Header Page 1 of 123.

1

PHẦN MỞ ĐẦU
* Lý do chọn đề tài:
- Kết cấu liên hợp thép bêtông là kết cấu sử dụng thép hình kết hợp với
bêtông để làm kết cấu chịu lực cho công trình;
- Kết cấu liên hợp thép - bêtông có những ưu điểm về mặt chịu lực là:
+ Khả năng chịu lực và độ tin cậy cao: Kết cấu liên hợp thép – bêtông
đã tận dụng được các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lý của cả hai loại vật liệu,
vật liệu thép và vật liệu bêtông.
+ Công năng sử dụng hiệu quả: bản sàn liên hợp có chiều dày mỏng
hơn, dầm liên hợp có thể vượt nhịp lớn hơn, cột liên hợp có tiết diện mảnh
hơn, các kết cấu liên hợp có thể chịu được nhiệt độ cao hơn với thời gian dài
hơn.
+ Hiệu quả kinh tế: So với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu thép thuần
túy thì việc sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép – bêtông sẽ có hiệu quả
kinh tế cao hơn, giảm được trọng lượng thép khoảng 10 - 15%.
- Bên cạnh các ưu điểm đó, kết cấu liên hợp thép bêtông còn có ưu
điểm về khả năng chịu cháy so với kết cấu thép do bêtông còn đóng vai trò
làm lớp vật liệu bảo vệ, làm chậm quá trình tăng và truyền nhiệt trong kết cấu
thép. Với các ưu điểm nêu trên, kết cấu liên hợp thép - bêtông ngày càng được
sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng.
-Việc xác định khả năng chịu lực của kết cấu liên hợp trong điều kiện
cháy là phức tạp do phải kể đến sự biến dạng do nhiệt, sự thay đổi các tính
chất cơ lý của vật liệu khi nhiệt độ tăng cao. Tiêu chuẩn Việt Nam chưa có chỉ
dẫn tính toán, chỉ có tiêu chuẩn nước ngoài có chỉ dẫn như Eurocodes, tiêu
chuẩn Canada, New Ziland… nhưng chỉ tính toán cho các cấu kiện đơn giản
và phải dùng nhiều giả thiết đơn giản hóa thiên về an toàn.


Chương 2: Xác định khả năng chịu lực của kết cấu liên hợp thép
– bêtông trong điều kiện cháy
Chương 3: Ví dụ tính toán

Footer Page 2 of 123.


Header Page 3 of 123.

3

NỘI DUNG
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU LIÊN HỢP
THÉP – BÊTÔNG TRONG ĐIỀU KIỆN CHÁY
1.1. Giới thiệu về kết cấu liên hợp thép – bêtông
Kết cấu liên hợp thép – bêtông là kết cấu mà thép chịu lực có dạng tấm,
thép hình, thép ống kết hợp với kết cấu bêtông. Nó có thể nằm ngoài bêtông
(gọi là thép nhồi bêtông) hay nằm trong bêtông (gọi là kết cấu thép bọc
bêtông) hoặc là cùng nhau làm việc.
Các giải pháp cấu tạo thường được sử dụng đối với loại cấu kiện kết
cấu cột liên hợp là thép định hình, thép tổ hợp hàn dạng chữ H được bọc
bêtông một phần hoặc toàn bộ, hoặc thép ống được nhồi đầy bêtông hoặc
bêtông cốt thép.

Hình 1.1: Một số kiểu tiết diện cột [9]
Đối với cấu kiện sàn liên hợp thì giải pháp sử dụng thường là bản sàn
bêtông cốt thép được đặt lên trên dầm thép hình chữ I. Ngoài ra các tấm tôn
thép sóng được đặt ở mặt dưới của bản sàn bêtông, nằm giữa bản sàn bêtông
và dầm thép hình để đóng vai trò vừa là cốt thép chịu kéo trong quá trình sử
dụng đồng thời là ván khuôn đỡ bêtông tươi trong quá trình thi công.

thường thì kích thước tiết diện yêu cầu của cột là rất lớn, vì thực tế cấp độ
bền của bêtông sử dụng phổ biến cho xây dựng nhà nhiều tầng ở Việt Nam

Footer Page 4 of 123.


