1
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU 1.1-Giới thiệu chung về kết cấu liên hợp bê tông-thép
Kết cấu liên hợp bê tông-thép (composite construction) là sự kết hợp của bê
tông - thép kết cấu và cốt thép thành một thể thống nhất làm việc đồng thời với
nhau
1
. Nó đã được nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới trong những năm đầu của
thập niên 1920, hiện nay nó được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình dân
dụng, công nghiệp và hạ tầng giao thông.
Sử dụng kết cấu liên hợp không những tăng khả năng chịu lực, độ cứng, độ dai
của kết cấu mà còn bảo đảm các yếu tố về kiến trúc, kinh tế, tính ứng dụng cao. Kết
cấu liên hợp có nhiều ưu điểm hơn so với kết cấu bê tông cốt thép truyền thống đó
là giảm được kích thước dầm có nhịp lớn, bản sàn mỏng, có thời gian thi công
nhanh do đó tiết kiệm được chi phí, sớm đưa công trình vào sử dụng. So với kết cấu
thép thông thường, kết cấu liên hợp giảm được các nguy cơ gây bất ổn định.
Việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển kết cấu liên hợp hiện đang được nhiều
quốc gia quan tâm, trên thế giới cũng như Việt Nam hiện nay đã có các công trình
sử dụng kết cấu liên hợp vì ưu điểm của nó là có độ cứng hình học lớn và khả năng
chịu lực cao hơn so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường. Chẳng hạn như tòa
nhà Major Bank cao 35 tầng ở thành phố Dallas bang Texas, trụ sở của Citibank ở
Duisburg - Đức. Ở Việt nam công trình sử dụng kết cấu bê tông thép điển hình là
trung tâm thương mại Diamond Plaza tọa lạc tại trung tâm Tp HCM. Gần đây các
công trình cầu vượt mới được thi công ở Hà nội cũng sử dụng kết cấu liên hợp,
trong khi luận văn này đang được thực hiện thì nhà thầu Freyssiness của Pháp đang
1
tông và thép đóng vai trò khối chịu tải trọng tác tộng từ bên ngoài. Liên kết (shear
connector) đóng vai trò truyền lực giữa hai khối trên và đảm bảo chúng làm việc
đồng thời. Trong thực tế thiết kế và xây dựng công trình hiện nay, chi tiêt liên kết
dạng đinh (headed sud) đang được sử dụng phổ biến cho các loại kết cấu. Hình 1.3.
minh họa một kết cấu dầm vượt nhịp lớn có sử dụng liên kết đinh.
Hình 1.3: Dầm cầu thi công bằng liên kết dạng đinh
4
Trong quá trình sử dụng liên kết đinh mũ (head stud connector) đã xuất hiện
một số bất lợi chẳng hạn như các yêu cầu về thiết bị hàn khi thi công tại hiện
trường. Vật liệu thép cho liên kết đinh tán bắt buộc phải có cường độ cao hơn thép
kết cấu, điều này dẫn đến các khó khăn khi nhiều nơi chưa thể tự sản xuất loại thép
này. Những điều này đã thôi thúc các kỹ sư và nhà nghiên cứu tìm kiếm các giải
pháp thay thế cho liên kết đinh mũ.
Dạng liên kết perfobond là một giải pháp thay thế cho liên kết kiểu đinh mũ sử
dụng trong kết cấu dầm, perfobond được đề nghị bởi LEONHARDT và cộng sự từ
thập niên 80 [2], đến nay nó đã nhận được sự quan tâm của giới kỹ sư công trình và
các nhà nghiên cứu. Sản phầm dầm liên hợp VFT-WIB [3] của công ty SSS
Engineer (Đức) đã đưa vào ứng dụng liên kết perfobond cho dầm vượt nhịp khẩu độ
lớn. Hiện nay nó đang được sử dụng ở một số quốc gia trên thế giới. Theo đó dầm
cầu được chế tạo bởi dầm thép tiết diện I hay T ngược và liên kết perfobond hình
dạng mở được cắt trực tiếp từ bản bụng của dầm thép hoặc hàn vào bản cánh dầm
như hình 1.4a, điều này dẫn đến thuận lợi cho việc lắp đặt cốt thép tương đối dễ
dàng hình 1.4b.
