Xem mẫu

  1. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG TẤM TÔN THÉP ĐỊNH HÌNH CỦA BLUESCOPE STEEL TRONG SÀN LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG A STUDY ON THE USE OF THE FORMED STEEL SHEETS BY BLUESCOPE STEEL FOR STEEL CONCRETE COMPOSITE FLOORS Phạm Văn Hội Huỳnh Minh Sơn Trường Đại học Xây dựng Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu cấu tạo và sự làm việc của tấm thép định hình trong sàn liên hợp, đặc biệt là vai trò, tác dụng của tấm thép định hình vừa làm côppha vĩnh cửu vừa làm cốt thép chịu kéo trong sàn liên hợp. Để làm được vai trò đó, đề tài nghiên cứu và xác định các yêu cầu về tính chất cơ học của vật liệu làm tấm thép định hình trong sàn liên hợp theo tiêu chuẩn Eurocode 4 (Châu Âu). Tác giả đề xuất lựa chọn tấm tôn định hình của Bluescope steel được chế tạo ở Việt nam để sử dụng thi công sàn liên hợp. Bài báo giới thiệu phương pháp tính toán thiết kế tấm tôn thép định hình thuộc loại cấu kiện thép thành mỏng theo tiêu chuẩn Eurocode 3 (Châu Âu). Kết quả nghiên cứu sẽ đóng góp hoàn thiện quy trình thiết kế nhằm góp phần thúc đẩy việc ứng dụng sàn liên hợp thép bê tông vào thực tế xây dựng ở Việt Nam. ABSTRACT The article presents the study on the results of a particular structure and action of the formed steel sheets in composite floors, especially, their role and the use as both permanent frameworks and tension steel. This article is also concerned with the study and requirement specification of mechanical characteristics for the materials of formed steel sheets in composite floors in accordance with the Eurocodes 4 (European standard). The authors have made a suggestion in choosing Vietnam-made Bluescope formed steel sheets in the construction of composite floors. Furthermore, this article also presents a method for designing formed steel sheets as thin wall steel structures conformed to Eurocodes 3 (Euro). The results of this study can make a contribution to the improvement of the designing process in view of enhancing the application of composite floors to the construction work in Vietnam. 1. Đặt vấn đề Sự phát triển của sàn liên hợp thép - bê tông có sử dụng tấm thép dập nguội là một bước ngoặt về khả năng cạnh tranh trong xây dựng các nhà cao tầng dùng khung thép. Việc sử dụng tấm thép định hình dập nguội như một ván khuôn vĩnh cửu thì không mới, song dùng nó như một cốt thép chịu kéo thì chỉ được phát triển một cách đầy đủ trong những năm gần đây. Tấm thép định hình có vai trò quan trọng góp phần nâng cao hiệu quả ứng dụng cho sàn liên hợp về nhiều phương diện vật liệu, kết cấu và thi công. Do là cấu kiện thép thành mỏng, lại phải chịu tải trọng và các tác động ngay từ giai 73
  2. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 đoạn thi công và sử dụng nên tấm thép định hình cần được tính toán kiểm tra về bền, về ổn định cục bộ và độ võng. Trong điều kiện chúng ta chưa có tiêu chuẩn về kết cấu liên hợp cũng như kết cấu thép thành mỏng, cần nghiên cứu chọn tiêu chuẩn phù hợp mới ứng dụng được trong điều kiện thực tế Việt Nam. 2. Nội dung 2.1. Tổng quan về kết cấu sàn liên hợp thép bê tông 2.1.1. Đặc điểm cấu tạo của sàn liên hợp thép bê tông: Sàn liên hợp được cấu tạo gồm các thành phần: Lớp bêtông PhÇn sµn bª t«ng chÞu nÐn đổ tại chỗ trên tấm thép định hình DÇm phô và lưới thép. Tấm thép định hình Cèt thÐp đóng