Báo cáo nghiên cứu khoa học: "GIẢI PHÁP KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG CHO NHÀ NHIỀU TẦNG Ở VIỆT NAM"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Halinh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

147
lượt xem 42
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Kết cấu liên hợp thép bêtông đã và đang được sử dụng khá hiệu quả ở nhiều nước trên thế giới trong việc xây dựng các công trình nhà nhiều tầng và nhà khung nhịp lớn, do loại kết cấu này tận dụng được các ưu điểm riêng về đặc trưng cơ lý của cả hai loại vật liệu phổ biến thép và bêtông.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo nghiên cứu khoa học: "GIẢI PHÁP KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG CHO NHÀ NHIỀU TẦNG Ở VIỆT NAM"

GIẢI PHÁP KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG CHO NHÀ NHIỀU TẦNG Ở VIỆT NAM TS. ĐINH VĂN THUẬT, PGS. TS. PHẠM VĂN HỘI Trường Đại học Xây dựng T óm tắt: K ết cấu liên hợp thép b êtông đ ã và đ ang được sử dụng khá hiệu quả ở nhiều nước tr ên th ế giới trong việc xây dựng các công trình nhà nhi ều tầng v à nhà khung nhịp lớn, do loại kết cấu này tận dụng đ ược các ư u điểm riêng v ề đặc tr ưng cơ lý của cả hai loại vật liệu phổ biến thép v à bêtông. B ài vi ết này sẽ trình bày t ổng quan về các giải pháp cấu tạo, đặc điểm v à các nguyên t ắc c ơ b ản trong thi ết kế các cấu kiện kết cấu li ên hợp theo tiêu chu ẩn Châu Âu. Đồng thời b ài vi ết cũng trình bày m ột s ố chú ý cần thiết cho việc áp dụng giải pháp kết cấu liên hợp thép bêtông trong thực tế thiết kế nh à nhi ều tầng ở Việt Nam. 1. Mở đầu Nhu cầu xây dựng nhà cao t ầng và nhà siêu cao tầng đang b ùng n ổ mạnh mẽ ở Việt Nam, đặc biệt ở c ác khu đô thị lớn như Hà N ội và TP. H ồ Chí Minh. Khi sử dụng các giải pháp kết cấu b ê tông c ốt thép thông thư ờng, công tr ình nhà cao t ầng đ òi h ỏi kích th ư ớc các cấu kiện kết cấu có thể rất lớn, nặng nề, tốn kém, giảm không gian sử dụng v à gi ảm tính thẩm mỹ. Để khắc phục các như ợc điểm kể trên, gi ải pháp kết cấu li ên h ợp thép bê tông đ ã và đang đư ợc sử dụng phổ biến ở nhiều nư ớc tr ên thế gi ới cho các công t rình nhà nhiều tầng. Mục đích của giải pháp n ày là tận dụng các ư u đi ểm riêng về đặc trưng cơ l ý giữa vật liệu thép và bê tông để tạo ra kết cấu liên h ợp có khả năng chịu lực và độ tin cậy cao, đồng thời tăng c ư ờng khả năng chống cháy. B ên cạnh đó, công tr ình sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp sẽ đáp ứng đ ư ợc công năng sử dụng cao, hiệu quả về kinh tế v à đảm bảo tính thẩm mỹ. Ở nư ớc ta, từ năm 2006 ti êu chuẩn thiết kế kết cấu li ên h ợp thép bêtông đang đư ợc tiến hành nghiên c ứu và biên soạn theo ti êu chu ẩn C hâu Âu [1, 2]. Bài vi ết này sẽ tổng quan các giải pháp cấu tạo, đặc đi ểm và các nguyên t ắc thiết kế c ơ bản cho cấu kiện kết cấu liên h ợp nhằm giúp cho việc xây dựng tiêu chuẩn đ ư ợc hữu hiệu. Đồng thời, bài vi ết sẽ đề cập đến những chú ý cần thiết cho việc áp dụng gi ải pháp kết cấu liên h ợp đối với nh à nhi ều tầng trong điều kiện ở Việt Nam. 2. Đặc điểm của kết cấu liên hợp thép bê tông 2.1. Các gi ải pháp cấu tạo cho kết cấu li ên hợp Kết cấu liên h ợp thép b êtông là loại kết cấu sử dụng thép kết cấu (structura l steel) kết hợp với bêtông ho ặc bêtông c ốt thép để chúng c ùng tham gia chịu lực. Các giải pháp cấu tạo th ư ờng đư ợc sử dụng đối với loại cấu kiện kết cấu cột li ên hợp l à thép định hình, thép t ổ hợp hàn dạng chữ H đư ợc bọc bêtông một phần hoặc toàn bộ, hoặ c thép ống đư ợc nhồi đầy bêtông ho ặc b êtông c ốt thép (hình 1). b = bc bc b = bc a c b cy cy b b cz h = hc h = hc h hc tw y y y tw tw tf tf tf cz z z z e d b f d d t t t y h y y t z z z Hình 1. Các dạng tiết diện cột liên hợp thép bêtông Đối với cấu kiện kết cấu sàn liên h ợp thì giải pháp sử dụng thư ờng là bản s àn bêtông c ốt thép đư ợc đặt lên trên dầm thép hình chữ I. N goài ra các tấm tôn thép sóng c òn đư ợc đặt ở mặt dư ới của bản sàn bêtông, nằm giữa bản sàn bêtông và dầm thép hình đ ể đóng vai tr ò vừa là c ốt thép chịu kéo trong quá trình sử dụng đồng thời l à ván khuôn đỡ bêtông tươi trong quá tr ình thi công (hình 2).
