VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP 10 CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP 11 1. BÊ TÔNG 1.1. Quy định của Eurocode 2 và Eurocode 4 Trong kết cấu liên hợp dùng bê tông thông thường như trong kết cấu bê tông cốt thép. Có thể dùng bê tông nặng (bê tông thông thường) với khối lượng riêng 1800 < ρ ≤ 2500 kg/m 3 , hoặc bê tông nhẹ 1600 < ρ ≤ 1800 kg/m 3 . 1.1.1. Các cường độ đặc trưng của bê tông Bảng 2.1. Các đặc trưng cơ học của bê tông theo Eurocode 4 Lớp độ bền C20/25 C25/30 C30/37 C35/45 C40/50 C45/55 C50/60 f ck (N/mm 2 ) 20 25 30 35 40 45 50 f ctk,0.05 (N/mm 2 ) 1,5 1,8 2,0 2,2 2,5 2,7 2,9 f cm (N/mm 2 ) 28 33 38 43 48 53 58 f ctm (N/mm 2 ) 2,2 2,6 2,9 3,2 3,5 3,8 4,1 E cm (kN/mm 2 ) 29 30,5 32 33,5 35 36 37 Chú thích : f ck – Cường độ chịu nén đặc trưng của mẫu bê tông hình trụ ở tuổi 28 ngày f ctk,0.05 – Cường độ chịu kéo đặc trưng của mẫu bê tông hình trụ ở tuổi 28 ngày f cm – Cường độ chịu nén trung bình của mẫu bê tông hình trụ ở tuổi 28 ngày f ctm – Cường độ chịu kéo trung bình của mẫu bê tông hình trụ ở tuổi 28 ngày E cm – Module đàn hồi cát tuyến có kể đến ảnh hưởng của các tác động ngắn hạn. Trong kí hiệu lớp độ bền, chẳng hạn C25/30, con số đầu tiên là cường độ chịu nén đặc trưng của mẫu bê tông hình trụ ở tuổi 28 ngày, con số thứ hai là cường độ chịu nén đặc trưng của mẫu bê tông hình lập phương ở tuổi 28 ngày. Ví dụ : cường độ chịu nén đặc trưng của mẫu bê tông C25/30 hình lập phương ở tuổi 28 ngày là 30 Mpa (N/mm 2 ). 1.1.2. Cường độ tính toán  Cường độ tính toán chịu nén của bê tông tính như sau : ck cc cd c f f    Trong đó : γ c – hệ số kể đến đặc tính riêng của bê tông, lấy theo bảng 2.2. phụ thuộc tổ hợp tải trọng. α cc – hệ số kể đến những tác động lâu dài đến sức bền nén và các tác động bất lợi của các tải trọng tác dụng. Giá trị α cc giao động từ 0,8 – 1 tùy theo qui định của từng nước (các nước thành viên sử dụng Eurocode). Có thể dùng α cc = 1. Bảng 2.2. Hệ số đặc tính riêng của bê tông γ c Tổ hợp tải trọng Bê tông γ c Thép thanh và thép ứng suất trước γ c Cơ bản 1,5 1,15 Đặc biệt (trừ động đất) 1,3 1,0  Cường độ tính toán chịu kéo của bê tông tính như sau : VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP 12 ,0.05ctk ct ctd c f f    Trong đó : γ c – hệ số kể đến đặc tính riêng của bê tông, lấy theo bảng 2.2. phụ thuộc tổ hợp tải trọng. α ct – hệ số kể đến những tác động lâu dài đến sức bền kéo và các tác động bất lợi của các tải trọng tác dụng. Giá trị α ct tùy theo qui định của từng nước (các nước thành viên sử dụng Eurocode). Có thể dùng α cc = 1. f ctk,0.05 – Cường độ chịu kéo đặc trưng của mẫu bê tông hình trụ ở tuổi 28 ngày, lấy theo bảng 2.1 1.1.3. Module đàn hồi E cm  Module đàn hồi riêng của bê tông Module đàn hồi E cm của bê tông phụ thuộc module đàn hồi của các yếu tố thành phần. Các giá trị của E cm được cho trong bảng 2.1 là cho bê tông cốt liệu đá thạch anh. Đối với cốt liệu đá vôi hoặc đá sa thạch thì module đàn hồi có thể giàm tương ứng 10% và 30%. Ngược lại cốt liệu từ đá bazan thì module đàn hồi tăng 20%.  