a) Dầm cầu sau khi được cắt
b) Lắp đặt cốt thép
Hình 1.4: Dầm cầu thi công bằng liên kết dạng perfobond
trong dầm liên hợp bê tông - thép sẽ được thực hiện trong nghiên cứu này. Chương
trình thí nghiệm được tiến hành với thiết kế của perfobond có hình dạng gần giống
với chữ Ω, các nhóm mẫu khác nhau sẽ được khảo sát nhằm đánh giá các yếu tố
liên quan đến cơ chế truyền lực, dạng phá hoại và khả năng chịu lực của liên kết
perfobond. Mỗi nhóm mẫu thí nghiệm sẽ được thay đổi các thông số mục tiêu. Bên
cạnh thí nghiệm, mô hình phần tử hữu hạn ba chiều cũng được thực hiện để mô
phỏng sự làm việc của liên kết. Ngoài ra mô phỏng số cũng nhằm đánh giá những
yếu tố ảnh hưởng đến sức chống cắt của liên kết mà thí nghiệm chưa thực hiện
được.
Liên kết perfobond được khảo sát trong nghiên cứu này được áp dụng giới hạn
cho loại dầm liên hợp có dầm thép định hình tiết tiện chữ I. Các giả thiết về phá
hoại do lực cắt theo phương vuông góc với trục dầm sẽ không được xét đến. Ngoài
ra bất ổn định của dầm thép cũng không được đề cập đến.
1.4- Nội dung và ý nghĩa của đề tài
1.4.1- Nội dung nghiên cứu
Với những vấn đề được trình bày ở phần trước về kết cấu liên hợp, đề tài tiến
hành khảo sát ứng xử của liên kết, bao gồm những vấn đề sau:
Tính toán khả năng chịu lực cắt của liên kết.
Đánh giá độ mềm của liên kết.
Khảo sát dạng phá hoại của liên kết gồm phá hoại của thép, liên kết
chống cắt, đường hàn và bê tông.
1.4.2- Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học của đề tài
Trong những năm gần đây, kết cấu liên hợp ngày càng được ứng dụng ở Việt
Nam, tuy nhiên những nghiên cứu về vấn đề liên quan đến loại kết cấu này chưa
nhiều. Nhằm mục đích nghiên cứu loại liên kết có thể áp dụng tại Việt Nam, đề tài
7
giới thiệu liên kết chống cắt dạng perfobond sử dụng trong liên kết dầm sàn liên
TỔNG QUAN
2.1- Liên kết chống cắt trong kết cấu liên hợp bê tông – thép
2.1.1- Tổng quan
Kết cấu liên hợp là sự kết hợp của bê tông cốt thép và kết cấu thép (gọi
chung là thép hình), phần thép định hình có thế có dạng tấm, thanh định hình hay
ống . . . Trong tổng thể công trình kết cấu liên hợp được dùng cho các cấu kiện chịu
lực như dầm, sàn, cột, dàn vòm hay các chi tiết liên kết ở các vị trí chịu lực đặc biệt.
Thông thường phần thép hình có thể nằm ngoài bao lấy bê tông hoặc được đặt bên
trong tiết diện.
a) Dầm liên hợp
b) Cột sử dụng thép hình
c) Sàn liên hợp
Hình 2.1: Ứng dụng của kết cấu liên hợp bê tông thép [1]
9
Hình 2.1a và 2.1b mô tả một số dạng điển hình của tiết diện kết cấu liên hợp,
hình 2.1c thể hiện một ứng dụng của kết cấu liên hợp trong hệ dầm sàn mà đang
được sử dụng phổ biến ở nước ta hiện nay [1].
Kết cấu liên hợp đang được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình nhờ bố
trí tối ưu về khả năng chịu lực của mỗi loại vật liệu thành phần. Bê tông và cốt thép
là hai loại vật liệu hoàn toàn khác nhau nhưng khi trong cùng một kết cấu thì lại bổ
sung cho nhau. Như chúng ta đã biết, bê tông làm việc hiệu quả khi chịu nén và
ngược lại thép hiệu quả khi chịu kéo. Sự kết hợp giữa bê tông và thép sẽ làm tăng
Không tương tác (no interaction): chuyển vị trượt tương đối giữa bê tông và
thép tại mặt tiếp xúc là không giới hạn; hầu như không có sự truyền lực cắt. Tải
trọng phá hoại P
u
nhỏ nhất, phá hoại là chuyển tiếp (progresive).
Tương tác bán phần (partial interaction): trượt giữa bê tông và thép tại
mặt tiếp xúc khác không nhưng có giới hạn. Lực cắt được truyền một phần và P
u
nằm giữa hai giá trị trên. Phá hoại có thể là dòn hoặc dẻo.
