Luận án tiến sĩ dầm liên hợp thép bê tông - Hàn Ngọc Đức, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội

Lý do chọn đề tài Nguyên tắc của sự liên hợp là sự kết hợp của hai hoặc nhiều loại vật liệu kết cấu để có khả năng làm việc tốt hơn so với sự làm việc của mỗi loại vật liệu độc lập cũng như tận dụng những đặc tính tốt nhất của mỗi loại vật liệu. Ví dụ như bê tông thường là vật liệu có giá thành khá thấp nhưng có cường độ chịu lực không cao lại khá giòn, trong khi đó thép kết cấu có giá thành tương đối cao nhưng lại có cường độ lớn và dẻo. Để tận dụng tối đa sự làm việc hiệu quả của hai loại vật liệu kể trên, hình thức kết cấu liên hợp thường được sử dụng. Kết cấu dầm liên hợp thép bê tông (LHT-BT) truyền thống (Hình 0.1) thường có cấu tạo một dầm thép tiết diện chữ I cán nóng hoặc tổ hợp hàn liên kết với bản sàn bê tông.

Bên cạnh khả năng chịu lực cao, khả năng kháng hỏa và chống ăn mòn tốt, kết cấu dầm LHT-BT truyền thống còn rút ngắn được thời gian thi công, cũng như giảm trọng lượng bản thân của kết cấu từ đó dẫn đến giảm lực tác dụng xuống những kết cấu đỡ như cột và móng. Nhờ những ưu điểm nổi bật đó, Kết cấu dầm LHT-BT đã và đang được sử dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng và công nghiệp.1 Dầm liên hợp thép bê tông truyền thống Kết cấu dầm LHT-BT truyền thống so với kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép có nhược điểm chính là chiều cao kết cấu dầm sàn tương đối lớn, điều này làm tăng chiều cao tổng thể của công trình qua đó làm tăng ảnh hưởng của tải trọng 2 ngang tác động lên công trình. Để hạn chế nhược điểm của kết cấu dầm LHT-BT truyền thống, dầm liên hợp thép bê tông có chiều cao tiết diện nhỏ đã được nghiên cứu phát triển. Dầm liên hợp thép bê tông có chiều cao nhỏ là hệ dầm liên hợp có cánh trên hay cánh chịu nén của dầm thép hoặc toàn bộ tiết diện dầm thép chìm trong bản sàn bê tông (Hình 0.2) nhờ đó giảm được chiều cao tổng thể của hệ kết cấu dầm sàn.

Cấu tạo dầm liên hợp thép bê tông có chiều cao nhỏ Dầm liên hợp thép bê tông có chiều cao nhỏ được phát triển từ cuối thế kỷ XX tại Châu Âu đặc biệt là tại các quốc gia Bắc Âu với các ưu điểm như giảm chiều cao hệ kết cấu từ đó tăng được không gian sử dụng của phòng, dễ dàng và thuận tiện cho việc bố trí hệ thống kỹ thuật cơ điện, chi phí điều hòa không khí giảm, khả năng kháng hỏa tăng, giảm được chi phí hàn tại công trường và phù hợp với xu hướng phát triển bền vững. Gần đây một số nước đã công bố tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp cho công trình dân dụng và công nghiệp điển hình là: GB 50017-2003 (Trung Quốc, 2003) [26], AS 2327.1 (Úc, 2003) [13], EN 1994-1-1 (Cộng đồng chung Châu Âu, 2005) [23], AISC 360-16 (Hoa Kỳ, 2016) [11], CTO 0047-2005 (Liên bang Nga, 2005) [63], DIN 18800-5 (CHLB Đức, 2007) [19]… Tuy nhiên, trong các tiêu chuẩn kể trên vẫn chưa có phần hướng dẫn thiết kế loại dầm LHT-BT có chiều cao tiết diện nhỏ. Việt Nam vẫn chưa có tiêu chuẩn thiết kế kết cấu LHT-BT nói chung và tiêu chuẩn thiết kế dầm liên hợp thép bê tông có chiều cao nhỏ nói riêng. Các công trình 3 ứng dụng loại kết cấu này phần lớn đều áp dụng tiêu chuẩn thiết kế của Hoa Kỳ hoặc Châu Âu.

Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án là đề xuất một loại dầm liên hợp thép bê tông mới (gọi tắt là dầm liên hợp NDBeam) có tiết diện dầm thép dạng hộp rỗng có lỗ mở hình thang ở nửa trên của các bản bụng, dầm thép nằm chìm một phần trong bản sàn bê tông với mục đích giảm chiều cao của hệ kết cấu dầm sàn. Qua đó, đánh giá sự làm việc của dầm liên hợp NDBeam đề xuất khi không sử dụng chốt có mũ chịu cắt. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu:  Dầm liên hợp thép bê tông NDBeam sử dụng dầm thép có tiết diện hộp rỗng, một phần tiết diện dầm thép chìm trong bản sàn bê tông, dầm liên hợp không sử dụng chốt có mũ chịu cắt truyền thống, liên kết giữa dầm thép và bản sàn bê tông thông qua lỗ mở ở nửa trên của hai bản bụng dầm thép. - Phạm vi nghiên cứu của luận án:  Dầm liên hợp đơn giản, dầm thép có tiết diện hình hộp rỗng, mô men trong dầm liên hợp là mô men dương;  Dầm chỉ sử dụng làm dầm phụ đỡ bản sàn liên hợp thép bê tông có sử dụng tôn sóng định hình;  Lỗ mở dạng hình thang đồng dạng với sóng âm của tôn sóng, vị trí lỗ mở trên hai bản bụng trên của dầm lấy trùng nhau, khoảng cách giữa các lỗ mở lấy bằng khoảng cách giữa các sóng âm của tôn sóng định hình.

 Dầm nghiên cứu chỉ chịu tải trọng tĩnh; 4 4. Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn - Cơ sở khoa học:  Đề xuất dầm liên hợp thép bê tông sử dụng dầm thép có tiết diện rỗng, một phần tiết diện chìm trong bản sàn bê tông NDBeam.  Phân tích sự làm việc của dầm NDBeam trên cơ sở lý thuyết kết cấu liên hợp thép bê tông theo tiêu chuẩn Châu Âu.  Đánh giá khả năng chịu trượt dọc của chốt bê tông qua lỗ mở bản bụng dầm thép.

- Ý nghĩa thực tiễn:  Dầm liên hợp thép bê tông sử dụng dầm thép có tiết diện rỗng, một phần tiết diện chìm trong bản sàn bê tông NDBeam có thể được ứng dụng trong hệ dầm sàn công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp.  Quy trình thiết kế dầm NDBeam được đề xuất có thể áp dụng trong thực tế thiết kế dầm liên hợp có chiều cao nhỏ trong kết cấu xây dựng. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết  Nghiên cứu sự làm việc theo trạng thái giới hạn của dầm liên hợp thép bê tông sử dụng dầm thép có tiết diện rỗng, một phần tiết diện chìm trong bản sàn bê tông không sử dụng chốt thép có mũ chịu cắt.  Nghiên cứu sự làm việc của chốt bê tông chịu trượt dọc trong dầm liên hợp thép bê tông sử dụng dầm thép có tiết diện rỗng, một phần tiết diện chìm trong bản sàn bê tông.

- Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm  Đánh giá ứng xử và sự làm việc của chốt bê tông chịu trượt dọc thông qua thí nghiệm đẩy (push-out).  Khảo sát và đánh giá các tham số thành phần tham gia sức kháng trượt dọc của chốt bê tông.  So sánh kết quả nghiên cứu với các số liệu của các tác giả khác đã được công bố trên các tạp chí quốc tế. 5 - Phương pháp số.