Module đàn hồi của tiết diện liên hợp thép – bê tông Để xác định các đặc trưng của tiết diện dầm sàn liên hợp , người ta đưa vào khái niệm hệ số tính đổi tương đương thép – bê tông được xác định như sau a cm E n E  Trong đó : E a – module đàn hồi của kết cấu thép Đối với bê tông nhẹ Eurocode điều chỉnh giá trị của E cm bằng cách nhân các giá trị E cm cho trong bảng 2.1 với trị số (ρ/2400) 2 . Ngoài ra, dưới tác động của các tác dụng dài hạn, bê tông sẽ chịu các biến dạng khác hoặc hiện tượng mỏi, một cách đơn giản hóa để kể đến hiện tượng mỏi do tác dụng của tải trọng dài hạn người ta giảm giá trị của module cát tuyến E cm . Thường dùng giá trị E cm /3, như vậy hệ số tính đổi tương đương của tải trọng dài hạn sẽ là : n’ = 3n Chú ý rằng đối với phần lớn các công trình, ngoài các điều chính xác hóa, với mục đích an toàn và đơn giản hóa trong việc phân tích cho phép dùng hệ số tính đổi tương đương duy nhất của giá trị trung gian : n” = 2n Giá trị này dung chung cho cả tác dụng dài hạn và ngắn hạn. 1.1.4. Sự co ngót của bê tông Một hiện tượng khác, từ bản chất lý hóa, tác dụng đến biến dạng của bê tông theo thời gian: đó là sự co ngót mà qui luật đánh giá nó rất gần với hiện tượng mỏi. Sự co ngót này coi như được xảy ra tự do, và được xác định qua hệ số co ngót như sau:  Bằng 3.10 -4 trong môi trường khô ở trong hoặc ngoài công trình (trừ các cấu kiện được nhồi bê tông). VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP 13  Bằng 2.10 -4 trong các môi trường khác và cho các cấu kiện nhồi bê tông. Các giá trị trên dùng cho bê tông có khối lượng riêng trung bình thông thường, đối với bê tông nhẹ, các giá trị trên được nhân với 1,5 lần. Trong kết cấu liên hợp, hiện tượng co ngót gây nên các ứng suất. Tuy nhiên, khi tính toán công trình theo trạng thái giới hạn về phá hỏng (trạng thái kết cấu không sử dụng được nữa) rất ít khi kể đến sự co ngót của bê tông. Cần lưu ý ở đây chỉ đối với tiết diện liên hợp loại 4, có thể kể đến ảnh hưởng của co ngót bê tông khi tính toán độ võng của kết cấu theo trạng thái giới hạn về sử dụng, nhất là đối với dầm đơn giản nhịp lớn. 1.1.5. Hệ số dãn nở do nhiệt Hệ số dãn nỡ nhiệt của bê tông gần như bằng hệ số dãn nở do nhiệt của thép kết cấu, tức là 015 10 C    ; đối với bê tông nhẹ 015 0,7 10 C    . Chú ý rằng tác động khác nhau của nhiệt độ giữa bê tông sàn và các thép định hình có thể ghép vào tác động của bê tông sàn. Nhưng trong tính toán công trình thông thường theo trạng thái giới hạn về phá hoại thường bỏ qua tác động này. 1.2. Qui định của Việt Nam – TCXDVN 356:2005 Mẫu bê tông qui định trong TCXDVN là mẫu lập phương. Tiêu chuẩn này có thể dùng các loại bê tông sau cho kết cấu liên hợp thép – bê tông :  Bê tông nặng có khối lượng riêng trung bình từ 2200 kg/m 3 đến 2500 kg/m 3 ;  Bê tông hạt nhỏ có khối lượng riêng trung bình lớn hơn 1800 kg/m 3 ;  Bê tông nhẹ có cấu trúc đặc và rỗng; 1.2.1. Cấp độ bền chịu nén - cường độ chịu nén tức thời Tương quan giữa cấp độ bền chịu nén