Nhằm làm rõ hơn ứng xử của dầm, xét dầm có chiều dài L chịu tải trọng
phân bố đều, có dạng phá hủy mô tả như hình 2.4a [4]. Kết quả tính biến dạng trượt
và chuyển vị được mô tả như hình 2.4b,c cho thấy rằng, tại vị trí giữa dầm, chuyển
vị đạt giá trị lớn nhất, biến dạng trượt bằng không. Ngược lại, tại vị trí cuối dầm,
gần vị trí gối tựa thì chuyển vị bằng không còn biến dạng trượt đạt giá trị lớn nhất.
Đường nét liền mô tả kết quả của dầm không sử dụng liên kết chống cắt (no
11
interaction), đường nét đứt mô tả kết quả của trường hợp tính toán loại tương tác
bán phần (partial interaction). Điều đó chứng tỏ rằng liên kết chống cắt giúp tăng độ
cứng cho dầm nếu chúng làm việc hiệu quả. Hình 2.4: Biến dạng, chuyển vị và trượt của dầm [4]
Sự trượt giữa dầm và sàn phụ thuộc vào mức độ chống cắt của liên kết. Hình
2.5 biểu diễn mức độ trượt giữa dầm và sàn khi có và không có liên kết.
b) Slip train
12 Hình 2.5: Ảnh hưởng của lực cắt [1]
2.1.2- Các giai đoạn làm việc của dầm liên hợp
Sự làm việc của kết cấu được minh họa theo hình 2.6, được chia thành 3 giai
đoạn sau [5]:
Hình 2.6: Các giai đoạn chịu tải của dầm liên hợp [5]
Giai đoạn 1:
Khi tải trọng còn nhỏ, bê tông và thép làm việc đàn hồi, ứng suất và biến
dạng là tuyến tính. Liên kết giữa chúng chịu lực cắt nhỏ. Dầm bị biến dạng ít nên
ứng suất tại giữa nhịp dầm phân bố dạng đường thẳng như hình 2.6a
13
Theo biểu đồ biến dạng, nếu sàn đủ dày thì trục trung hòa sẽ nằm trong bê
tông, như vậy một phần bê tông chịu kéo. Ngược lại, khi bản sàn mỏng thì trục
trung hòa nằm trong phần dầm thép thì lúc này phần phía trên chịu nén.
Giai đoạn 2
Khi tải trọng tiếp tục tăng, ứng suất cắt giữa thép và bê tông tăng làm tăng
biến dạng liên kết. Biến dạng này làm tăng biến dạng tổng thể của dầm. Hình 2.6b
biểu diễn ảnh hưởng của biến dạng trượt đến sự phân bố ứng suất và biến dạng của
dầm. Ở giai đoạn này dầm liên hợp được thiết kế liên kết loại một phần. Tuy nhiên
biến dạng trượt rất nhỏ và có thể bỏ qua.
Giai đoạn 3
Thép đạt đến giới hạn chảy, vùng dẻo phát triển và sau đó toàn bộ tiết diện
thép bị chảy dẻo. Quá trình này cũng xảy ra tương tự như với bê tông, biểu đồ ứng
suất biến dạng như hình 2.6c.
Khi biến dạng phát triển gây ra ứng suất quá lớn sẽ làm phá hoại giòn tại bề
kết hoàn toàn có độ cứng tuyệt đối. Tuy nhiên trong thực tế không có liên kết cắt
cứng hoàn toàn vì hầu như xảy ra sự trượt ở mặt tiếp xúc. Độ dai của liên kết cho
phép phân phối lại lực cắt dọc ở bề mặt tiếp xúc như hình 2.7b.
Beam section
Elastic stress
Ultimate plastic stress
a) No connection
a) Full connection
Strain
Strain
Bending stress Shear stress
Bending stress Shear stress
15
Trường hợp lực cắt dọc theo mặt tiếp xúc được ngăn cản bởi liên kết chống
cắt thì ứng suất tại mặt tiếp xúc là như nhau, khi đó dầm làm việc như kết cấu liên
hợp hoàn chỉnh.