B¶n sµn bª t«ng Cèt thÐp sµn DÇm thÐp Hình 2. Kết cấu sàn liên hợp sử dụng tấm tôn sóng Để thép và bêtông cùng tham gia chịu lực đồng thời, các chốt neo có h ình dạng hợp lý đư ợc hàn tại bề mặt thép kết cấu tiếp xúc với b êtông nh ằm tăng khả năng liên kết to àn kh ối giữa thép hình và bêtông. 2.2. Tính ưu vi ệt của kết cấu li ên hợp a. Khả năng chịu lực v à đ ộ tin cậy cao Kết cấu li ên h ợp thép bêtông đ ã tận dụng đư ợc các ư u điểm riêng v ề đặc tr ưng cơ l ý c ủa cả hai lo ại vật liệu thép và bêtông. Vật liệu thép có c ư ờng đ ộ chịu kéo v à nén cao, khả năng cho phép biến dạng dẻo lớn, độ tin cậy, độ an toàn chịu lực cao nhưng khả năng chịu lửa kém và giá thành lại cao. Trong khi đó vật liệu bêtông m ặc dù chỉ có cư ờng độ chịu nén t ương đối nh ưng lại có tính chịu lửa tốt, giá thà nh rẻ v à đư ợc sử dụng phổ biến. Như vậy, so với tr ư ờng hợp chỉ sử dụng kết cấu bêtông c ốt thép thuần tuý thì việc sử dụng giải pháp kết cấu liên h ợp thép bêtông sẽ đảm bảo tăng khả năng chịu lực và nâng cao đ ộ tin cậy của kết cấu, do bao gồm khả năng chịu lực của cả 2 thành ph ần kết cấu thép hình và bêtông c ốt thép c ùng k ết hợp tham gia chịu lực. H ơn n ữa, nếu so sánh với tr ư ờng hợp chỉ sử dụng giải pháp kết cấu thép thuần tuý thì việc sử dụng kết cấu li ên h ợp thép bêtông ngoài việc l àm tăng khả năng chịu lự c còn t ăng đ ộ cứng ngang, tăng khả năng ổn định v à nâng cao tính chịu lửa. Gi ải pháp kết cấu li ên hợp thép b êtông c ũng đã đư ợc ứng dụng khá hiệu quả trong tr ư ờng hợp kết cấu công tr ình nằm trong vùng có đ ộng đất, do chúng có mức độ ổn định v à đ ộ tin cậy c ao khi chịu tải trọng động. Điều n ày đ ã đư ợc kiểm nghiệm qua thực tế tại nhiều trận động đất lớn, như trận động đất K obe ở N hật Bản năm 1995 hay trận động đất Northridge ở Mỹ năm 1994. b. Công năng s ử dụng hiệu quả Đối với các công trình nhà nhiều tầng, khi chiều cao nhà càng cao và nhịp khung c àng lớn thì n ội lực dọc trục trong cột và mômen trong dầm càng l ớn; lực dọc trong cột có thể lên đến 3000 tấn đối với công trình nhà cao h ơn 30 t ầng. N hư vậy, nếu chỉ sử dụng giải pháp kết cấu b êtông c ốt thép thông thư ờng thì kích thư ớc 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 hiện nay vào khoảng B25 đến B40, tương ứ ng với c ường độ chịu nén tính toán khoảng 155 đến 215 daN/cm2. Chẳng hạn khi sử dụng giải pháp kết cấu bêtông cốt thép (không liên h ợp) thì kích thư ớc 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 thư ớc này sẽ giảm xuống c òn 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 g ọn nhẹ và tăng không gian sử dụng. Mặc dù ở m ột số nư ớc trên thế giới như Nhật Bản, Úc,… đã sản xuất đư ợc bêtông mác siêu cao với cường độ chịu nén có thể vư ợt trên 1000 daN/cm2. Tuy nhiên để sản xuất bêtông đạt đư ợc cư ờng độ cao như vậy và đảm bảo đư ợc mức độ tin cậy thì quy trình sản xuất và kiểm tra chất lư ợng yêu cầu phải đư ợc thực hiện rất nghiêm ngặt về thời gian và công nghệ kỹ thuật. c. Hiệu quả kinh tế So v ới trư ờng hợp chỉ sử dụng kết cấu thép thuần tuý thì việc sử dụng giải pháp kết cấu li ên h ợp thép bêtông s ẽ có hiệu quả kinh tế cao, giảm đ ư ợc trọng l ư ợng thép khoảng 10-15%. N ếu so với trư ờng hợp sử dụng giải pháp kết