Header Page 5 of 123.

5

hiện nay vào khoảng B25 đến B40, tương ứng với cường độ chịu nén tính
toán khoảng 155 đến 215 daN/cm2. Chẳng hạn khi sử dụng giải pháp kết cấu
bêtông cốt thép thuần túy thì kích thước tiết diện cột yêu cầu cho nhà cao 40
tầng xây dựng ở Hà Nội là khoảng 1,5m x 1,5m; tuy nhiên kích thước này có
thể giảm xuống còn khoảng 1m x 1m khi sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp
thép – bêtông. Như vậy, việc ứng dụng giải pháp kết cấu liên hợp sẽ tạo cho
công trình gọn nhẹ và tăng không gian sử dụng.
c. Hiệu quả kinh tế [6]
So với trường hợp chỉ sử dụng kết cấu thép thuần túy thì việc sử dụng
giải pháp kết cấu liên hợp thép – bêtông sẽ có hiệu quả kinh tế cao hơn, giảm
được trọng lượng thép khoảng 10 - 15%. Nếu so sánh với trường hợp chỉ sử
dụng kết cấu bêtông cốt thép thuần túy thì giải pháp kết cấu liên hợp giảm
được trọng lượng của công trình khoảng 10-20%, dẫn đến giảm được kết cấu
móng. Do vậy mặc dù lượng thép dùng trong kết cấu liên hợp là nhiều hơn
một chút nhưng tổng chi phí xây dựng công trình có thể vẫn giảm, đồng thời
tăng nhanh được thời gian thi công để sớm đưa công trình vào sử dụng và
quay vòng vốn.
* Nhược điểm của kết cấu liên hợp thép – bêtông [9]
Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm nổi bật thì kết cấu liên hợp thép –
bêtông đòi hỏi sự gắn kết giữa hai vật liệu bêtông và cốt thép, chính vì vậy

của bản sàn, tăng khả năng truyền lực giữa bêtông và tấm tôn, ngăn cản
chuyển vị của dầm thép trong quá trình lắp dựng. Các chốt liên kết được hàn
sẵn với tấm tôn để tăng khả năng chịu cắt giữa tấm tôn và bản bêtông. Tổng
chiều dày của bản sàn liên hợp ≥ 80mm có thể đến 180mm, tùy theo yêu cầu
chịu tải trọng và khả năng chịu lửa cho bản sàn. Chiều dày của phần bêtông
nằm trên sóng tôn yêu cầu lớn hơn 40mm để nhằm bảo vệ cốt thép và đảm

Footer Page 6 of 123.


Header Page 7 of 123.

7

bảo khả năng chịu lực. Nhịp của bản sàn từ 2,5m đến 4m có thể lên đến 7m
khi sử dụng các cột trụ chống đỡ trong quá trình thi công.
Sàn liên hợp cần được thiết kế đảm bảo đủ khả năng chịu lực trong suốt
giai đoạn thi công và giai đoạn sử dụng khi bêtông đông cứng. Tấm tôn đóng
vai trò là ván khuôn trong quá trình thi công cần được tính toán chịu các loại
tải trọng do trọng lượng bản thân bêtông khi ướt, lưới cốt thép, các thiết bị đổ
bêtông và người thao tác, …Sàn liên hợp cần được kiểm tra tại các vị trí nguy
hiểm có thể xảy ra phá hoại do mômen uốn lớn nhất, do bị trượt dọc và trượt
ngang tại các mặt tiếp xúc giữa tấm tôn và bêtông.
1.2.2. Dầm liên hợp thép – bêtông
a. Giải pháp dầm liên hợp đơn giản và liên tục:
Giải pháp cấu tạo dầm liên hợp đơn giản do chỉ có mômen dương nên
có các ưu điểm sau so với dầm liên hợp liên tục:
- Vùng chịu ứng suất nén dọc trục của bản bụng dầm là rất ít; đồng thời
bản cánh nén được liên kết với bản sàn bêtông cốt thép hoặc bản thép; do vậy
khả năng chịu lực của dầm không phụ thuộc bởi điều kiện mất ổn định của

