Hãy xem xét bộ khung xương của một tòa nhà chọc trời hoặc xương sống của một cây cầu - làm thế nào mà các cấu trúc này duy trì sự ổn định và an toàn trong khi chịu tải trọng khổng lồ? Câu trả lời thường nằm ở thiết kế kết cấu tinh vi, đặc biệt là trong thiết kế dầm thép và dầm tổ hợp. Bài viết này khám phá các nguyên tắc cơ bản, quy trình thiết kế và ứng dụng thực tế của dầm thép và dầm tổ hợp, đóng vai trò là tài liệu tham khảo toàn diện cho các kỹ sư và kiến trúc sư.

Trong xây dựng hiện đại và kỹ thuật cầu, dầm thép được sử dụng rộng rãi do độ bền cao, tính dễ uốn và dễ chế tạo. Tuy nhiên, dầm thép thông thường có thể không phải lúc nào cũng đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất kết cấu. Dầm tổ hợp được phát triển để tăng cường khả năng chịu tải, giảm độ võng và tối ưu hóa hiệu quả vật liệu bằng cách kết hợp hiệu quả dầm thép với bản bê tông để tạo thành một hệ thống kết cấu tích hợp, tận dụng các ưu điểm của cả hai vật liệu.

Thiết kế dầm thép tạo thành nền tảng của kỹ thuật kết cấu. Là các thành phần kết cấu chịu tải trọng ngang, dầm thép chủ yếu chịu lực cắt và mô men uốn. Mục tiêu thiết kế là chọn các hình dạng và kích thước mặt cắt ngang phù hợp đồng thời tiến hành các xác minh cần thiết để đáp ứng các yêu cầu về độ bền, độ ổn định và biến dạng.

Dầm thép có nhiều dạng mặt cắt ngang khác nhau, bao gồm dầm chữ I, dầm chữ U và dầm hộp. Dầm chữ I đặc biệt phổ biến do khả năng chống uốn tuyệt vời và tính kinh tế. Việc lựa chọn mặt cắt yêu cầu xem xét toàn diện về độ lớn tải trọng, chiều dài nhịp, điều kiện hỗ trợ và cường độ vật liệu. Thông thường, tải trọng và nhịp lớn hơn đòi hỏi mặt cắt lớn hơn.

Xác minh độ bền đại diện cho cốt lõi của thiết kế dầm thép. Vì dầm thép phải chịu cả lực uốn và lực cắt, nên cần có các xác minh riêng biệt cho độ bền uốn và độ bền cắt.

• Xác minh Độ bền Uốn: Điều này đánh giá khả năng chống lại biến dạng uốn của dầm, xem xét độ bền chảy của thép, sự phát triển dẻo của mặt cắt ngang và các chế độ cong vênh tiềm ẩn. Đối với dầm được thiết kế dẻo, việc xác minh đảm bảo mặt cắt có thể tạo thành các khớp dẻo với khả năng xoay đủ. Đối với dầm được thiết kế đàn hồi, việc xác minh xác nhận rằng ứng suất tối đa không vượt quá giới hạn cho phép.
• Xác minh Độ bền Cắt: Điều này đánh giá khả năng chống lại biến dạng cắt, tính đến độ bền cắt của thép và diện tích cắt của mặt cắt. Đối với dầm có bản mỏng, cũng phải xác minh độ ổn định cong vênh của bản bụng.

Độ ổn định đề cập đến khả năng duy trì trạng thái cân bằng dưới tải trọng của dầm. Các chế độ cong vênh tiềm ẩn bao gồm:

• Cong vênh Toàn cục: Liên quan đến sự cong vênh ngang-xoắn của toàn bộ dầm, bị ảnh hưởng bởi các thuộc tính mặt cắt, chiều dài nhịp, điều kiện hỗ trợ và giằng ngang. Các chiến lược giảm thiểu bao gồm giảm chiều dài nhịp, tăng độ cứng xoắn hoặc thêm các điểm tựa ngang.
• Cong vênh Cục bộ: Xảy ra khi các thành phần riêng lẻ (mặt bích hoặc bản bụng) bị cong vênh. Ứng suất tới hạn phụ thuộc vào tỷ lệ chiều rộng trên độ dày. Các phương pháp ngăn ngừa bao gồm giảm các tỷ lệ này, tăng độ dày thành phần hoặc thêm các gân tăng cường.

Độ võng đề cập đến biến dạng dưới tải trọng. Độ võng quá mức có thể làm giảm chức năng và tính thẩm mỹ. Việc xác minh liên quan đến việc giới hạn độ võng tối đa theo yêu cầu của quy chuẩn. Các chiến lược giảm bao gồm tăng mô men quán tính mặt cắt, giảm chiều dài nhịp hoặc tăng cường độ cứng của điểm tựa.

Dầm tổ hợp tích hợp dầm thép với bản bê tông thông qua các đầu nối cơ học, kết hợp độ bền kéo của thép với độ bền nén của bê tông để đạt được khả năng chịu tải cao, độ cứng đáng kể và giảm trọng lượng.

Thiết kế dầm tổ hợp tuân theo các nguyên tắc cơ bản sau:

• Tác động Tổ hợp: Các đầu nối kết hợp các thành phần thép và bê tông để hoạt động đồng bộ dưới tải trọng.
• Phân bố Ứng suất: Ứng suất do tải trọng gây ra phân bố thích hợp giữa các vật liệu để tối đa hóa sức mạnh tương ứng của chúng.
• Truyền Lực cắt: Các đầu nối truyền lực cắt giữa các vật liệu để duy trì tác động tổ hợp.