cấu bêtông c ốt thép th ì giải p háp s ử dụng kết cấu li ên hợp giảm đư ợc trọng lư ợng của công tr ình kho ảng 10- 20%, dẫn đến giảm nhẹ đư ợc kết cấu móng. Do vậy mặc dù lư ợng thép sử dụng trong kết cấu li ên hợp là nhiều h ơn m ột chút nhưng t ổng chi phí xây dựng công trình có th ể vẫn giảm; đồn g th ời tăng nhanh đư ợc thời gian thi công để sớm đưa công tr ình vào s ử dụng v à quay vòng v ốn. 3. Nguyên tắc thiết kế kết cấu liên hợp 3.1. Quy trình thi ết kế Quy trình thiết kế kết cấu li ên hợp thép bêtông nhìn chung c ũng giống như các loại kết cấu khác, đư ợc thực hiện theo các b ư ớc chính sau:
- Lựa chọn sơ bộ hình dạng và kích thư ớc của các tiết diện cấu kiện kết cấu chính (bản sàn, dầm, cột, giằng đứng) và cấu tạo nút khung liên kết (khớp, nửa cứng, cứng). Cấu kiện cột cần đảm bảo không đư ợc quá mảnh. B ước này đư ợc thực hiện chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của người thiết kế và kết quả tính toán sơ bộ; - Ti ến hành phân tích hệ kết cấu nhằm xác định nội lực v à biến dạng của các cấu kiện kết cấu dầm, cột v à nút khung ứ ng với từng tr ư ờng hợp tổ hợp tải trọng gây nguy hi ểm cho kết cấu công tr ình. Khi phân tích hệ kết cấu th ì b ản s àn có th ể đư ợc tính toán riêng rẽ, nh ưng m ột phần bề rộng của tiết diện bản sàn cần đư ợc kể đến để c ùng tham gia làm việc với dầm s àn; - Xác định khả năng chịu lực của các cấu kiện kết cấ u đã chọn và ki ểm tra theo các trạng thái giới hạn về chịu lực và bi ến dạng. 3.2. Sàn liên h ợp Sàn liên hợp thư ờng gồm các tấm tôn đặt ở mặt d ư ới, bên trên nó là lư ới cốt thép v à bêtông đổ tại ch ỗ. Tấm tôn đư ợc cấu tạo theo nhiều hình dạng khác nhau có c ác sư ờn nổi nhằm tăng độ cứng uốn và giảm trọng l ư ợng của bản sàn, tăng kh ả năng truyền lực giữa bêtông và t ấm tôn, ngăn cản chuyển vị ngang của dầm thép trong quá tr ình l ắp dựng. Các ch ốt liên kết đ ư ợc hàn s ẵn với tấm tôn để tăng kh ả năng chịu cắt giữa tấ m tôn và bản b êtông. T ổng chiều dầy của bản s àn liên h ợp ≥ 80 mm và có th ể đến 180 mm, tuỳ theo y êu cầu chịu tải trọng và kh ả năng chịu lửa cho bản sàn. Chiều dầy của ph ần b êtông n ằm trên sóng tôn yêu c ầu lớn hơn 40 mm đ ể nhằm bảo vệ cốt thép và đảm bảo kh ả năng chịu lực. Nhịp bản sàn từ 2,5 m đến 4 m hoặc có thể đến 7 m khi có sử dụng các cột trụ chống đỡ trong quá trình thi công. Sàn liên hợp cần đ ư ợc thiết kế đảm bảo đủ khả năng chịu lực trong suốt giai đoạn thi công v à giai đo ạn sử dụng khi bêtông đô ng cứng. Tấm tôn đóng vai tr ò là ván khuôn trong quá trình thi công c ần đư ợc tính toán chịu các loại tải trọng do trọng l ư ợng bản thân của bêtông ư ớt, lư ới cốt thép, các thiết bị đổ bêtông và ngư ời thao tác,... S àn liên h ợp cần đ ư ợc kiểm tra tại các vị trí n guy hiểm có thể xẩy ra phá hoại do mômen uốn lớn nhất, do bị tr ư ợt dọc và trư ợt ngang tại mặt tiếp xúc giữa tấm tôn v à bêtông. 