vai trò như cốp pha đáy cho hệ sàn khi bê tông còn ướt. Khi bê tông phát triển đạt đến cường DÇm phô độ cần thiết, lúc này lớp bê tông Hình 1. Cấu tạo sàn liên hợp thép bê tông phía trên sẽ làm việc đồng thời với tấm tôn thép định hình hình thành nên kết cấu sàn liên hợp. Cốt thép sẽ được bố trí tại những tiết diện cần thiết để chống nứt cho bê tông. Sàn liên hợp có thể được đỡ bởi hệ dầm bên dưới hoặc được gối lên tường. Tấm thép được bố trí sao cho phương của sườn tấm thép vuông góc với trục dầm hoặc gối đỡ như Hình 1. Cách bố trí này sẽ phân phối nội lực tốt nhất giữa các cấu kiện. Liên kết giữa sàn bê tông và tấm thép được giữ bằng các dạng neo, chốt hay các mấu dập nổi trên bề mặt tấm thép có khả năng chống lại sự trượt dọc và ngăn ngừa sự tách thớ tại mặt tiếp xúc. 2.2. Ưu nhược điểm của sàn liên hợp thép bê tông Phát huy sự làm việc liên hợp của tấm thép và bản bê tông hoặc giữa sàn liên hợp và dầm thép hình. Nhờ đó, giảm được chiều dày sàn và tiết diện dầm thép hình; khả năng vượt nhịp và độ cứng lớn hơn; biến dạng nhỏ hơn 20-30% so với tiết diện không liên hợp. Tạo các ô rỗng để bố trí ống kỹ thuật, giảm tiết diện kết cấu sàn và dầm nên giảm được chiều cao tầng. Khả năng vượt nhịp và bước cột lớn nên không gian linh hoạt...Cơ động khi thi công, có thể lắp ghép khung thép sẵn sau đó thi công song song các sàn khác. Sử dụng được các phương pháp thi công hiện đại (lắp ghép; ván khuôn trượt ...). Tuy nhiên, sàn liên hợp đòi hỏi chất lượng vật liệu cao; việc tính toán phức tạp hơn sàn bê tông cốt thép thường do sự làm việc liên hợp và liên kết phức tạp. Đòi hỏi công nghệ hiện đại nên loại sàn này đạt hiệu quả cao khi kết hợp khung thép, khung liên hợp nhà cao tầng (>30 tầng); dùng cho sàn có kích thước hai phương chênh lệch nhiều. 74
  3. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 2.3. Sự làm việc và các trạng thái phá hoại của sàn liên hợp thép bê tông Sự làm việc liên hợp xuất hiện khi sàn bao gồm tấm thép, cốt thép sàn và bê tông đã đông cứng ( c ) N eo ë ®Çu sµn ( a ) L iªn kÕt c¬ häc liên kết tạo thành một cấu kiện duy nhất. Để đóng vai trò như cốt thép trong sàn thì tấm thép không được có chuyển vị dọc trục so ( b ) L iªn kÕt b»ng ma s¸t ( d ) L µm biÕn d ¹ n g ë ® Çu s − ên tÊm t với bê tông tức là Hình 2. Cách tạo liên kết giữa tấm thép và bê tông trong sàn liên hợp phải có khả năng truyền lực trượt dọc tại bề mặt tiếp xúc giữa tấm thép và bê tông (gọi là liên kết hoàn toàn). Ngược lại là liên kết không hoàn toàn. Liên kết có được là nhờ: Liên kết cơ học tạo ra bằng các cách như: Gia công (dập nổi hoặc chìm) bề mặt tấm thép hoặc tạo các lỗ nhỏ (kích thước đủ lớn đảm bảo bê tông có thể lấp đầy); Lực ma sát giữa bê tông và tấm thép phụ thuộc bề mặt tiếp xúc; Neo tại đầu sàn bằng chi tiết liên kết gắn chặt trên tấm thép (chốt hàn, thép góc hàn, neo...) có khả năng chịu cắt theo phương dọc; Sàn liên hợp có thể bị phá hoại theo các dạng sau: - Dạng phá hoại I (Tiết diện 1) Phá hoại do mômen ở giữa nhịp: Xảy ra với sàn nhịp lớn. - Dạng phá hoại II (tiết diện 2 dọc lớn chiều dài trượt Ls): Phá hoại do trượt dọc khi đạt khả Hình 3. Các tiết diện phá hoại cuả sàn liên hợp năng chịu lực giới hạn của liên kết giữa tấm thép và sàn bê tông - Dạng phá hoại III (tiết diện 3): Phá hoại do trượt ngang tại các gối dưới tác dụng lực cắt. Xảy ra khi sàn có nhịp nhỏ nhưng dày và chịu tải trọng - Sự phá hoại sàn liên hợp có thể xảy ra theo một trong hai trường hợp sau: Phá hoại dẻo: Biến dạng khi phá hoại lớn, có dấu hiệu phá hoại có thể nhận biết (vết nứt). Phá hoại giòn: Biến dạng khi phá hoại nhỏ, xảy ra đột ngột. Khả năng xảy ra trường hợp nào là tùy thuộc tính chất liên kết giữa thép và bê tông. Đề tài đề xuất tạo gờ, lỗ và bố trí các neo trên tấm thép để sàn không bị phá hoại dòn. 75