cấu, bề rộng beff cho toàn bộ tiết diện của dầm được lấy giống nhau theo tiết
diện ở giữa nhịp đối với dầm có các gối tựa ở hai đầu hoặc theo tiết diện gần
gối tựa đối với dầm conxôn.

Hình 1.3: Bề rộng tính toán của dầm liên hợp [6]
Trường hợp có sử dụng tấm tôn sóng định hình (đặt vuông góc với nhịp
dầm) thì chỉ kể đến phần bêtông nằm trên sườn của tấm tôn là chịu lực nén,
bỏ qua tấm tôn định hình và phần bêtông nằm trong sườn.

Footer Page 8 of 123.


Header Page 9 of 123.

9

c. Phân loại tiết diện dầm liên hợp
Bản bụng và bản cánh nén của dầm thép có thể bị mất ổn định cục bộ,
phụ thuộc vào độ mảnh của chúng hw /tw và b0f / tf. Trong thực hành thiết kế,
tuỳ theo cấu tạo tiết diện dầm thép (được bọc bêtông một phần, hoàn toàn,
hoặc không bọc bêtông) và tỷ số hw /tw và b0f / tf, tiết diện dầm liên hợp được
phân thành bốn loại; tiết diện loại cao nhất là loại 1 có khả năng chống ổn
định tốt nhất:
- Tiết diện loại 1: cho phép chảy dẻo hoàn toàn và hình thành khớp dẻo
khi tiến hành phân tích dẻo;
- Tiết diện loại 2: cho phép chảy dẻo nhưng với góc xoay chảy dẻo bị
hạn chế do bêtông bị vỡ hoặc bản thép bị mất ổn định;
- Tiết diện loại 3: cho phép xuất hiện ứng suất lớn nhất đạt tới giới hạn
chảy nhưng tiết diện không được phép chảy dẻo;
- Tiết diện loại 4: cho phép hiện tượng mất ổn định cục bộ xảy ra trước

với E*c là môđun đàn hồi tính toán của bêtông;
(c) Khi kết cấu chịu tải trọng thay đổi thì sử dụng hệ số n0=Ea /Ecm với
Ecm là môđun cát tuyến của bêtông khi chịu tải trọng ngắn hạn;
Các giá trị độ cứng trong trường hợp (b) và (c) thay đổi theo dấu của
mômen uốn.
Thực tế theo chiều dài của dầm, bêtông có thể bị nứt hoặc không
nứt. Thường bêtông ở các tiết diện gần gối tựa dầm nứt nhiều hơn so
với ở các tiết diện giữa dầm. Để đơn giản có thể áp dụng phương pháp
phân tích coi bêtông không nứt cho toàn bộ các tiết diện của dầm, rồi
sau đó sử dụng hệ số giảm mômen ở các tiết diện gần gối dầm và tương
ứng tăng mômen ở tiết diện giữa nhịp dầm để đảm bảo nguyên tắc cân
bằng tĩnh.
Phương pháp phân tích dẻo chỉ áp dụng trong trường hợp dầm liên
hợp có tiết diện loại 1 tại các vị trí hình thành khớp dẻo và loại 1 hoặc
loại 2 ở các tiết diện khác nằm ngoài phạm vi hình thành khớp dẻo.
Khả năng xoay dẻo tại khớp dẻo bị hạn chế do bêtông vỡ hoặc thép
mất ổn định và phụ thuộc vào kích thước tiết diện, hình dạng biểu đồ
quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu, cơ chế hình thành

Footer Page 10 of 123.


Header Page 11 of 123.

