi công, tăng hiệu quả sử dụng vật
liệu, nhất là vật liệu cường độ cao.

- Có thể sử dụng để dàng các phương pháp thi công hiện đại làm tăng tốc độ thi
công, sớm đưa cơng trình vào sử dụng.
- Kết cấu liên hợp thép - bê tơng có thể đạt hiệu quả kinh tế cao. So với kết cấu
bê tông cốt thép thông 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 cơng nhanh, sớm quay vịng vốn
thì rất có thể cơng trình sẽ rẻ hơn.
Tuy nhiên, kết cấu liên hợp thép - bê tơng cũng có những nhược điểm sau:
- Kết cấu liên hợp thép - bê tơng địi hỏi sự làm việc gắn kết giữa hai vật liệu bê
tơng và cốt thép. Chính vì thế việc tính tốn phức tạp hơn, địi hỏi thời gian tính tốn
nhiều hơn. Chi phí gia công và chế tạo các liên kết sẽ tăng.
- Khi chịu tải trọng động đất, kết cấu liên hợp nói chung sẽ biến dạng lớn hơn kết
cấu bê tơng cốt thép thơng thường do đó hình dạng thẩm mỹ của cơng trình sẽ chịu
ảnh hưởng rất lớn.


12

CHƯƠNG 2
VẬT LIỆU SỬ DỤNG VÀ LÝ THUYẾT CHUNG TÍNH TỐN
DẦM LIÊN HỢP THÉP-BÊ TƠNG THEO EUROCODE 4
2.1. VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊ TƠNG
2.1.1. Bê tơng
a. Quy định của Eurocode 2 và Eurocode 4
 Các cường độ đặc trưng
Theo quy định của Eurocode 4 về kết cấu liên hợp thì dùng mác bê tông từ
C20/25 đến C50/60. Các đặc trưng cơ học của chúng được nêu ở bảng sau:
Bảng 2.1. Các đặc trưng cơ học của Bê tông theo Eurocode 4
Lớp độ bền

C20/25 C25/30

C30/37

C35/45

C40/50

C45/55

C50/60

fck (N/mm2)

20

25

30

35

40

45

50

fctm (N/mm2)

2,2

2,6

2,9

3,2

3,5

3,8

4,1

fcm (N/mm2)

28

33

38

43

48

53

58

fctk,0,05
(N/mm2)

1,5

1,8

2,0

2,2

2,5

2,7

2,9

Ecm (N/mm2)

29

30,5

32

33,5

35

36

37

Chú thích: fck – cường độ chịu nén của bê tơng mẫu hình trụ ở tuổi 28 ngày
Fctm – cường độ chịu kéo trung bình ở tuổi 28 ngày
Ecm – Mơđun đàn hồi các tuyến có thể ảnh hưởng của các tác động ngắn hạn.
* Cường độ chịu nén
fck (t) = fcm(t) – 8 (MPa) với 3fck (t) = fck
với t ≥ 28 ngày
Trong đó: fcm(t) = βcc(t)fcm
Với: fcm – cường độ trung bình chịu nén của bê tông
βcc(t)fcm – Hệ số phu thuộc vào tuổi t của bê tông,
1/ 2

   28   

βcc  t   exp s 1     

   t   


t – tuổi của bê tơng tính theo ngày
s – hệ số phụ thộc loại xi măng sử dụng, s=0,2-0,38;
* Cường độ chịu kéo khi uốn
fctm, fl  max 1,6  h /1000  fctm ; fctm 


13
Trong đó: h – chiều cao tồn bộ cấu kiện,mm;

fctm – cường độ trung bình khi chịu nén trực tiếp.
* Cường độ chịu kéo của bê tông
fctm (t )   cc (t ) fctm


Với βcc(t) lấy theo công thức trên và:
α = 1 với t < 28 ngày;
α = 2/3 với t ≥ 28 ngày.
Giá trị của fctm lấy theo bảng 2.1.
 Cường độ tính tốn của bê tơng
* Cường độ tính tốn chịu nén của bê tơng tính như sau:
fcd  cc fck /  c

Trong đó:  c - hệ số kể đến đặc tính riêng của bê tông, phụ thuộc tổ hợp tải trọng.
 cc - hệ số kể đến những tác động lâu dài đến sức bền nén và các tác

động bất lợi của các tải trọng tác dụng. Có thể dùng  cc  1, 0.
* Cường độ tính toán chịu kéo Fctd tính như sau:
fctd  ct fctk ,0,05 /  c

Trong đó:  ct - hệ số kể đến những tác động lâu dài đến sức bền kéo và các tác
động bất lợi của các tải trọng tác dụng. Có thể dùng  cc  1, 0.
f ctk ,0,05 - giá trị dưới của sức bền đặc trưng khi kéo, lấy theo bảng 2.1.

