KHOA HỌC-KỸ THUẬT BÀN VỀ Sự LÀM VIỆC VÀ DẠNG PHÁ HOẠI CỦA KẾT CẤU SÀN PHẰNG BÊ TÔNG CỐT THÉP • NGUYỄN THỊ KIM DUNG TĨM TẮT: Kết cấu sàn phẳng sử dụng nhiều cho mục đích dân dụng công nghiệp, đặc biệt siêu thị khu vui chơi giải trí So với kết cấu dầm sàn truyền thống kết cấu sàn phẳng có nhiều ưu điểm Tuy nhiên, nhược điểm dễ bị phá hoại cục vị trí đầu cột Bài viết bàn làm việc dạng phá hoại kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép Từ khóa: sàn phẳng, kết cấu sàn phẳng, bê tông cốt thép Đặt vấn đề Sàn phẳng theo thuật ngữ xây dựng định nghĩa sàn bê tơng cốt thép hai phương tồn khối mà khơng sử dụng dầm cao, toàn tải trọng tác dụng lên sàn truyền trực tiếp qua cột (không qua dầm) Trong xây dựng, việc sử dụng kết cấu sàn phẳng có ưu điểm là: thời gian thi cơng nhanh chóng, chiều cao tầng lưu khơng lớn Tuy nhiên, nhược điểm trọng lượng thân lớn khu vực sàn đầu cột dễ bị phá hoại cục chọc thủng Khi phá hoại xảy vị trí cục việc ngăn chặn lan truyền phá hoại điều cần thiết để tránh sụp đổ lũy tiến xảy Bài viết tác giả phân tích về: “sự làm việc dạng phá hoại kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép” làm sở cho việc đề xuất giải pháp thiết kết chống sụp đổ luỹ tiến, qua ngăn chặn hạn chế thiệt hại sụp đổ dây chuyền cơng trình xây dựng có sử dụng kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép Sự làm việc dạng phá hoại kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép 2.1 Sự làm việc kết cấu sàn phẳng Sàn phẳng dạng kết cấu mà tải trọng tác dụng truyền trực tiếp từ sàn lên đầu cột không thông qua cấu kiện dầm Nhờ vậy, chiều cao tầng kết cấu sàn phằng giảm đáng kể so với chiều cao tầng kết cấu sàn dầm truyền thống (Hình l.a), nhờ giảm chi phí ngun vật liệu q trình xây dựng chi phí điều hịa thơng gió q trình sử dụng Một ưu điểm khác sàn phẳng thời gian thi công ngắn đáng kể so với kết cấu sàn dầm truyền thống Trong tính tốn thiết kế, sàn phẳng thường chia thành dải sàn đầu cột tính tốn tương đương với kết cấu khung dầm dải sàn nhịp tính tốn cấu kiện sàn thơng thường (Hình Ib) Nhược điểm sàn phẳng khu vực sàn đầu cột có nguy chọc thủng cao ứng suất tập trung trọng lượng thân kết cấu lớn Khi xảy chọc thủng đầu cột, lan truyền phá hoại diễn nhanh gây sụp đổ lũy tiến 2.2 Các chếphá hoại sàn phẳng Bản sàn bê tông cốt thép thường thiết kế theo phá hoại dẻo, biểu xuất vêt nứt vỡ bê tông Riêng sàn phẳng loại sàn bê tông cốt thép không dầm hay sàn nấm, loại SỐ 7-Tháng 4/2022 361 TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG Hình 1: Kết cấu sàn phẳng (2) a) Chiều cao hiệu hệ thống sàn phẳng sàn gồm có cột, khơng có dầm Bản thường có chiều dày lấy 1/35 4- 1/40 khoảng cách cột (15 - 20cm) tựa lên lưới cột 6x6m -? 