và cường độ chịu nén tức thời của bê tông được xác định theo công thức:    6411 ,BB m  m B – tương ứng là các giá trị trung bình thống kê của cường độ chịu nén tức thời ν – hệ số biến động của cường độ các mẫu thử tiêu chuẩn, phụ thuộc vào trình độ công nghệ sản xuất bê tông:  = 0,135 ứng với trường hợp chịu nén. Bảng 2.3. Đặc trưng cơ học của bê tông theo TCXDVN 356:2005 Cấp độ bền chịu nén Cường độ trung bình của mẫu thử tiêu chuẩn, MPa Cấp độ bền chịu nén Cường độ trung bình của mẫu thử tiêu chuẩn, MPa B10 12,84 B40 51,37 B12,5 16,05 B45 57,80 B15 19,27 B50 64,22 B20 25,69 B55 70,64 B22,5 28,90 B60 77,06 B25 32,11 B65 83,48 B27,5 35,32 B70 89,90 B30 38,53 B75 96,33 B35 44,95 B80 102,75 VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP 14 1.2.2. Cấp độ bền chịu nén - cường độ chịu nén tiêu chuẩn Tương quan giữa cường độ chịu nén tiêu chuẩn của bê tông (cường độ lăng trụ) và cấp độ bền chịu nén của bê tông được xác định theo các công thức sau:  Đối với bê tông nặng, bê tông hạt nhỏ, bê tông nhẹ và bê tông rỗng:   BBR bn 001,077,0  nhưng không nhỏ hơn 0,72.  Đối với bê tông tổ ong:   BBR bn 005,095,0  1.2.3. Cấp độ bền chịu nén - cường độ chịu nén tính toán Cường độ chịu nén tính toán của bê tông khi tính toán ở trạng thái giới hạn thứ nhất được xác định bằng cách lấy cường độ tiêu chuẩn chia cho hệ số độ tin cậy của bê tông khi chịu nén. Đối với bê tông nặng, hệ số độ tin cậy của bê tông khi chịu nén khi tính toán kết cấu ở trạng thái giới hạn thứ nhất là 1. 1.3. So sánh các đặc trưng cơ học của bê tông theo hai tiêu chuẩn Eurocode 4 và TCXDVN 356:2005 1.3.1. Về các đặc trưng cường độ Cách thành lập cường độ tính toán cho bê tông của hai tiêu chuẩn Eurocode và Việt Nam là khác nhau. Vì vậy để so sánh giữa hai tiêu chuẩn là khó khăn. Tuy nhiên cả hai tiêu chuẩn đều dựa vào cường độ chịu nén tức thời trung bình của các mẫu thí nghiệm để thành lập nên các thông số cường độ để dùng cho thiết kế. Các giá trị thí nghiệm của mẫu đều tồn tại khách quan không phụ thuộc vào các hệ số an toàn vật liệu, hệ số tải trọng, hệ số điều kiện làm việc… theo từng tiêu chuẩn. Do đó để so sánh cấp độ bền bê tông ta dùng cường độ chịu nén tức thời trung bình của mẫu bê tông. Tuy nhiên, để thống nhất với tiêu chuẩn của Việt Nam ta chuyển đổi tất cả các giá trị trung bình của mẫu nén hình trụ của Eurocode thành mẫu lập phương. Cách chuyển đổi như sau : Ví dụ với mẫu có cấp độ bền C20/25 Ghi chú f cm (N/mm 2 ) Mẫu hình trụ 28 Giá trị Eurocode cho Mẫu lập phương 25 28 35 20  Giá trị tính được bằng cách nhân hệ số chuyển đổi 25/20 Dựa theo cách tính như trên , ta có bảng 2.11 với các giá trị chuyển đổi cường độ giữa hai loại mẫu. VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP 15 Bảng 2.4. Giá trị cường độ chịu nén trung bình f cm của bê tông ở tuổi 28 ngày theo Eurocode 4 Lớp độ bền C20/25 C25/30 C30/37 C35/45 C40/50 C45/55 C50/60 f cm (N/mm 2 ) Mẫu hình trụ 28 33 38 43 48 53 58 Mẫu hình lập phương 35 39.6 46.7 55 60 64,7 69,6 So sánh bảng 2.3 và 2.4, ta có tổng hợp kết quả qui đổi tương đương giữa cấp độ bền của bê tông theo TCXDVN với Eurocode như sau:  Lớp độ bền C20/25 Eurocode tương đương cấp B25 (Mác 350) của TCXDVN.  