Nếu xét trường hợp sử dụng liên kết hoàn toàn trong dầm liên hợp và dầm
làm việc trong giai đoạn đàn hồi, gọi T là lực trượt trên một đơn vị chiều dài tại vị
trí giữa bê tông và dầm thép, thì T được tính theo công thức [6]:
(2.1)
Với V : Lực cắt theo phương đứng tại điểm tính toán
I : moment quán tính của tiết diện tương đương
S : moment tĩnh của tiết diện bản bê tông và tiết diện thép lấy đối
với trục trung hòa
2.1.4- Ứng xử của liên kết chống cắt:
Khi tải trọng tăng, lực cắt dọc vị trí tiếp xúc tăng. Dầm đơn giản chịu tải
phân bố đều, lực cắt dọc đơn vị được tính theo công thức (2.1). Theo công thức trên
lực cắt dọc tỷ lệ với lực cắt đứng nên lực cắt của liên kết ở vị trí đầu dầm là lớn
nhất. Hình 2.8 mô tả ứng xử của liên kết chống cắt trong dầm.
u
slip
Ductile connector
Non ductile connector
1
P
Rk
2
1
2
1
2
1
u
2
17
Liên kết cắt đóng vai trò truyền lực từ sàn bê tông sang dầm thép bằng cách
khống chế sự trượt tương đối giữa bản bê tông và dầm thép khi chịu lực uốn. Cấu
tạo của liên kết cắt ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng làm việc của kết cấu dầm. Có
rất nhiều yếu tố quyết định khả năng chịu lực của dầm như cường độ đường hàn, vật
liệu kết cấu thép và bê tông xung quanh liên kết. Tùy thuộc vào sự phân bố lực cắt
và dạng đường quan hệ giữa khả năng chịu lực và biến dạng. Liên kết chống cắt
được phân thành 2 loại: dai hoặc không dai được minh họa ở hình 2.9.
Theo EC4 (điều số 6.6.1.1) [6], một liên kết được gọi là dẻo khi nó có khả
năng biến dạng đủ khi chịu trượt để phù hợp giả thiết làm việc dẻo hoàn toàn của
liên kết khi trượt. Đường cong P- hiển thị quan hệ giữa lực và biến dạng trượt
tương đối giữa bê tông và thép được xác định bằng thí nghiệm pust-out. Biến dạng
Hình 2.11: Các loại liên kết khác [2] [9]
Hình 2.12: Mặt cắt qua liên kết bản sàn và cánh trên dầm thép [10]
19
2.1.5- Sự truyền lực cắt trong liên kết
Trong các loại liên kết kể trên thì liên kết chống cắt dạng đinh (head stud)
được tiến hành nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, SLOBODAN
RANKOVIC, DRAGOLIJUB DRENIC [11] đã tiến hành nghiên cứu và minh họa việc
truyền lực cắt trong liên kết chống cắt dạng đinh. Theo đó, dưới tác dụng của tải
trọng, lực cắt P xuất hiện và truyền từ chân của liên kết cắt vào bản bê tông như
hình 2.13.
Hình 2.13: Sự phân bố lực cắt của liên kết dạng đinh [11]
Lực P
w
xuất hiện với góc nghiêng nhỏ phía trên đường hàn liên kết chốt và
cánh dầm thép. Với sự gia tăng áp lực trong bê tông, tại chân của liên kết cắt bê
tông bị vỡ ra và lực cắt được truyền vào thân của chốt liên kết thông qua lực P
B
.
Điều này gây ra biến dạng dẻo do uốn trong thân chốt và nó cũng làm xuất hiện lực
kéo trong chốt mà ngăn cản sự tách rời. Do lực kéo này trong liên kết cắt mà phát
sinh ứng suất kéo trong bê tông, nhất là tại đầu của chốt liên kết.
Bên cạnh đó lực kéo trong chốt còn làm xuất hiện lực ma sát tại vị trí tiếp xúc
giữa bê tông và cánh trên của dầm thép (lực P
B
21
vuông góc với dầm thép, nội dung chính của bài báo là phát triển mô hình phần tử
hữu hạn nhằm khảo sát ứng xử của liên kết. Phần mềm ABAQUS được sử dụng, kết
quả mô phỏng được so sánh với các công thức tính toán cường độ liên kết theo
AISC, BS 5950 và EC4. Trong nghiên cứu của mình các tác giả đã đưa ra các biểu
đồ lực – chuyển vị cũng như phân tích sự ảnh hưởng của các yếu tố đến khả năng
chịu lực của liên kết như là: cường độ bê tông, kích thước tấm tôn, đường kính và
chiều cao của chốt. Kết quả cho thấy, khả năng chịu lực của liên kết được tính toán
theo tiêu chuẩn AISC và BS 5950 cao hơn so với mô phỏng khoảng 25%. Trong khi
đó, kết quả tính bằng EC4 tương đối gần với mô phỏng nhất, chênh lệch không
nhiều.