11

khớp dẻo trong hệ kết cấu là một quá trình liên tục, khi mômen uốn tại
một tiết diện lớn hơn mômen uốn dẻo thì tại đó sẽ hình thành khớp
dẻo. Khớp dẻo đầu tiên xuất hiện phải đảm bảo duy trì đủ khả năng
chịu lực và khả năng biến dạng dẻo cho phép đến khi khớp dẻo cuối


hệ số điều chỉnh để làm giảm khả năng chịu lực của dầm liên hợp. Các
biểu thức xác định khả năng chịu mômen uốn của dầm liên hợp tương
ứng với các vị trí khác nhau của trục trung hoà được xây dựng từ các
điều kiện cân bằng tĩnh cho từng tiết diện.

Hình 1.4: Biểu đồ phân bố ứng suất pháp trên tiết diện dầm liên hợp [6]
Đối với tiết diện loại 3 và loại 4 thì sử dụng phương pháp phân
tích đàn hồi có kể đến ảnh hưởng từ biến của bêtông. Trong thực hành
thiết kế để tận dụng hết khả năng làm việc của vật liệu thép thì tiết diện
dầm liên hợp loại 1 và loại 2 thường hay sử dụng, đặc biệt cho các
vùng của dầm chịu mômen âm và hình thành khớp dẻo.
f. Xác định khả năng chịu cắt
Thực tế bản sàn bêtông của dầm liên hợp có thể chịu một phần lực
cắt. Tuy nhiên rất khó để xác định chính xác phần tham gia chịu lực cắt
của bản sàn bêtông vì phụ thuộc vào mức độ làm việc liên tục qua gối
tựa, mức độ bêtông bị nứt và chi tiết liên kết bản sàn bêtông với dầm
thép. Do vậy để đơn giản coi lực cắt chỉ do dầm thép chịu, bỏ qua tác
dụng liên hợp.
1.2.3. Cột liên hợp thép – bêtông
a. Độ cứng uốn tương đương

Footer Page 12 of 123.


Header Page 13 of 123.

13

Độ cứng uốn tương đương của tiết diện cột liên hợp được xác

: là cường độ chảy tiêu chuẩn của thép kết cấu

fsk

: là cường độ chảy tiêu chuẩn của cốt thép

fck

: là cường độ nén tiêu chuẩn ở 28 ngày của bêtông

Ncr

: là lực nén đàn hồi tới hạn

L

: là chiều dài giữa hai điểm ngăn cản chuyển vị ngang của cột

c. Phương pháp phân tích xác định nội lực thiết kế
Nội lực thiết kế trong cột thường được xác định theo phương

Footer Page 13 of 123.


Header Page 14 of 123.

14

pháp phân tích đàn hồi tuyến tính có xét đến các ảnh hưởng tương tác
P-∆ và do sai lệch kích thước hình học (imperfection effect), làm tăng

15

kimp = 1 /(1 - N Ed / N cr ,eff )
Trong đó:
NEd

: là lực dọc trục

M1, Ed : là mômen uốn lớn hơn ở hai đầu cột
kend

: là hệ số xét đến ảnh hưởng của tương tác P-∆; kend < 1

kimp

: là hệ số do sai lệch kích thước hình học; kimp >1

Hình 1.5: Xác định nội lực thiết kế của tiết diện cột liên hợp [6]
a) không kể ảnh hưởng của P-∆ ; b) có kể ảnh hưởng của P-∆
d. Xác định khả năng chịu lực
Khả năng chịu lực của cột liên hợp được xác định dựa trên những
giả thiết sau:
- Tương tác qua lại giữa thép kết cấu và bêtông được coi là hoàn
toàn và chúng cùng làm việc như một hệ thống nhất cho đến khi cột
liên hợp bị phá hoại. Có nghĩa là coi ma sát và các chi tiết chốt neo đặt
tại mặt tiếp xúc giữa thép kết cấu và bêtông đủ để ngăn cản lực trượt
tương đối giữ a chúng;
- Mặt cắt ngang của cột liên hợp khi bị biến dạng được coi là
phẳng; điều này cũng tương tự như tính toán đối với các cấu kiện thép kết
cấu và bêtông cốt thép;


Footer Page 16 of 123.