8x8m Chỗ sàn tựa lên đầu cột, ứng suất cục lớn Vì vậy, dạng phá hoại khác sàn phẳng bê tông cốt thép dạng phá hoại cắt chọc thủng nút cột sàn phẳng Đặc điểm dạng phá hoại cắt (chọc thủng) sụp đổ đột ngột dấu hiệu biến dạng chuyển vị nhỏ, khó quan sát Chính thế, để khắc phục người ta phải cấu tạo mũ cột loe to theo góc 45 độ, rộng 0.2 - 0.3 bước cột [1], 2.3 Ung xử sàn phẳng bê tông cốt thép trạng thái biến dạng lớn chế chịu lực thứ cấp 2.3.1 ứng xử sàn phẳng trạng thái biến dạng lớn Thông thường việc thiết kế sàn bê tông cốt thép thường dựa lý thuyết biến dạng nhỏ Khi có cố cột chịu lực dẫn đến hiệu ứng gấp đôi nhịp với hiệu ứng động Trong trường hợp này, tương tác thành phần kết cấu khác trở nên quan trọng để cung cấp đường tải trọng thay Cơ chế làm việc sàn biến dạng lớn - hiệu ứng màng kỳ vọng hạn chế phá hoại gây sụp đổ lũy tiến hệ kết cấu Tùy thuộc vào điều kiện biên, phát triển lực màng mặt phẳng sàn, nâng cao đáng kể khả chịu tải, tạo tải trọng giới hạn vượt khả chịu tải dựa ứng xử uốn [5] Hiệu ứng màng 362 SỐ - Tháng 4/2022 b) Dải cột dải nhịp kết cấu sàn phàng phân loại thành dạng khác nhau: • Hiệu ứng màng nén; • Hiệu ứng màng kéo; • Hiệu ứng màng kéo với phát triển ■ vành nén (vành cứng) Các điều kiện xuất hiệu ứng màng bao gồm màng kéo trung tâm, màng nén cạnh sàn có chuyển vị lớn tóm tắt Hình 2.3.2 Ngun lý phát triển hiệu ứng màng sàn bê tông cốt thép (Hĩnh 2) 2.3.3 Hiệu ứng màng nén sàn bê tông cốt thép bị hạn chế chuyển vị ngang Xét ứng xử kết cấu sàn bê tông cốt thép chịu tải trọng (Hình 3) Khi sàn biến dạng tải trọng tác dụng, vết nứt hình thành phía bê tơng chịu kéo (căng), dẫn đến tăng biến dạng kéo cốt thép Biến dạng tạo kéo dài tấm, dẫn đến chuyển vị ngang phía ngồi trường hợp tự Trên thực tế, chuyển dịch ngang ngăn chặn liên kết phần tử kết cấu khác dẫn đến hạn chế chuyển vị ngang lực nén màng tạo ra, chúng làm tăng thêm khả uốn sàn Cơ chế phát triển màng nén biểu diễn sơ đồ Hình 2.3.4 Hiệu ứng màng căng sàn bê tông cốt thép bị hạn chế chuyển vị ngang Sự xuất hiệu ứng màng căng chuyển vị lớn gọi màng kéo Nhiều nghiên cứu thực nhằm làm rõ hiệu ứng KHOA HỌC-KỸ THUẬT Hình 2: Các loại hiệu ứng màng kết cấu sàn phẳng (6) ban đầu có chuyển vị lổn hiệu ứng màng kéo bắt đầu phát triển Trong trường hợp cốt thép dọc neo đủ, cốt thép hoạt động lưới chịu kéo hay lưới căng sụp đổ biểu đứt cốt thép Hình Park and Gamble (2000) [4] đề cập đến hiệu ứng màng căng nhiều nghiên cứu Nghiên cứu Park cho rằng, cấu kiện biến dạng lớn, tải trọng tác dụng kết cấu xuất hiệu ứng màng kéo vượt q tải trọng thiết kế thơng thường Khía cạnh tạo chế chịu lực thứ cấp hữu ích việc ngăn ngừa sụp đổ lũy tiến, có tải trọng bất thường gây Hình 3: Hệ kết cấu khung sàn phảng Chịu lực(6) Tái liiiiLỉiiiU ĩ T, int cột chịu lực dẫn đến cấu kiện vị trí biến dạng lớn Hiệu ứng màng kéo chưa kể đến thiết kế kết cấu thơng thường, chủ yếu liên quan đến việc đáp ứng tiêu chuẩn trạng thái làm việc cục (giới hạn ứng suất, giới hạn biến dạng) tải trọng tác dụng cụ thể Tuy nhiên, hiệu ứng màng kéo môi Neil(1979) [3], Russel (2015) [7] Chúng xảy giai đoạn biến dạng lớn cấu kiện đồng thời với biểu xảy tình trạng nứt hư hỏng bê tông tăng cao cuối lại cốt thép làm việc lưới chịu kéo Điều phù hợp với nghiên cứu Gouvemeur (2014) [6] Nghiên cứu sau cấu trúc sàn bị hư hỏng quan tâm lớn xác định ứng xử tổng thể hệ kết cấu sau cố cột cục Hiệu ứng cần kể đến thiết kế thông thường Việc cột chịu lực thường dẫn đến biến dạng lớn tình thường dùng để đánh giá sức kháng tải kết cấu bê tông cốt thép với tác động chế màng căng (Đường truyền