  4. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 2.4. Chọn tiêu chuẩn thiết kế sàn liên hợp European Codes (viết tắt EuroCodes hay EC) là bộ tiêu chuẩn thống nhất chung cho các quốc gia Châu Âu về kết cấu xây dựng gồm 8 tập trong đó EuroCodes 4 là phần tiêu chuẩn về kết cấu liên hợp được nghiên cứu xây dựng công phu, hiện đại, kế thừa các kết quả nghiên cứu của các nước tiên tiến (Anh, Pháp, Đức...). Hiện nay, do Việt Nam chưa có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp mà chỉ có tiêu chuẩn kết cấu bê tông cốt thép (TCXDVN 356:2005) và tiêu chuẩn kết cấu thép (TCXDVN 338:2005), đề tài đề xuất sử dụng tiêu chuẩn Eurocodes 4 để tính toán sàn liên hợp thép bê tông. Trong thời gian đến, hệ thống tiêu chuẩn thiết kế nước ta cũng sẽ chuyển dịch theo hướng tiếp cận hệ thống này. 3. Nghiên cứu lựa chọn tấm thép định hình trong sàn liên hợp 3.1. Sự làm việc và tác dụng của tấm thép định hình - Vai trò của tấm thép định hình trong sàn liên hợp thép bê tông là rất quan trọng và đặc biệt: Khi thi công, tấm thép định hình sẽ đóng vai trò của sàn công tác, đỡ các tải trọng thi công nên cho phép thực hiện các công việc bên dưới. Khi đổ bêtông, tấm thép định hình có tác dụng như một ván khuôn vĩnh cửu cho bêtông còn ướt (không cần lắp dựng và tháo lắp); tiết kiệm côppha và thời gian tháo lắp và nhân công. Khi làm việc liên hợp, tấm thép định hình đóng vai trò như cốt thép lớp dưới của sàn. Do đó, tấm thép có tác dụng như cốt thép chịu kéo, làm giảm thời gian lắp đặt cốt thép; giảm 30% lượng bê tông, tiết kiệm vật liệu, giảm trọng lượng bản thân và kết cấu phần trên và móng. - Tấm thép định hình có thể bị phá hoại ngay trong giai đoạn thi công về cường độ hay độ võng quá giới hạn cho phép. Mặt khác tấm thép cũng có thể bị phá hoại khi cùng làm việc với sàn bê tông trong giai đoạn sử dụng. 3.2. Yêu cầu vật liệu chế tạo sàn liên hợp theo tiêu chuẩn Eurocodes 4 - Chiều dày sàn (h): Từ 10 đến 40 cm và > 8cm. Nếu sàn làm việc liên hợp với dầm hoặc được sử dụng như vách cứng, h>9cm và chiều dày cánh (hc)> 50mm. Chiều dày phần bê tông (hc) trên sườn tôn > 40mm. Nhịp sàn: Từ 2 đến 4 m và đạt tới 7 m khi có thanh chống. Gối tựa sàn có bề rộng > 75mm với dầm thép hay dầm bê tông; > 100mm khi là tường gạch, đá. Hình 4. Tấm thép định hình trong sàn liên hợp - Việc lựa chọn vật liệu làm tấm thép định hình trong sàn liên hợp ở Việt Nam cần chọn các loại tôn thoả mãn các yêu cầu phù hợp với Tiêu chuẩn Châu Âu EN 10147, cụ thể như sau: 76
