Thạc Sĩ So sánh độ cứng của khung nhà cao tầng bê tông cốt thép và khung bằng kết cấu liên hợp thép- bê tông

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trên thế giới và trong nước đã có rất nhiều nghiên cứu đề cập đến việc tìm giải pháp kết cấu hợp lý để công trình thoả mãn cả yêu cầu chịu lực và yêu cấu kinh tế, đặc biệt đối với nhà cao tầng. Việc xây dựng nhà cao tầng đã và đang là yêu cầu cấp thiết đối với tình hình phát triển hiện nay. Các ưu điểm của loại hình kết cấu này đã được chứng minh bằng việc sử dụng rộng rãi nó tại các nước phát triển và các nước đang phát triển.
Việc sử dụng kết cấu bêtông cốt thép (BTCT) thông thường với nhà cao từ 30 tầng trở lên thường nặng nề, khó hợp lý về mặt chịu lực và cấu tạo kiến trúc. Người ta đã đưa ra các hướng giải quyết chính sau:
- Dùng kết cấu thép thay thế cho kết cấu bêtông cốt thép thông thường;
- Dùng kết cấu liên hợp thép - bêtông;
Việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển kết cấu liên hợp thép - bêtông dùng trong lĩnh vực xây dựng đã và đang được các quốc gia quan tâm. Khác với kết cấu bêtông cốt thép thông thường, có cốt thép chịu lực là các thanh thép tròn, kết cấu liên hợp thép - bêtông là kết cấu mà thép chịu lực các dạng thép tấm, thép hình, thép ống. Nó có thể nằm ngoài bêtông (gọi là kết cấu thép nhồi bêtông) hay nằm bên trong bêtông (gọi là kết cấu thép bọc bêtông) hoặc được liên kết với nhau để cùng làm việc.
Từ lý thuyết tính toán cũng như tổng kết các công trình thực tế đã xây dựng, ta thấy rằng kết cấu liên hợp thép - bêtông có những ưu điểm nổi bật sau:
- Khả năng chịu lực của vật liệu tăng (do thép chịu lực là chính), làm giảm kích thước của cấu kiện, kết cấu sẽ thanh mảnh hơn so với kết cấu bêtông cốt thép thông thường, không gian sử dụng và hiệu quả kiến trúc tăng.
- Tăng độ cứng của kết cấu. Điều này thấy rõ trong các cột liên hợp thép -bêtông kể cả bọc ngoài hay nhồi trong đều làm giảm độ mảnh của cột thép, làm tăng khả năng ổn định cục bộ cũng như ổn định tổng thể của thép.
- Khả năng biến dạng lớn hơn kết cấu bêtông cốt thép, đó là ưu điểm quan trọng khi chịu tải trọng động đất. Nhận định này đã được khảo sát kỹ ở Nhật Bản.
- Khả năng chống ăn mòn của thép được tăng cường. Điều này có ý nghĩa đối với những công trình xây dựng ở vùng khí hậu có độ ẩm cao, công trình ven biển, các cấu kiện bị tiếp xúc với môi trường bị ăn mòn.
- Khả năng chịu lửa tốt. Đối với các cấu kiện được bọc bêtông, khả năng chịu lửa của thép được đảm bảo tốt hơn thép bọc ngoài.
- Có thể dễ dàng dùng phương pháp thi công hiện đại (phương pháp thi công ván khuôn trượt, thi công lắp ghép), làm tăng tốc độ thi công sớm đưa công trình vào sử dụng.
- Có thể tạo kết cấu ứng lực trước trong khi thi công, tăng hiệu quả sử dụng vật liệu, nhất là vật liệu cường độ cao.
- Kết cấu liên hợp thép - bêtông có thể đạt hiệu quả kinh tế cao. So với kết cấu bêtông cốt thép thông thường thì lượng thép dùng trong kết cấu liên hợp lớn hơn nhưng chưa hẳn là đắt hơn. Nếu đánh giá hiệu quả kinh tế một cách toàn diện, có thể chi phí vật liệu cao nhưng bù lại tốc độ thi công nhanh, sớm quay vòng vốn thì có thể công trình sẽ rẻ hơn.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu: so sánh độ cứng của khung nhà cao tầng BTCT và khung bằng kết cấu liên hợp thép bê tông trong cùng một nhà cao tầng có cùng kích thước, cùng chịu tải trọng như nhau.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Lý luận đưa ra phương pháp chuyển đổi độ cứng tương đương của khung BTCT bằng kết cấu liên hợp Thép – Bê tông.
- Tính toán và so sánh một khung bằng BTCT và một khung bằng kết cấu liên hợp Thép-bê tông chịu lực như nhau.
- Đưa ra kết luận và kiến nghị trong thiết kế nhà cao tầng, ta nên quan tâm lựa chọn kết cấu liên hợp thép – bê tông làm kết cấu chịu lực chính, đặc biệt với công trình cao trên 30 tầng.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Dựa trên nền tảng cơ sở lý thuyết đã được kiểm chứng của các tác giả đi trước (kết cấu BTCT, kết cấu thép và kết cấu LH-TBT); lý thuyết kết hợp áp dụng tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép (EC3) và lý thuyết kết hợp tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp (EC4);
- Áp dụng tính toán minh họa bằng các ví dụ số trên công trình giả định và từ đó tổng hợp so sánh phân tích và đánh giá kết quả.