Đầu nối là các thành phần quan trọng để truyền lực cắt giữa thép và bê tông. Các loại phổ biến bao gồm đinh neo, kênh và thanh cốt thép. Các yêu cầu thiết kế bao gồm:

• Độ bền: Khả năng chống cắt đầy đủ để truyền lực cắt tối đa.
• Độ cứng: Độ cứng đủ để đảm bảo tác động tổ hợp.
• Độ bền: Khả năng chống ăn mòn và mỏi môi trường.

Vì bản bê tông thường rộng hơn dầm thép, không phải tất cả bê tông đều tham gia như nhau vào tác động tổ hợp. Chiều rộng hiệu quả đề cập đến phần được giả định là hoạt động tổ hợp với dầm thép, được xác định bởi các quy định của quy chuẩn xem xét chiều dài nhịp, khoảng cách dầm và độ dày bản.

Xác minh độ bền dầm tổ hợp bao gồm:

• Độ bền Uốn: Xem xét độ bền chảy của thép, độ bền nén của bê tông, độ bền cắt của đầu nối và sự phát triển mặt cắt dẻo. Các phép tính khác nhau dựa trên vị trí trục trung hòa dẻo (trong bản bê tông, mặt bích thép hoặc bản bụng thép).
• Độ bền Cắt: Đánh giá khả năng cắt của dầm thép và khả năng chống cắt của đầu nối, với các kiểm tra cong vênh bản bụng bổ sung cho dầm có bản mỏng.

Tương tự như dầm thép, độ võng của dầm tổ hợp phải tuân thủ các giới hạn của quy chuẩn. Độ cứng lớn hơn của chúng thường dẫn đến độ võng nhỏ hơn.

Thực hành xây dựng ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất cuối cùng. Các yếu tố chính bao gồm:

• Tải trọng Xây dựng: Dầm thép phải chịu tải trọng xây dựng (trọng lượng bản thân, bê tông ướt, công nhân và thiết bị) trước khi bê tông đông cứng, yêu cầu độ bền và độ ổn định tạm thời đầy đủ.
• Phương pháp Ván khuôn: Xây dựng có chống đỡ sử dụng các điểm tựa tạm thời trong quá trình đổ bê tông, trong khi xây dựng không có chống đỡ chỉ dựa vào dầm thép. Xây dựng không có chống đỡ tăng tốc tiến độ nhưng đòi hỏi việc xác minh dầm nghiêm ngặt hơn.
• Lắp đặt Đầu nối: Vị trí thích hợp, chất lượng hàn và bảo vệ chống ăn mòn là rất cần thiết cho hiệu suất.

Dựa trên khả năng cắt của đầu nối, dầm tổ hợp được phân loại là:

• Tác động Tổ hợp Đầy đủ: Đầu nối truyền tất cả lực cắt, đạt được sự tương tác hoàn toàn và khả năng tối đa.
• Tác động Tổ hợp Một phần: Đầu nối chỉ truyền lực cắt một phần, dẫn đến giảm khả năng nhưng có khả năng giảm số lượng đầu nối và chi phí.

Trong dầm hoặc khung liên tục, mô men âm gây ra lực căng ở trên và lực nén ở dưới. Vì độ bền kéo của bê tông không đáng kể, khả năng chống lại dựa vào dầm thép và cốt thép. Các phương pháp tăng cường bao gồm tăng kích thước mặt cắt thép, thêm cốt thép hoặc sử dụng thanh cốt thép cường độ cao.

Các quy chuẩn thiết kế thép cung cấp các hướng dẫn cần thiết. Tại Trung Quốc, tài liệu tham khảo chính là GB 50017 (Quy chuẩn Thiết kế Kết cấu Thép), trong đó quy định việc lựa chọn vật liệu, thiết kế mặt cắt, xác minh độ bền, kiểm tra độ ổn định và thiết kế liên kết. Tuân thủ nghiêm ngặt quy chuẩn đảm bảo an toàn kết cấu.

Phần mềm chuyên dụng như ASDIP STEEL tăng cường hiệu quả và độ chính xác trong thiết kế dầm thép và dầm tổ hợp, cung cấp:

• Khả năng toàn diện cho các loại dầm khác nhau (đơn giản, liên tục, dầm công xôn, có khung)
• Giao diện thân thiện với người dùng
• Các phương pháp tính toán nâng cao
• Báo cáo chi tiết (tính toán, kết quả xác minh, số lượng vật liệu)

Dầm thép và dầm tổ hợp là không thể thiếu trong xây dựng hiện đại và kỹ thuật cầu. Bằng cách hiểu rõ các nguyên tắc thiết kế và ứng dụng của chúng, và tận dụng các công cụ tiên tiến, các chuyên gia có thể tạo ra các cấu trúc an toàn hơn, tiết kiệm hơn và thẩm mỹ hơn. Khi công nghệ tiến bộ, thiết kế thép đang phát triển theo hướng thông minh và chính xác hơn, trong khi các cân nhắc về tính bền vững thúc đẩy các vật liệu và quy trình thân thiện với môi trường. Với Mô hình Thông tin Xây dựng (BIM) cho phép phối hợp liên ngành tốt hơn, kết cấu thép sẽ tiếp tục đóng một vai trò quan trọng trong việc định hình môi trường xây dựng.