  5. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 + Về cường độ: Các giá trị tiêu chuẩn của giới hạn đàn hồi của vật liệu thép (fyp) từ 220 đến 350 N/ mm2; giới hạn chảy > 220 N/mm2. Bề dày tấm thép không nhỏ hơn 0,75mm. Phải tuân theo tính chất đàn hồi dẻo với môđun đàn hồi Ea = 210 kN/ mm2. + Về chống ăn mòn và phòng gỉ: Mỗi mặt cần được bảo vệ chống ăn mòn bởi một lớp kẽm dầy khoảng 0,02 mm (mạ kẽm nóng); có thể sơn thêm lớp bổ sung sau mạ kẽm. - Dựa trên yêu cầu trên trong điều kiện Việt Nam, đề tài đề xuất sử dụng tấm tôn định hình của Bluescope steel (Công ty hàng đầu của Úc về thép thành mỏng tại Việt Nam) làm tấm thép định hình trong sàn liên hợp. Loại tôn này thoả mãn các tính chất cơ lý và hình học nêu trên như: Giới hạn đàn hồi của tôn sóng là 300 N/mm2. Bề dày từ 0,75 đến 1,5 mm. Mặt cắt dày 40 đến 80 mm. Tôn sóng được mạ kẽm hai mặt nên chống gỉ và chống ăn mòn khá hiệu quả. Tấm tôn có thể được bố trí theo hai phương: + Phương của sườn vuông góc với dầm phụ là cách bố trí cho phép phân bố nội lực tốt nhất giữa các cấu Hình 5. Tấm tôn định hình của Bluescope steel kiện và có độ cứng tổng thể lớn nhất; + Phương của sườn song song với dầm phụ. Cách này không có lợi vì sự chịu lực của dầm phụ và sàn sẽ chồng chéo nhau trong khi độ cứng lại nhỏ. 4. Tính toán thiết kế tấm tôn sóng trong sàn liên hợp thép bê tông 4.1. Tính toán bề rộng hiệu dụng tấm tôn theo tiêu chuẩn Eurocode 3 (Châu Âu) - Vì tấm tôn có chiều dày mỏng nên làm việc như cấu kiện thành mỏng trong đó vấn đề mất ổn định cục bộ của tiết diện chịu nén cần được xem xét đến. Khi chịu nén, sử dụng khái niệm "bề rộng hiệu dụng" nghĩa là chỉ có một phần tiết diện hiệu dụng tham gia chịu nén với ứng suất phân bố đều so với toàn bộ tiết diện thô. Khi tính toán, chia Hình 6. Bề rộng hiệu dụng phần tử phẳng tấm tôn sóng thành nhiều phần tử để tính bề rộng hiệu quả theo công thức: beff =ρ.bpi (ρ: Hệ số giảm bề rộng được tính theo Eurocode 3) đối với các phần tử tôn sóng thành mỏng chịu nén. Với những phần tử tôn sóng chịu kéo, toàn bộ bề rộng là hiệu dụng. 77
  6. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 − nếu λ pd > 0,673 (1) σ com bp − − λ pd : Độ mảnh tiết diện dưới tác dụng của σcom: λ pd = 1,052 (2) t Ekσ bp fy − − λ pu : Độ mảnh cho phép ứng với giới hạn chảy fy: λ pu = 1,052 (3) t Ekσ σcom = σc .γa; (σc: Ứng suất nén hiệu dụng. Lần đầu tính với toàn bộ tiết diện, sau đó tính lặp cho đến khi tìm được tiết diện hiệu dụng). kσ: Hệ số ổn định = 4,0. (1) là sự phát triển của công thức Winter và áp dụng cho tôn sóng. ρ
  7. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 Bước 2: Xác định nội lực: Áp dụng phương pháp phân tích đàn hồi tuyến tính. Vì tấm tôn sóng là cấu kiện thành mỏng (tiết diện loại 4) bị mất ổn định cục bộ ngay trong giai đoạn làm việc đàn hồi. Nội lực tại các tiết diện có thể được xác định khi xem độ cứng tiết diện không đổi dọc theo chiều dài tấm tôn; bỏ qua sự thay đổi độ cứng do mất ổn định cục bộ thành của tấm tôn tại những vùng chịu nén. Mômen quán tính do đó sẽ được tính với toàn bộ tiết diện ngang của tấm tôn. Bước 3: Tính toán kiểm tra tấm tôn theo trạng thái giới hạn (TTGH): Trong quá trình thi công, khi bêtông còn ướt thì tấm tôn thép làm việc như cốp pha cho hệ sàn. Tính toán tấm tôn cần để ý đến tác dụng của các thanh chống sàn tạm thời (nếu có). Ngoài ra, cần kể đến tác dụng của các gờ đến khả năng chịu lực và đặc trưng tiết diện ngang của tấm tôn. Tấm tôn thép định hình được kiểm tra tính toán trong giai đoạn thi công, khi mà bêtông còn ướt và chưa đạt cường độ yêu cầu. Việc tính toán kiểm tra được tiến hành theo Eurocode 3 về cường độ, độ võng để có thể sử dụng biện pháp thi công không cần cột chống. Khi sàn nhịp lớn, sử dụng biện pháp chống tạm đảm bảo khả năng chịu lực, cũng như hạn chế độ võng của sàn trong giai đoạn