 Phương pháp lập trình: Sử dụng ngôn ngữ lập trình VB+ và C# để xây dựng chương trình thiết kế dầm liên hợp NDP phục vụ cho việc tính toán thiết kế;  Phương pháp mô phỏng: Sử dụng chương trình ABAQUS mô phỏng sự làm việc của dầm NDBeam khi chịu tải trọng; 6. Những đóng góp mới của luận án - Đề xuất một loại dầm liên hợp mới được đặt tên là dầm NDBeam, có các tính chất hình học đảm bảo yêu cầu tiết kiệm chiều cao kết cấu và tiết kiệm chốt thép chịu cắt có mũ truyền thống; - Cung cấp bộ số liệu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của kích thước lỗ mở, chiều dày bụng dầm và sự làm việc đồng thời của các chốt chịu cắt bằng bê tông tại các lỗ mở hình thang ngược dọc theo bụng dầm thép (chốt bê tông CD-iZ) tới khả năng chịu trượt của loại chốt này; - Đề xuất công thức xác định khả năng chịu trượt của loại chốt bê tông CD-iZ này trong dầm NDBeam; - Đề xuất quy trình thiết kế và lập phần mềm NDP thiết kế cho dầm NDBeam ứng dụng trong công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, độ tin cậy của phần mềm được đánh giá bằng mô hình số PTTH sử dụng phần mềm ABAQUS. Cấu trúc và nội dung luận án Bên cạnh các phần mở đầu, mục lục, danh mục các chữ viết tắt, ký hiệu, thuật ngữ, danh mục các bảng biểu, danh mục các hình vẽ, sơ đồ, đồ thị, tài liệu tham khảo, các công trình khoa học đã công bố, nội dung chính của luận án được trình bày gồm 4 chương và phần kết luận. Tổng quan về kết cấu dầm liên hợp thép bê tông có chiều cao nhỏ.

6 Nội dung chính của chương 1 là trình bày tổng quan về các giải pháp dầm liên hợp thép bê tông có chiều cao nhỏ cũng như giải pháp liên kết chịu trượt dọc trong dầm liên hợp. Các kết quả nghiên cứu nổi bật trên thế giới và ở Việt Nam về vấn đề này sẽ được trình bày. Nghiên cứu sự làm việc của dầm liên hợp thép bê tông NDBeam Nội dung chính của chương 2 là nghiên cứu lý thuyết sự làm việc của dầm liên hợp thép bê tông nói chung, đặc biệt là dầm liên hợp có chiều cao nhỏ NDBeam. Thiết lập các công thức xác định các đặc trưng hình học của tiết diện dầm liên hợp có chiều cao nhỏ, xác định sức kháng mômen bền dẻo dương, sức kháng cắt đứng, sức kháng trượt dọc, độ cứng.

Đánh giá ứng xử của chốt bê tông CD-iZ chịu trượt dọc Nội dung chương 3 là đánh giá sự làm việc của chốt bê tông chịu trượt; xác định các tham số ảnh hưởng đến sự làm việc của chốt như: kích thước lỗ mở, chiều dày bụng dầm và sự làm việc đồng thời của các chốt thông qua việc thực hiện các thí nghiệm đẩy (push-out). Tiến hành các thí nghiệm khảo sát nhằm đánh giá các tham số thành phần tham gia vào sức kháng trượt dọc của chốt bê tông. Phân tích, tổng hợp và đánh giá các kết quả thí nghiệm đẩy của chốt bê tông. Qua đó xây dựng được công thức xác định sức kháng trượt dọc của chốt bê tông trong dầm liên NDBeam.

Xây dựng chương trình thiết kế dầm liên hợp NDBeam. Nội dung chính của chương 4 giới thiệu quy trình thiết kế dầm liên hợp NDBeam trên cơ sở nghiên cứu lí thuyết sự làm việc của dầm ở chương 2 và đánh giá ứng xử của chốt bê tông ở chương 3. Quy trình thiết kế dầm được kiểm chứng bằng việc so sánh kết quả tính toán từ quy trình đề xuất với kết quả tính toán từ phần mềm mô phỏng Abaqus. Bên cạnh đó xây dựng một phần mềm dùng để tính toán dầm liên hợp NDBeam.