A.L.SMITH, G.H.COUCHMAN [15] đã tiến hành thí nghiệm PO trên 27 mẫu sử
dụng liên kết chống cắt dạng đinh, trong đó có sử dụng tấm tôn định hình. Theo đó,
nếu sử dụng hai đinh liên kết tại một vị trí thì khả năng chịu lực tăng khoảng 16%
so với việc chỉ dùng một đinh. Ngoài ra, khi sử dụng lưới thép đặt dưới đầu đinh thì
khả năng chịu lực sẽ tăng khoảng 30% so với trường hợp đặt dưới lớp bảo vệ tính từ
mặt sàn cho cả hai trường hợp đặt một và hai đinh.
M. M. ABBASS và các cộng sự [16] nghiên cứu cường độ và ứng xử của liên
kết dạng đinh dùng cho sàn bê tông cốt thép, thí nghiệm với 7 mẫu khác nhau về
đường kính của chốt và cường độ bê tông. Kết quả cho thấy khi tăng đường kính
chốt liên kết và cường độ bê tông thì khả năng chịu cắt của liên kết cũng tăng. Khi
tải trọng còn thấp thì biến dạng trượt tương đối nhỏ, tại vị trí đạt 80% tải lớn nhất
thì biến dạng tăng nhanh cùng với sự phá hủy ở bản bê tông.
SHERVIN MALEKIN và SAMAN BAGHERI [17] nghiên cứu ứng xử của liên
kết chống cắt dạng chữ C trong các trường hợp sử dụng bê tông thường, bê tông cốt
thép và bê tông sợi. Thí nghiệm tiến hành trên 9 mẫu dưới tác dụng của tải trọng
thường và 7 mẫu với tải trọng lặp. Sự phá hoại của mẫu xảy ra chủ yếu xảy ra trong
bê tông và ứng xử của liên kết được xếp vào loại liên kết dai, phân tích được mức
độ ảnh hưởng của các loại sợi cũng như hàm lượng cốt thép đến khả năng chịu lực
lực của liên kết và từ đó đưa ra được phương trình tính toán khả năng chống cắt q
u
của liên kết.
Hai tác giả ISABEL VALENTE, PAULO J.S.CRUZ [2] đã thực hiện khảo sát thực
nghiệm sự trượt giữa bê tông và thép khi sử dụng liên kết dạng perfobond đóng kín
với bê tông nhẹ (hình 2.16). Thí nghiệm được tiến hành với 4 nhóm mẫu, các thông
số được sử dụng là cường độ bê tông, hàm lượng cốt thép đặt trong liên kết và
khoảng cách các lỗ. Phá hoại của mẫu chủ yếu xảy ra trong bê tông, liên kết hầu
như không bị phá hoại. Chương trình thí nghiệm nhằm đánh giá ứng xử của liên kết,
đồng thời so sánh với kết quả tính từ công thức thực nghiệm của OUGUEJIOFOR và
HOSAIN đã nghiên cứu trước đó. Kết quả cho thấy tải phá hoại tính bằng công thức
này nhỏ hơn so với giá trị thực nghiệm khoảng 20%. Bên cạnh đó, việc sử dụng liên
kết perfobond với bê tông nhẹ cho kết quả độ dai liên kết rất nhỏ (
u
=1,39÷2,2mm).
Hình 2.16: Hình dạng mẫu thí nghiệm [2]
PETER CHROMIAK, JIRI STUDNICKA [21] đã tiến hành thí nghiệm với dạng
perfobond như hình 2.17 với dạng kích thước liên kết như hình 2.17a,b và mẫu thí
nghiệm chuẩn bị như hình 2.17c.
24
Theo đó thí nghiệm PO được tiến hành trên 12 mẫu với đường kính lỗ 32mm
và 16 mẫu với đường kính 60mm. Loại liên kết này cho biến dạng trượt u khoảng
1,8 đến 2,2 mm. (a) Đường kính lỗ 60mm
200mm thì khả năng chịu cắt tăng 26% và giá trị này cũng tăng khi thay đổi hình
dạng từ 2 lỗ sang 4 lỗ.
Hình 2.19 mô tả dạng phá hoại sau khi kết thúc thí nghiệm, vết nứt xuất hiện
đầu tiên dọc theo bản bê tông và càng được mở rộng khi tải tăng, tuy nhiên đối với
T-perfobond thì vùng nứt tập trung gần vị trí liên kết hơn.
Copyright: Tài liệu đại học ©