 Môđun đàn hồi Ecm
Môđun đàn hồi theo thời gian Ecm(t) được tính theo công thức:
Ecm (t )  ( fcm (t ) / f cm )0.3 Ecm

Trong đó: Ecm - môđun đàn hồi ở tuổi 28 ngày;
Các ký hiệu khác như trên.

 Sự co ngót của bê tơng
Sự co ngót của bê tơng được xác định qua các hệ số như sau:
- Bằng 3x10-4 trong môi trường khô ở trong hoặc ngồi cơng trình (trừ các cấu
kiện được nhồi bê tông);
- Bằng 2x10-4 trong môi trường khác và cho các cấu kiện được nhồi bê tông.
Các giá trị trên dùng cho bê tơng có khối lượng riêng trung bình thơng thường,
đối với bê tơng nhẹ, các giá trị trên nhân với 1,5 lần.
 Hệ số dãn nở do nhiệt
- Đối với bê tông thường α = 10-5oC-1;


14
- Đối với bê tông thường α = 0,7 x 10-5oC-1;
Chú ý rằng tác động khác nhau của nhiệt độ giữa bê tơng sàn và các định hình
thép có thể ghép vào tác động của sàn. Nhưng thông thường trong tính tốn cơng trình
theo trạng thái giới hạn về phá hỏng thường bỏ tác động này.
b. Về vật liệu bê tông đang sử dụng ở Việt Nam
Theo TCXDVN 356:2005. Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết
kế. Theo tiêu chuẩn này có thể dùng các loại bê tông sau cho kết cấu liên hợp thép – bê
tơng:
- Bê tơng nặng có khối lượng thể tích trung bình từ 2200 đến 2500 kG/m3.
- Bê tơng hạt nhỏ có khối lượng thể tích trung bình lớn hơn 1800 kG/m3.
- Bê tơng nhẹ có cấu trúc đặc và rỗng.
c. So sánh các đặc trưng cơ học của bê tông theo hai tiêu chuẩn Eurocode 2,
Eurocode 4 và TCVN 5574:2012
Hai tiêu chuẩn dựa vào cường độ trung bình của. So sánh các giá trị của cường
độ trung bình của các mẫu thử theo TCVN 5574:2012 (TCXDVN 356:2005) một cách
gần đúng chấp nhận được (sai số ≤ 1%) ta có thể so sánh tương đương như sau:
- Lớp độ bền C20/25 Eurocode – tương đương cấp B25 (Mác 350) của TCVN.
- Lớp độ bền C25/30 Eurocode – tương đương cấp B30 (Mác 400) của TCVN.

- Lớp độ bền C30/37 Eurocode – tương đương cấp B35 (Mác 450) của TCVN.
- Lớp độ bền C35/45 Eurocode – tương đương cấp B45 (Mác 600) của TCVN.
Như vậy để chế tạo kết cấu liên hợp thép - bê tông chỉ được dùng bê tông có Mác
350 trở lên theo TCVN.
2.1.2. Cốt thép
a. Thép thanh
- Theo Eurocode 4 đưa ra 3 mác thép dùng trong kết cấu liên hợp: S220, S400,
S500. Mác S220 là thép trịn trơn cán nóng, cịn các mác S400 và S500 là thép thanh
và trịn có gai (kể cả lưới thép hàn) có tính ma sát lớn.
- Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 dùng cho kết cấu là CI, CII, A-I,
A-II, A-III.
Các đặc trưng cơ học, về cơ bản giống Eurocode 4. Khi thiết kế có thể dùng giá
trị giới hạn đàn hồi làm cơ sở để tính toán theo các công thức của Eurocode 4.
b. Thép kết cấu
- Theo Eurocode 4 đưa ra cách tính toán các kết cấu liên hợp được sản xuất từ
thép mác thông thường: S235, S275, S355.
- Theo Tiêu chuẩn Việt Nam, TCVN 5709:1993 dùng trong kết cấu xây dựng.