thi công. a. Tính toán kiểm tra tôn sóng khi thi công theo TTGH về cường độ Kiểm tra mômen trong tấm tôn không vượt quá mômen giới hạn về cường độ: Weff M Rd = f yp (3.11) γ ap b. Tính toán kiểm tra tôn sóng khi thi công theo TTGH về sử dụng: Việc tính toán độ võng tấm tôn sóng được thực hiện bằng cách lấy mômen quán tính dụng của tiết diện hiệu dụng. Độ võng tấm tôn chịu tải trọng phân bố đều chất cách nhịp được tính theo công thức: 5 1 δ =k p.L4 (3.12) 384 EI eff L : Nhịp của tôn bằng khoảng cách giữa các gối. k : Hệ số phụ thuộc sơ đồ chịu tải của sàn. Khi tính toán theo trạng thái giới hạn về sử dụng, độ võng của tôn dưới trọng lượng bản thân tôn cộng với trọng lượng bê tông ướt (trừ tải trọng thi công) phải nhỏ hơn hoặc bằng L/180 hoặc 20mm. Nếu độ võng lớn hơn L/250 hoặc 20mm thì phải tính đến hiệu ứng tăng chiều dày bê tông khi tính toán tấm tôn thép. Độ võng sẽ giảm nhiều nếu dùng các thanh chống tạm thời (được coi như các gối tựa). 5. Kết luận 1. Vai trò của tấm thép định hình trong sàn liên hợp thép bê tông là rất quan trọng và có ý nghĩa cả về kết cấu và thi công, góp phần nâng cao hiệu quả và tính cạnh tranh của sàn liên hợp thép bê tông. Đề xuất lựa chọn sử dụng tấm tôn sóng định hình 79
  8. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 2(37).2010 của Bluescope steel (có những đặc trưng cơ học cần thiết đã được kiểm chứng sau khi quy đổi tương đương giữa tiêu chuẩn TCXDVN 356:2005 (Việt Nam) với tiêu chuẩn Eurocodes 4 (Châu Âu)) làm tấm thép định hình cho kết cấu sàn liên hợp áp dụng tại Việt Nam. 2. Sự làm việc liên hợp giữa tấm tôn sóng định hình và bản bê tông là rất phức tạp cần được tính toán và cấu tạo hợp lý đảm bảo mỗi liên kết chặt chẽ giữa chúng để sàn làm việc như một thể thống nhất. Đề xuất sử dụng biện pháp neo ở đầu sàn bằng các liên kết chốt hàn khi thi công tấm tôn sóng. 3. Việc tính toán tấm tôn sóng có thể sử dụng tiêu chuẩn Eurocode 3 (Châu Âu) tuân theo các nguyên tắc của cấu kiện thép thành mỏng. Các đặc trưng hình học của tấm tôn sóng cần được tính toán dựa trên bề rộng hiệu dụng bằng phương pháp tính lặp theo ứng suất làm việc của tấm tôn sóng. 4. Thiết lập quy trình tính toán kiểm tra tấm tôn sóng theo trạng thái giới hạn bao gồm cả giai đoạn thi công cũng như khi sử dụng theo điều kiện cường độ và độ võng. Kết quả cho thấy tấm tôn sóng của Bluescope steel có đủ tính chất cơ học và đặc trưng hình học cần thiết để làm tấm thép định hình trong sàn liên hợp. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Văn Hội, Kết cấu liên hợp thép bê tông. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội - 2005. [2] Huỳnh Minh Sơn, Nghiên cứu công nghệ sàn liên hợp thép bê tông ứng dụng trong các công trình nhà cao tầng ở đô thị - Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp Bộ, mã số B2008-ĐN-06-04, 2009 [3] TCXDVN 356: 2005 - Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép. Tiêu chuẩn thiết kế. [4] Eurocode 3: Design of steel structures, Part 1-1: General rules and rules for buildings, 2004 [5] Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures. [6] Đoàn Định Kiến, Thiết kế kết cấu thép thành mỏng tạo hình nguội, Nhà xuất bản Xây dựng, 2005. [7] Hancock, Gregory, Desigh of cold-formed Steel structures to Australian/New Zealand Standard AS/NZS:4600), Australian Institute of Steel Construction 1998. 80
nguon tai.lieu . vn