3.3. Dầm li ên h ợp a. Gi ải pháp dầm li ên hợp đơn gi ản v à liên t ục Gi ải pháp cấu tạo dầm li ên h ợp đơn gi ản do chỉ có môme n dương nên có các ưu điểm sau so với dầm li ên hợp li ên t ục: - Vùng chịu ứng suất nén dọc trục của bản bụng dầm l à rất ít; đồng thời bản cánh nén đ ư ợc li ên kết với bản sàn bêtông c ốt thép hoặc bản thép; do vậy khả năng chịu lực của dầm không phụ thuộc bởi đi ều kiện mất ổn định của dầm thép; - B ản bụng chịu ứng suất nhỏ h ơn nên có thể tạo các lỗ ở bản bụng; - Mômen u ốn v à l ực cắt trong dầm đư ợc xác định đ ơn giản và không ảnh h ư ởng do bêtông nứt, từ bi ến và lão hoá; - B ản sàn bêtông h ầu nh ư không chịu kéo; m ômen trong c ột nhỏ hơn n ếu có các hệ giằng v à vách cứng chịu tải trọng ngang; - K hông có ả nh hư ởng giữa các nhịp dầm; phân tích nội lực trong hệ kết cấu nhanh h ơn. T uy nhiên, dầm li ên h ợp đơn giản có các như ợc điểm sau: độ võng ở giữa nhịp dầm và bề rộn g khe nứt ở gối lớn; chiều cao tiết diện dầm y êu cầu lớn hơn. b. Tiết diện tính toán dầm li ên hợp Tiết diện dầm li ên h ợp có dạng chữ T gồm tiết diện của dầm thép hình và c ủa bản sàn bêtông c ốt thép. Thực tế khi chịu tải trọng, m ặt cắt ngang của dầm li ên hợ p không còn duy trì đư ợc phẳng, vì ứ ng s uất nén do mômen uốn phân bố không đều theo bề rộng của phần bản s àn bêtông (hình 3). Do vậy bề rộng tính toán của phần bản s àn bêtông, beff có thể đư ợc xác định theo giả thuyết cân bằng diện tích đa giác ACDEF bằng GHJK và coi như ứng suất lớn nhất phân bố tr ên toàn bề rộng tính toán beff . T ỷ số beff / B có giá trị nhỏ h ơn 1, ph ụ thuộc vào nh ịp dầm, điều kiện liên k ết ở 2 đầu dầm, loại tải trọng tác dụng,... Bề rộng tính toán beff ở t iết diện giữa nhịp dầm là l ớn hơn so với ở gần gối dầm. Tuy nhi ên, để đơn gi ản trong phân tích tính toán kết cấu, bề rộng beff cho toàn bộ tiết diện của dầm đư ợc lấy gi ống nhau theo tiết diện ở giữa nhịp đối với d ầm có các gối tựa ở hai đầu h oặc theo tiết diện gần gối tựa đối với dầm conxôn.
Ứng suất J H D E C A G K F O beff B Hình 3. B ề rộng tính toán dầm li ên hợp Trư ờng hợp có sử dụng tấm tôn sóng định hình ( đặt vuông góc với nhịp dầm) thì chỉ kể đến phần bêtông nằm trên sư ờn của tấm tôn l à chịu lực nén, bỏ qua tấm tôn định hình và phần b êtông nằm trong sư ờn. c. Phân loại tiết diện dầm li ên hợp Bản bụng và b ản cánh nén của dầm thép có thể bị mất ổn định cục bộ, phụ thuộc v ào đ ộ mảnh của chúng hw / tw và b0 f / t f . Trong th ực hành thi ết kế, tuỳ theo cấu tạo tiết diện dầm thép (đ ư ợc bọc bêtông một phần, hoàn toàn, hoặc không bọc bêtông) và tỷ số hw / tw và b0 f / t f , tiết diện dầm liên h ợp đư ợc phân thành 4 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 ho àn toàn và hình thành khớp dẻo khi tiến hành phân tích dẻo; - Tiết diện loại 2: cho phép chảy dẻo nhưng v ới góc xoay chảy dẻo bị hạn chế do bêtông b ị vỡ ho ặc bản thé p bị mất ổn định; - Tiết diện loại 3: cho phép xuất hiện ứng suất lớn nhất đạt tới giới hạn chảy nh ưng tiết diện không đư ợc phép chảy dẻo; - Tiết diện loại 4: cho phép hiện tư ợng mất ổn định cục bộ xảy ra tr ư ớc khi ứng suất lớn nhất đạt t ới giới hạn chảy. Ví dụ, khi bản sàn bêtông c ốt thép liên kết chắc chắn với bản cánh nén của dầm thép th ì bản cánh nén đư ợc coi là lo ại 1. Tuy nhiên trong quá trình thi công thì d ầm thép đư ợc coi thuộc loại thấp h ơn. K hi trục trung hoà dẻo nằm ở bản sàn bêtông ho ặc ở bản c ánh trên c ủa dầm thép thì bản bụng của dầm thép đư ợc coi là lo ại 1 hoặc loại 2 tương ứ ng với liên k ết chịu cắt là hoàn toàn hoặc không ho àn toàn. Loại