5. Một số công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp
Tại Hà Nội đang thi công dự án Tòa nhà văn phòng Hud Tower đường Lê Văn Lương (Hà Nội) sử dụng cột liên hợp thép – bê tông.
- Diện tích đất: 6.500 m2
- Tổng diện tích sàn: 70.000m2
- Tổng diện tích tầng hầm (3 tầng hầm): 18.884m2
- Tầng cao: 32 tầng và 28 tầng
- Thời gian khởi công: 2010


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. Một số công trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp 3
6. Bố cục luận văn 6
CHƯƠNG 1: SƠ ĐỒ KẾT CẤU CHỊU LỰC CỦA NHÀ CAO TẦNG 7
1.1. HỆ KẾT CẤU KHUNG 7
1.2. CÁC DẠNG SƠ ĐỒ KẾT CẤU CHỊU LỰC CỦA NHÀ CAO TẦNG 8
1.2.1. Hệ sườn chịu lực dạng khung 9
1.2.2. Hệ giằng 10
1.2.3. Hệ hỗn hợp tương tác khung- giằng 12
1.2.4. Khung có dầm rỗng (giàn) bố trí so le 13
1.2.5. Hệ giằng và hệ vành đai tầng 14
1.2.6. Hệ lõi (bằng bêtông cốt thép hoặc bằng kết cấu kim loại) 16
1.2.7. Hệ ống 18
1.2.8. Khung dạng ống bó lại với nhau 18
1.2.9. Hệ hỗn hợp 19
CHƯƠNG 2: CẤU TẠO CÁC CẤU KIỆN CHỊU LỰC LIÊN HỢP BẰNG THÉP – BÊTÔNG 21
2.1. SÀN LIÊN HỢP THÉP – BÊTÔNG 21
2.1.1. Cấu tạo và yêu cầu chung của sàn liên hợp 21
2.1.2. Liên kết giữa thép và bêtông trong sàn 22
2.2. DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊTÔNG 24
2.2.1. Cấu tạo dầm liên hợp thép - bêtông 24
2.2.2. Phân loại tiết diện ngang 25
2.2.3. Liên kết bản sàn với dầm 26
2.2.4. Phân tích đàn hồi dầm liên tục liên hợp 28
2.2.5. Phân tích đàn hồi dẻo (cứng dẻo) dầm liên tục liên hợp 30
2.2.6. Ổn định tổng thể của dầm liên hợp 31
2.3. CỘT LIÊN HỢP THÉP – BÊTÔNG 33
2.4. MỐI NỐI LIÊN HỢP 35
2.4.1. Phân loại mối nối 35
2.4.2. Sự làm việc chịu trượt tại chỗ liên kết cột với dầm 37
2.4.3. Nguyên tắc chung thiết kế mối nối 38
CHƯƠNG 3: CÁCH CHUYỂN ĐỔI ĐỘ CỨNG CỦA KHUNG NGANG BẰNG KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊTÔNG 42
3.1. ĐỘ CỨNG CỦA CÁC CẤU KIỆN LIÊN HỢP THÉP-BÊTÔNG 42
3.1.1. Độ cứng của sàn liên hợp thép - bêtông 42
3.1.2. Độ cứng của dầm liên hợp thép - bêtông EaI 44
3.1.3. Độ cứng của cột liên hợp thép - bêtông 47
3.2. ĐỘ CỨNG CỦA KHUNG NGANG BẰNG KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊTÔNG 48
3.2.1. Tính trực tiếp độ cứng tương đương của khung phẳng 50
3.2.2. Tính gián tiếp độ cứng tương đương của khung phẳng 51
3.2.3. Phương pháp thực hành tính gần đúng chuyển vị của khung. 52
CHƯƠNG 4: SO SÁNH ĐỘ CỨNG CỦA KHUNG BẰNG BTCT VÀ KHUNG BẰNG KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG TƯƠNG ĐƯƠNG VỀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC 55
4.1. VÍ DỤ TÍNH TOÁN ĐỘ CỨNG CỦA MỘT KHUNG BẰNG KẾT CẤU BTCT VÀ MỘT KHUNG BẰNG KẾT CẤU THÉP TƯƠNG ĐƯƠNG VỀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC 55
4.1.1. Thiết kế khung bằng kết cấu BTCT 56
4.1.2 Thiết kế khung bằng kết cấu thép tương đương về khả năng chịu lực 66
4.2. THIẾT KẾ KHUNG BẰNG KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊTÔNG TƯƠNG ĐƯƠNG VỀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC 71
4.2.1. Thiết kế cột liên hợp thép - bêtông 71
4.2.2. Kiểm tra khả năng làm việc cột liên hợp tròn rỗng nhồi bê tông 76
4.3. SO SÁNH ĐỘ CỨNG CỦA BA KHUNG KHUNG BẰNG BTCT, KHUNG BẰNG KẾT CẤU THÉP, KHUNG BẰNG LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG 86
4.3.1. Tính độ cứng của khung 86
4.3.2. So sánh độ cứng, chuyển vị khung bằng BTCT, khung bằng kết cấu thép, khung bằng liên hợp Thép – bê tông 88
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)
PHỤ LỤC