Header Page 17 of 123.

17

1.3. Kết cấu liên hợp thép – bêtông trong điều kiện cháy
1.3.1. Các đặc tính của vật liệu thép, vật liệu bêtông dưới tác động của nhiệt
độ cao [13]
a. Đặc tính của vật liệu thép dưới tác động của nhiệt độ cao
* Mối quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu thép ở nhiệt độ cao:
Các loại vật liệu xây dựng đều giảm cường độ và độ cứng khi chúng
chịu nhiệt độ cao của đám cháy. Đối với thép, cường độ bắt đầu giảm ở nhiệt
độ trên 3000C và giảm theo một tốc độ ổn định đến khoảng 8000C. Thực tế
thép chỉ còn khoảng 23% cường độ ban đầu ở 7000C, 11% cường độ ban đầu
ở 8000C, 6% cường độ ban đầu ở 9000C, phần cường độ còn lại sẽ tiếp tục
giảm dần đến khi xuất hiện hiện tượng chảy lỏng ở 15000C, toàn bộ quá trình
này được thể hiện ở đường cong ứng suất – biến dạng. Để xây dựng các
đường cong thể hiện mối quan hệ của ứng suất – biến dạng của thép ở một
nhiệt độ nhất định, người ta xuất phát từ phương trình thể hiện trạng thái làm
việc đàn hồi tuyến tính của thép, từ đó dựa trên một loạt các thí nghiệm điều
chỉnh ở dạng tiếp tuyến với phần ellipse mà tại đó hệ số góc của nó bằng 0.
Dạng đường cong và các thông số điển hình đặc trưng cho trạng thái làm việc
của vật liệu thép ở một nhiệt độ cao θ cho trước thể hiện trên hình 1.7.
Trong đó:
fy,θ

: giới hạn chảy hiệu quả

18

σ

f y,θ

f p,θ

Ea,θ = tanα
α

ε p,θ

ε y,θ

ε t,θ

ε u,θ

ε

Hình 1.7: Các thông số đặc trưng cho trạng thái làm việc của vật liệu thép ở
một nhiệt độ θ cho trước [13]
øng suÊt (N/mm2)
300
200 C
0
200 C
250
0


1,0

1,5

2,0
BiÕn d¹ng (%)

Hình 1.8: Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu thép trong điều
kiện chịu nhiệt độ cao theo EC [13]
Mục đích của việc nghiên cứu sự làm việc của kết cấu thép khi chịu tác
động của cháy là xác định cường độ thiết kế cho vật liệu hay xác định độ
giảm cường độ so với cường độ của vật liệu làm việc trong điều kiện bình

Footer Page 18 of 123.


Header Page 19 of 123.

19

thường. Dựa vào các kết quả nghiên cứu thu được, EC đã đưa ra giá trị các hệ
số suy giảm môđun đàn hồi kE,θ, giới hạn chảy ky,θ và giới hạn tỷ lệ kp,θ của
vật liệu thép ở một nhiệt độ θ nhất định, theo bảng và hình sau:
Bảng 1.1: Giá trị các hệ số suy giảm môđun đàn hồi, giới hạn chảy và giới
hạn tỷ lệ của vật liệu thép ở nhiệt độ θ [13]
Nhiệt độ θ (0C)

kE,θ= Ea,θ/Ea


0,8000

1,00

0,6130

400

0,7000

1,00

0,4200

500

0,6000

0,78

0,3600

600

0,3100

0,47

0,1800


0,0250

1100

0,0225

0,02

0,0125

1200

0,0000

0,00

0,0000

* Hệ số giãn nở vì nhiệt của vật liệu thép
EC xem độ giãn dài tương đối ∆l/l của kết cấu ở một nhiệt độ nhất định
từ 200C đến nhiệt độ dưới ngưỡng của sự đổi pha của thép là một hàm nhiệt
độ:

∆l/l = 1,2.10-5θa + 0,4.10-8θa2 – 2,416.10-4

Trong đó:
l

: là chiều dài ban đầu ở nhiệt độ 200C của cấu kiện khảo sát



8

4
0
θa( C)

0

20

200

400

600

800

1000

1200

Hình 1.9: Sự biến thiên độ giãn dài vì nhiệt của thép theo nhiệt độ [13]

Footer Page 20 of 123.


Header Page 21 of 123.


1200

Hình 1.10: Sự biến thiên dẫn nhiệt của thép theo nhiệt độ (theo EC) [13]
Khi 200C ≤ θa ≤ 6000C thì:
Ca = 425 + 7,73.10-1θa - 1,6.10-3θa2 + 2,2.10-6θa3 (J/kgK)
Khi 6000C ≤ θa ≤ 7350C thì: Ca = 666 + 13002/(1-θa) (J/kgK)
Khi 7350C ≤ θa ≤ 9000C thì: Ca = 545 + 17820/(θa - 731) (J/kgK)
Khi 9000C ≤ θa ≤ 12000C thì: Ca = 650 (J/kgK)
Để đơn giản, một trị số trung bình bằng 600J/kgK được lấy là giá trị đặc
trưng trong các công thức tính toán đối với vật liệu thép.
* Tính dẫn nhiệt của vật liệu thép:
Tính dẫn nhiệt (λa) được định nghĩa là lượng nhiệt truyền qua một đơn
vị diện tích tiết diện ngang của vật liệu trong một đơn vị thời gian tương ứng
với một đơn vị nhiệt (tức là 10C hoặc 1K thay đổi trên một đơn vị chiều dài).
Thông số này ít quan trọng hơn đối với thép so với các vật liệu bảo vệ bởi
tính dẫn nhiệt của thép rất lớn, lớn hơn 50 lần so với bêtông và 500 lần so với

Footer Page 21 of 123.


Header Page 22 of 123.

22

xi măng khoáng (một loại vật liệu bảo vệ điển hình). Mặc dù tính dẫn nhiệt
cũng biến thiên theo nhiệt độ:
Khi 200C ≤ θa ≤ 8000C thì: λa = 54 – 3,33 10-2θa (W/mK)
Khi 8000C ≤ θa ≤ 12000C thì: λa = 27,3 (W/mK)
Nhưng EC sử dụng một giá trị không đổi là 45 W/mK cho các tính toán đơn
giản.

0,2

0

800 C

0,1
0

0

1000 C
1

BiÕn d¹ng (%)
2

3

4

Hình 1.11: Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu bêtông trong
điều kiện chịu nhiệt độ cao [13]
Bêtông cũng giảm cường độ khi nhiệt độ tăng. Tuy nhiên, dạng của
đường cong thể hiện mối quan hệ ứng suất – biến dạng của bêtông ở những
nhiệt độ khác nhau (hình 1.11) thì có sự khác biệt đáng kể so với biến dạng
của biểu đồ vật liệu thép. Tất cả các đường cong này đều đạt cường độ chịu

Footer Page 22 of 123.


20

1,000

1,000

0,0025

100

1,000

1,000

0,0040

200

0,950

1,000

0,0055

300

0,850

1,000


0,052

0,0250

800

0,150

0,040

0,0250

900

0,008

0,028

0,0250

1000

0,004

0,016

0,0250

1100



θmax = 700 0C

(1)

15

(3)
10

(4)

(2)

5

BiÕn d¹ng (%)
0

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

nhiệt và nhiệt độ trong bêtông được thể hiện ở hình 1.13
4,5

HÖ sè gi·n në v× nhiÖt /0 C (x10-5)

4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
NhiÖt ®é ( 0C)
0

100

200

300

400

500

600

700