tiết diện dầm liên hợp đư ợc xác định theo loại thấp h ơn c ủa loại bản bụng và b ản cánh nén. d. Phương pháp phân tích xác định nội lực thiết kế M ômen và l ực cắt thiết kế trong dầm liên hợp có thể đư ợc xác định theo 1 trong 2 ph ương pháp phân tích hệ kết cấu: phương pháp phân tích đàn h ồi tuyến tính và phương pháp phân tích chảy dẻo. Phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính đư ợc áp dụng cho cả 4 loại tiết diện dầm li ên h ợp. Trong phương pháp phân tích này yêu cầu cần xác định độ cứng uốn EI tương đ ối giữa các phần tử kết cấu. Các giá trị khác nhau của EI đư ợc sử d ụng cho từng tr ư ờng hợp tải trọng tác dụng, cụ thể: (a) Trong giai đoạn thi công khi kết cấu chưa liên h ợp thì chỉ sử dụng độ cứng Ea I a của ri êng thép kết cấu; (b) Trong giai đoạn kết cấu đ ưa vào sử dụng chịu tải trọng tác dụng dài hạn thì sử dụng độ cứng qui đ ổi Ea I trong đó mômen quán tính I đư ợc xác định từ tiết diện qui đổi sử dụng hệ số môđun đ àn * * hồi n  Ea / Ec v ới Ec là môđun đàn hồi tính toán của bêtông; và (c) Khi kết c ấu 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 tr ị độ cứng trong tr ư ờng hợp (b) và (c) thay đổi theo dấu của mômen uốn. T hực tế theo chiều dài c ủa dầm, b êtông có th ể bị nứt hoặc không nứt. Th ư ờng bêtông ở các tiết di ện gần gối tựa dầm nứt nhiều hơn so v ới ở các tiết diện giữa dầm. Để đ ơn gi ản có thể áp dụng phương pháp phân tích coi bêtông không n ứt cho to àn b ộ các tiết diện của dầm, rồi sau đó sử dụng hệ s ố giảm mômen ở các tiết diện gần gối dầm v à tương ứ ng tăng mômen ở tiết diện giữa nhịp dầm để đảm bảo nguy ên tắc cân bằng tĩnh.
Phương pháp phân tích dẻo chỉ áp dụng trong tr ư ờng hợp dầm li ên hợp có tiết diện loại 1 tại các vị trí hình thành kh ớp dẻo v à loại 1 hoặc loại 2 ở các tiết diện khác nằm ngo ài ph ạm vi hình thành kh ớp dẻo. Khả năng xoay dẻo tại khớp dẻo bị hạn chế do b êtông vỡ hoặc thép mất ổn định và phụ thuộc vào kích thư ớc tiết diện, hình d ạng biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và bi ến dạng của vật liệu. C ơ chế hình thành kh ớp dẻo trong hệ kết cấu là một quá tr ình liên t ục. Khi mômen uốn tại một tiết diện lớn hơn mômen uốn dẻo thì t ại đó sẽ h ình thành kh ớp dẻo. Khớp dẻo đầu tiên xu ất hiện phải đảm bảo duy trì đ ủ khả năng chịu lực và kh ả năng bi ến dạng dẻo cho phép đến khi khớp dẻo cuối c ùng hình thành trong hệ kết cấu khảo sát. Ngoài ra, phương pháp phân tích d ẻo chỉ đư ợc áp dụng nếu tại vị trí hình thành khớp dẻo các yêu cầu sau đư ợc đảm bảo: chuyển vị ngang của bản cánh nén trong phạm vi hình thành kh ớp dẻo cần đư ợc ngăn cản; tiết diện dầm thép cần đảm bảo tính đối xứng qua mặt phẳng bản bụng dầm; khả năng xoay cho phép c ủa khớp dẻo cần đảm bảo và hiện t ư ợng mất ổn định tổng thể của dầm đảm bảo không xảy ra. e. Xác định khả năng chịu uốn Đối với tiết diện loại 1 và 2 thì kh ả năng chịu uốn của dầm liên h ợp đư ợc xác định theo phương pháp phân tích d ẻo với biểu đồ phân bố ứng suất tr ên ti ết diện dầm phụ thuộc vào vị trí của trục trung hoà. Tr ục trung hoà có th ể đi qua bản bụng, bản cánh của dầm thép hoặc đi qua phần bản sàn bêtông. Trong m ọi trư ờng hợp thì toàn bộ tiết diện của dầm thép đều đ ư ợc coi là chảy