Lớp độ bền C25/30 Eurocode tương đương cấp B30 (Mác 400) của TCXDVN.  Lớp độ bền C30/37 Eurocode tương đương cấp B35 (Mác 450) của TCXDVN.  Lớp độ bền C35/45 Eurocode tương đương cấp B45 (Mác 600) của TCXDVN. Như vậy cần lưu ý rằng theo qui định của Eurocode 4 thì chì được dùng bê tông có cấp độ bền B25 (hay mác 350) trở lên theo TCXDVN để chế tao kết cấu liên hợp thép – bê tông. 1.3.2. Về một số chỉ tiêu cơ lý khác  Về module đàn hồi : so sánh các giá trị module đàn hồi trong bảng 2.1 và 2.10 ta thấy các giá trị module đàn hồi gần tương đương nhau trong cả hai tiêu chuẩn Eurocode 4 và TCXDVN 356:2005.  Các hệ số dãn nở nhiệt, hê số Poisson như nhau cho cả hai tiêu chuẩn. KẾT LUẬN : Khi thiết kế kết cấu liên hợp thép – bê tông theo tiêu chuẩn Eurocode 4 có thể lấy các cấp độ bền (hay mác) bê tông theo TCXDVN 356:2005 tương đương với lớp độ bền của bê tông theo Eurocode 4 rồi sử dụng lý thuyết thiết kế theo Eurocode 4. 2. THÉP 2.1. Thép thanh 2.1.1. Theo Eurocode 4 Tiêu chuẩn Châu Âu EN 100803 đã đưa ra ba mác thép dùng cho kết cấu liên hợp : S220; S400; S500, các con số ở ký hiệu chỉ giới hạn đàn hồi của từng loại f sk (N/mm 2 ). Mác S220 là thép tròn trơn cán nóng, các mác S400 và S500 là thép thanh tròn có gai (kể cả lưới thép hàn) cho tính ma sát lớn. Ở đây chỉ tính toán mức dẻo cho phép chủ yếu đối với các mác thép S400, S500 loại có tính dẻo lớn, theo qui định của Eurocode 2 nếu f s (u) là sức bền kéo đứt của thép và ε sk (u) là biến dạng tương đối khi bị đứt thì yêu cầu về tính dẻo dai như sau: () 5% u sk   và () 1,08 u s sk f f  VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP 16 Module đàn hồi E s của cốt thép giao động từ 190 đến 200 kN/mm 2 . Để đơn giản tính toán, trong kết cấu liên hợp cho phép lấy giá trị của E s là giá trị của E a = 210 kN/mm 2 của kết cấu thép. 2.1.1. Theo TCXDVN 356:2005 TCXDVN qui định dùng thép thanh cho kết cấu bê tông cốt thép, ký hiệu, cường độ chịu kéo tiêu chuẩn R sn và cường độ chịu kéo tính toán khi tính toán theo trạng thái giới hạn thứ hai R s,ser của chúng nêu ở bảng 2.5. Bảng 2.5. Thép thanh dùng cho kết cấu bê tông cốt thép theo TCXDVN 356:2005 Nhóm cốt thép thanh Giá trị R sn và R s,ser , MPa CI, A-I 235 CII, A-II 295 CIII, A-III 390 CIV, A-IV 590 A-V 788 A-VI 980 AT-VII 1175 Ghi chú: Nhóm CI, AI là thép trơn Nhóm CII, A-II đến A-VI là thép gai Thép AT-VII là thép có gai được gia công nhiệt và cơ nhiệt luyện. Có thể kết luận rằng các đặc trưng cơ học như giới hạn chảy, module đàn hồi, tính dẻo… về cơ bản giống như thép của Eurocode. Khi thiết kế có thể sử dụng các loại thép này làm cơ sở để tính toán théo các công thức của Eurocode 4. 