tải trọng thay thế) Hình 4: Nguyên lý phát triển hiệu ứng màng nén sàn bê tông cốt thép (6) Số - Tháng 4/2022 3Ĩ3 TẠP CHÍ CƠNG THƯƠNG Hình 5: Ngun lý phát triển hiệu ứng màng căng sàn bê tơng cốt thép (6) Hình 6: Ngun lý phát triển hiệu ứng màng cáng kết hợp vành nén(5) 2.3.5 Hiệu ứng màng với sàn bê tông cốt thép không hạn chế chuyển vị ngang Trong trường hợp này, sàn bê tông cốt thép chịu tải chế màng kéo phát triển tâm chế màng nén thiết lập "vòng" xung quanh chu vi sàn (Bailey 2004) [5] Sơ đồ biểu diễn hiệu ứng tác động màng chịu kéo kết hợp với vịng nén phát triển trơng sàn bê tông cốt thép hai chiều dọc ngang Hình ■ TÀI LIỆU THAM KHẢO: Tiếng Việt Nguyễn Trọng Huy, Phạm Xuân Đạt, Hồ Việt Hùng (2013), "Nghiên cứu thực nghiệm cấu chống phá hủy lũy tiến nhà cao tầng", Hội nghị Khoa học kỷ niệm 50 năm ngày thành lập viện Khoa học cơng nghệ Xây dựng (IBST) 3Ĩ4 SỐ7-Tháng 4/2022 KHOA HỌC-KỸ THUẬT Nguyễn Quốc Cường (2020), Nghiên cứu thực nghiệm chế phá hủy kết cấu sàn phẳng Bê tông cốt thép cột biên, Luận án tiến sĩ, Đại học Kiến trúc Tiếng nước Neil M and Denis Mitchell (1979) Progressive Collapse of flat plate structures ACI journal Park R, Gamble William L (2000) Reinforced concrete slabs, 2nd ed John Wiley and Sons, Inc Bailey c G., Wee s Toh, and Bok M Chan (2008) Simplified and advanced analysis of membrane action of concrete slabs AC1 Structural Journal, 105(S04), p30-40 Dirk Gouverneur (2014) Experimental and Numerical Analysis of Tensile Membrane Action in Reinforced Concrete Slabs in the Framework of Structural Robustness PhD thesis, Ghent University, Belgium Russell, Justin (2015) Progressive collapse of reinforced concrete flat slab structures PhD thesis, University of Nottingham Ngày nhận bài: 16/2/2022 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 7/3/2022 Ngày chấp nhận đăng bài: 17/3/2022 Thông tin tác giả: ThS NGUYỄN THỊ KIM DUNG Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội THE PERFORMANCE AND THE FAILURE MODES OF REINFORCED CONCRETE FLAT SLAB STRUCTURE • Master NGUYEN THI KIM DUNG Hanoi Architectural University ABSTRACT: The flat slab structure is widely used in civil and industrial buildings, especially in supermarkets and playgrounds The flat slab structure has many advantages over the traditional floor beam structure However, the flat slab structure’s main disadvantage is that it is easily to be damaged at the top of the column This paper is about the performance and the failure modes of reinforced concrete flat slab structure SỐ - Tháng 4/2022 3Ó5 ... 6x6m -? 8x8m Chỗ sàn tựa lên đầu cột, ứng suất cục lớn Vì vậy, dạng phá hoại khác sàn phẳng bê tông cốt thép dạng phá hoại cắt chọc thủng nút cột sàn phẳng Đặc điểm dạng phá hoại cắt (chọc thủng)... sàn có chuyển vị lớn tóm tắt Hình 2.3.2 Ngun lý phát triển hiệu ứng màng sàn bê tông cốt thép (Hĩnh 2) 2.3.3 Hiệu ứng màng nén sàn bê tông cốt thép bị hạn chế chuyển vị ngang Xét ứng xử kết cấu. .. Hình 5: Ngun lý phát triển hiệu ứng màng căng sàn bê tông cốt thép (6) Hình 6: Nguyên lý phát triển hiệu ứng màng cáng kết hợp vành nén(5) 2.3.5 Hiệu ứng màng với sàn bê tông cốt thép không hạn