dẻo v à đạt tới c ư ờng độ chịu kéo và nén c ủa vật liệu thép, kể cả các thớ nằm ngay sát trục trung ho à (hình 4). Ứ ng suất trong vùng bêtông c hịu nén đư ợc coi là phân bố đều và đạt đến c ư ờng độ tính toán chịu nén của bêtông. B ỏ qua khả năng tham gia chịu lực của v ùng bêtông chịu kéo và c ủa tấm tôn khi chịu nén. Liên kết giữa bản sàn và d ầm thép đư ợc coi là liên kết hoàn toàn. S ử dụng giả thuyế t m ặt cắt phẳng đối với tiết diện dầm li ên h ợp. Trong tr ư ờng hợp liên k ết là không hoàn toàn, có nghĩa là s ố lư ợng các chốt liên kết sử dụng không đủ v à bị chảy dẻo dẫn đến có sự tr ư ợt t ương đ ối tại mặt tiếp xúc giữa bản s àn và d ầm thép, do v ậy cần phải sử d ụng thêm các hệ số điều chỉnh để l àm gi ảm khả năng chịu lực của dầm li ên hợp. Các biểu thức xác định khả năng chịu mômen uốn của dầm li ên hợp tương ứ ng với các vị trí khác nhau c ủa trục trung hoà đư ợc xây dựng từ các điều kiện cân bằng tĩnh cho từng tiết diện. Hình 4. Bi ểu đồ phân bố ứng suất pháp trên ti ết diện dầm li ên hợp Đối với tiết diện loại 3 và lo ại 4 thì s ử dụng ph ương pháp phân tích đàn h ồi có kể đến ảnh hư ởng từ biến của b êtông. Trong thực hành thiết kế để tận dụng hết khả nă ng làm việc của vật liệu thép th ì tiết diện dầm liên h ợp loại 1 và lo ại 2 thư ờng hay sử dụng, đặc biệt cho các v ùng c ủa dầm chịu m ômen âm và hình thành khớp dẻo. f. X ác định khả năng chịu cắt T hực tế bản sàn bêtông c ủa dầm li ên h ợp có thể chịu một phần lự c cắt. Tuy nhiên rất khó để xác định chính xác phần tham gia c hịu lực cắt của bản s àn bêtông vì phụ thuộc vào m ức độ làm vi ệc li ên tục qua gối tựa, mức độ bêtông bị nứt và chi tiết li ên kết bản sàn bêtông v ới dầm thép. Do vậy để đ ơn gi ản coi lực cắt chỉ do dầm thép chịu, bỏ qua tác dụng li ên h ợp. 3.4. Cột li ên hợp a. Đ ộ cứng uốn tương đương Độ cứng uốn tương đương của tiết diện cột liên h ợp đư ợc xác định từ tổng độ cứng thành phần của thép kết cấu, cốt thép và bêtông cùng tham gia chịu lực: ( EI)eff  Ea I a  Es I s  Kc Ec,eff I c Ec,eff  Ecm /(1  t NG,Ed / NEd )
Trong đó E là môđun đàn hồi của vật liệu; I là mômen quán tính c ủa tiết diện thành phần; Ecm là m ôđun đàn hồi ngắn hạn trung bình của bêtông; N Ed là lực dọc trục thiết kế; N G , Ed là phần dài hạn của N Ed ; K c và t là các hệ số xét đến từ biến của bê tông. b. Đ ộ mảnh t ương đương Độ mảnh tương đương c ủa cột liên h ợp đ ư ợc xác định theo công thức:   N pl, Rk / Ncr N pl,Rk  Aa f y  As f sk  0,85Ac fck Ncr   2 (EI)eff / L2 Trong đó f y và f sk l à cư ờng độ chảy tiêu chuẩn của thép kết cấu và cốt thép; f ck là cư ờng độ nén tiêu chuẩn ở 28 ngày c ủa bê tông; N cr là l ực nén đàn h ồi tới hạn; L là chiều dài giữa 2 đi ểm ngăn cản chuyển vị ngang của cột. c. Phương pháp phân tích xác định nội lực thiết kế Nội lực thiết kế trong cột th ư ờng đư ợc xác định theo phương pháp phân tích đàn h ồi tuyến tính có xét đến các ảnh hư ởng tương tác P -  (second- order effect) và do sai l ệch kích thư ớc hình h ọc (imperfection effect), làm tăng mômen u ốn và bi ến dạng trong cột. Độ sai lệch kích th ư ớc hình h ọc đư ợc biểu diễn bởi độ lệch tâm e0 . Tiêu chu ẩn Châu Âu [1] bao gồm hai phương pháp thiết kế c ho cột li ên hợp: phương pháp thiết