2.2. Thép kết cấu (thép làm lõi chịu lực của kết cấu liên hợp) 2.2.1. Theo Eurocode 4 Trong tiêu chuẩn Eurocode 4 part 1 trình bày cách tính toán các kết cấu liên hợp được sản suất từ thép mác thông thường S235, S275 và S355 (các con số ký hiệu giới hạn chảy N/mm 2 ) xác định trong tiêu chuẩn EN 10025 và EN 10113. Để có các giá trị tiêu chuẩn của giới hạn chảy f y và sức bền kéo đứt f u của các cấu kiện cán nóng phụ thuộc vào chiều dày, được cho trong bảng 2.6. Bảng 2.6. Các chỉ tiêu cơ học của thép cán nóng theo TCVN 5709:1993 Thép Chiều dày t (mm) t  40mmn 40 < t  40mmn f y (N/mm 2 ) f u (N/mm 2 ) f y (N/mm 2 ) f u (N/mm 2 ) S275 275 390 255 370 S355 355 490 335 470 2.2.1. Theo TCVN 5709:1993. Thép cán nóng dùng cho xây dựng Các chỉ tiêu cơ học của các loại thép cán nóng có thể sử dụng trong kết cấu xây dựng nêu ở bảng 2.7. VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP 17 Bảng 2.7. Các chỉ tiêu cơ học của thép cán nóng theo TCVN 5709:1993 Mác thép Độ bền kéo N/mm 2 Giới hạn chảy (N/mm 2 ) cho độ dày (mm) Độ dãn dài (%) cho độ dày (mm) ≤ 20 > 20 đến 40 > 40 đến 100 ≤ 20 > 20 đến 40 > 40 đến 100 XCT34 340 – 440 220 210 200 32 31 29 XCT38 380 – 500 240 230 220 26 25 23 XCT42 420 – 520 260 250 240 23 23 22 XCT52 520 – 620 360 350 350 22 22 21 Đối chiếu các loại thép trong hai tiêu chuẩn và theo qui định của Eurocode 4 nên dùng thép Việt Nam có các mác từ XCT38 trở lên. 2.3. Tôn định hình bằng thép của sàn liên hợp Mác thép cho tấm tôn thép được qui định trong tiêu chuẩn Eurocode 10147, với các giá trị tiêu chuẩn của giới hạn đàn hồi của vật liệu thép cơ bản f yp từ 220 đến 350 N/mm 2 . Chiều dày của các tấm tôn này từ 0,7 – 1,5 mm, mỗi mặt đều được mạ kẽm dày 0,02 mm để chống ăn mòn, có thể bổ sung sơn sau mạ kẽm. Mô hình làm việc hoàn toàn đàn dẻo, module đàn hồi E= 210 kN/m 2 , các giá trị dùng cho thép kết cấu có thể áp dụng cho vật liệu chế tạo tôn định hình. Như vậy khi thiết kế sàn liên hợp ở Việt Nam cần chọn các loại tôn thỏa mãn các yêu cầu nêu ở trên. 3. LIÊN KẾT 3.1. Liên kết chịu cắt (shear connector) Trong luận văn này, chỉ xét Shear Connector là liên kết chốt hàn (Headed Stud Connector). Các đặc trưng cường độ của liên kết chốt hàn được xác định trong Eurocode 4. Thông thường cường độ thép sử dụng là f u =450 N/mm 2 (sức bền kéo đứt của thép làm chốt). 3.2. Bu lông Bảng 2.8. Giá trị cường độ chảy và cường độ tới hạn của bu lông Lớp độ bền 4.6 4.8 5.6 5.8 6.8 8.8 10.9 f yb (N/mm 2 ) 240 320 300 400 480 640 900 f ub (N/mm 2 ) 400 400 500 500 600 800 1000 Trong luận văn này ta dùng bu lông lớp 8.8 để thiết kế cho khung liên hợp. Một số chi tiết khác như cầu thang… tải nhỏ, ta dùng bu lông lớp 5.6 thiết kế. . VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP 10 CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP VẬT LIỆU SỬ DỤNG CHO KẾT CẤU LIÊN HỢP 11 1. BÊ TÔNG 1.1. Quy định của Eurocode 2. 340 – 440 22 0 21 0 20 0 32 31 29 XCT38 380 – 500 24 0 23 0 22 0 26 25 23 XCT 42 420 – 520 26 0 25 0 24 0 23 23 22 XCT 52 520 – 620 360 350 350 22 22 21 Đối chiếu các loại. (N/mm 2 ) 1,5 1,8 2, 0 2, 2 2, 5 2, 7 2, 9 f cm (N/mm 2 ) 28 33 38 43 48 53 58 f ctm (N/mm 2 ) 2, 2 2, 6 2, 9 3 ,2 3,5 3,8 4,1 E cm (kN/mm 2 ) 29 30,5 32 33,5 35 36 37