kế “chính xác” và phương pháp thi ết kế đơn gi ản. Phương pháp “chính xác” đư ợc thực hiện qua việc sử dụng các ch ương trình phân tích k ết cấu có xét trực tiếp đến các ảnh hư ởng nêu trên. Phương pháp phân tích này cho k ết quả tính toán có độ tin cậy khá cao và đư ợc áp dụng tốt cho tất cả các tr ư ờng hợp cột liên h ợp có tiết diện không đổi hoặc thay đổi và có tiết diện đối xứng hoặc không đối xứng. Tuy nhi ên phương pháp này yêu c ầu khối lư ợng dữ liệu tính toán lớn và chỉ áp dụ ng trong các trư ờng hợp rất đặc biệt. Đối với phương pháp đơn gi ản thì các ảnh hư ởng tương tác P -  và do sai l ệch kích thư ớc hình học chỉ đ ư ợc kể đến một cách gián tiếp thông qua việc sử dụng các hệ số điều chỉnh. Đây l à phương pháp hay đư ợc sử dụng trong thực hành thiết kế, mặc dù phạm vi áp dụng của phương pháp này ch ỉ hạn chế cho một số tr ư ờng hợp nh ư khi c ột li ên hợp có tiết diện không đổi và đ ối xứng, tiết diện thép kết cấu định hình hoặc tổ hợp hàn, cột có độ mảnh không quá lớn (độ mảnh tương đương   2 ) và không có yêu c ầu gì đặc biệt trong thiết kế. Mômen thiết kế của cột liên hợp trong phương pháp đơn giản đư ợc xác định theo công thức sau (hình 5): M Ed  k end M 1,Ed  kimp N Ed e0 k end   end /(1  N Ed / N cr ,eff ) end  0,66  0,44(M 2,Ed / M1,Ed )  0,44 kimp  1 /(1  N Ed / N cr ,eff ) Trong đó N Ed và M 1,Ed l à l ực dọc trục và mômen uốn lớn hơn ở 2 đầu cột; kend và kimp là các h ệ số xét đ ến ảnh hư ởng tương tác P-  ( kend  1) và do sai lệch kích thư ớc hình học ( kimp 1). M1,Ed M1,Ed kendM1,Ed h kimpNEde0 NEd e0 M2,Ed endM1,Ed M2,Ed a) b) Hình 5. a) không kể ảnh hưởng P-  ; b) có kể ảnh hưởng P- 
Ảnh hư ởng tương tác P-  có thể bỏ qua ( kend  0 ) khi N cr,eff  10N Ed (hình 5a). d. Xác định khả năng chịu lực Kh ả năng chịu lực của cột liên hợp đ ư ợc xác định dựa tr ên những giả thiết sau: - Tương tác qua l ại giữa thép kết cấu và bêtông đư ợc coi là hoàn toàn và chúng cùng làm việc như m ột hệ thống nhất cho đến khi c ột liên h ợp bị phá hoại. Có nghĩa là coi ma sát và các chi tiết chốt neo đặt tại mặt tiếp xúc giữa thép kết cấu v à bêtông đủ để ngăn cản lực tr ư ợt tương đối giữa chúng; - Mặt cắt ngang của cột liên h ợp khi bị biến dạng đư ợc coi là phẳng; điều này cũng tươ ng tự nh ư tính toán đối với các cấu kiện thép kết cấu v à bêtông cốt thép; - Các điều kiện về ổn định cục bộ của các bản thép đối với thép kết cấu đ ư ợc coi là thoả m ãn khi tuân th ủ các yêu cầu về cấu tạo. Để đ ơn gi ản trong thiết kế, khả năng chịu nén uốn m ột phương c ủa cột li ên h ợp đư ợc xác định dựa theo đ ư ờng cong khả năng chịu lực, đ ư ợc xây dựng tr ên cơ s ở tổng hợp khả năng chịu lực của 3 p hần li ên h ợp: thép kết cấu, b êtông và c ốt thép. Đối với từng phần v à tu ỳ theo từng tr ư ờng hợp t hì hệ số an to àn s ử d ụng l à khác nhau. Hình 6 mô t ả cách thiết lập đ ư ờng cong xác định khả năng ch ịu lực của cột li ên h ợp chịu lực nén và mômen uốn theo một phương. Đi ểm A và B đư ợc xác định t ương ứ ng với 2 tr ư ờng hợp riêng biệt khi tiết diện cột chỉ chịu lực nén dọc trục ho ặc chịu mômen uốn thuần tuý: điểm A có khả năng chịu nén l à Npm,Rd và đi ểm B có kh ả năng chịu uốn là Mpm,Rd . Điểm C đư ợc xác định có c ùng kh ả năng chịu mômen uốn với điểm B, nhưng có khả năng chịu nén chỉ bằng khả năng chịu nén c ủa riêng ph ần bêtông bao bọc l à Npm,Rd . Đi ểm D có khả năng chịu mômen uốn là l ớn nhất đ ư ợc xác định từ tổng hợp của 3 phần ri êng rẽ (thép kết cấu, bêtông và c ốt thép) và khả năng chịu nén bằng 0,5 N pm , Rd . Điểm E nằm trung gian giữa điểm A và C nên có th ể coi nằm tr ên đư ờng thẳng AC trong tr ư ờng hợp tiết diện cột có dạng chữ H đư ợc bọc bêtông và chịu uốn quanh trục chính. N A Npl,Rd E C Npm,Rd 0.5Npm,Rd D B M O Mpl,Rd Mmax,Rd Hình 6. Đường cong xác định khả năng chịu lực của cột li ên hợp chịu nén uốn một phương 3.5. Nút khung l iên hợp Nút khung liên h ợp l à nút liên kết giữa các cấu kiện kết cấu dầm v à cột của khung li ên hợp. T ùy theo giải pháp cấu tạo, nút khung liên h ợp phân loại theo độ cứng có các loại nút li ên kết cứng, nửa cứng hoặc khớp; và theo cư ờng độ có các loại nút c hịu toàn bộ mômen, chịu một phần mômen hoặc không chịu mômen (li ên kết khớp). Như v ậy, trong tr ư ờng hợp nút liên kết cứng và chịu toàn bộ m ômen thì tại đầu các cấu kiện dầm cột liên kết vào nút đều có góc xoay bằng nhau. Nút khung liên hợp thực tế làm việc khá ph ức tạp và ngay c ả khi cấu tạo nút khung là cứng và chịu toàn b ộ mômen thì đều bị biến dạng. Việc nút khung bị biến dạng sẽ ảnh h ư ởng đáng kể đến phân b ố nội lực và biến dạng của toàn hệ kết cấu. Để đ ơn gi ản trong thực hành tính toán k ết cấu, biến dạng của nút khung th ư ờng đư ợc bỏ qua. Do vậy nút khung cần đư ợc thiết kế đảm bảo yêu cầu về độ cứng, khả năng chịu lực v à góc xoay cho phép (biến dạng xoay đàn h ồi và dẻo cho phép). Khả năng chịu lực của nút khung thư ờng đư ợc thiết kế lớn h ơn (ít nhất khoả ng 50%) kh ả năng chịu lực của nh ững cấu kiện kết cấu dầm và cột đ ư ợc li ên kết v ào nút. 4. Kết luận Đặc điểm cấu tạo của giải pháp cấu kiện kết cấu li ên h ợp theo tiêu chu ẩn Châu Âu đã đư ợc tổng quan cùng với các nguyên t ắc c ơ b ản trong tính toán và thiết kế. Thông qua phân tích các ư u điểm, bài vi ết đ ã chỉ ra tiềm năng ứng dụng cao của giải pháp n ày trong vi ệc xây dựng công tr ình nhà cao tầng
nh ằm đáp ứng những yêu cầu cấp thiết trong công cuộc phát triển đô thị hoá ở n ư ớc ta. Tuy nhi ên, các nghiên c ứu cụ t h ể cần phải tiến hành nhằm xây dựng nên tiêu chuẩn thiết kế hữu hiệu để áp dụng một cách hi ệu quả cho các công tr ình thực tế cả về mặt an to àn, công năng, kinh t ế và tính thẩm mỹ. B ên cạnh đó, các hư ớng dẫn chi tiết kèm theo cần đư ợc xây dựng sao cho ph ù hợp với điều kiện của Việt N am, như là: vật liệu xây dựng, chi tiết cấu tạo kết cấu, tải trọng tác dụng, công nghệ thi công. Đặc bi ệt, đây l à gi ải pháp công nghệ mới v à có tiềm năng ứng dụng rộng r ãi ở nư ớc ta nên rất cần đ ư ợc đào tạo tại các tr ư ờng đại học chuyên ngành hoặc tại các khoá tập huấn nghề nghiệp nhằm góp phần xây dựng nên nguồn kỹ sư chất lư ợng cao đáp ứng đư ợc các đ òi hỏi thực tế của sự phát triển. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. PH ẠM VĂN HỘI, “Kết cấu liên hợp thép bêtông dùng trong nhà cao t ầng ”. N XB KHKT, Hà N ội, 2006. 2. E urocode 4. Design of composite steel and concrete structures: Part 1 - 1: General rules and rules for buildings, UK, 2005.