Nghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tôngNghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tông
TỔNG QUANCỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG, SÀNPHẲNG VÀ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀNPHẲNG BÊ TÔNGCỐTTHÉP
Tổng quan về cột ống thép nhồibêtông
Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) là một kết cấu liên hợp bao gồm vỏ ống thép và lõi bê tông cùng làm việc chung với nhau (Hình 1.1).
Hình 1.1 Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tông
Cường độ chịu nén của bê tông lớn hơn rất nhiều so với cường độ chịu kéo và khả năng chịu nén của bê tông sẽ được tăng lên khi bê tông bị hạn chế nở hông Đối với kết cấu thép, cường độ chịu kéo cao nhưng dễ bị mất ổn định cục bộ dưới tải trọng nén Như vậy, thép và bê tông được sử dụng kết hợp để có thể phát huy hết bản chất tự nhiên của từng loại vật liệu để tạo ra kết cấu có nhiều ưu điểm Loại kết cấu này hiện đang được nghiên cứu áp dụng cho công trình nhà cao tầng, nhà công nghiệp và các công trình cầu tại Việt Nam. Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông
- Cách sắp xếp vật liệu trên trên mặt cắt ngang làm tối ưu cường độ và độ cứng của cấu kiện Cốt thép được phân bố ở chu vi ngoài cùng của tiết diện nên phát huy hiệu quả làm việc cao nhất khi chịu mô men uốn Bê tông tạo một lõi lý tưởngđểchốnglạitảitrọngnéntrongquátrìnhlàmviệc,trìhoãnvàchốnglạisự mất ổn định cục bộ của ống thép, đặc biệt các cấu kiện có tiết diện hình vuông hoặc chữ nhật Ngoài ra, ống thép cản trở biến dạng nở hông của lõi bê tông làm tăng khả năng chịu nén và độ dẻo dai đối với cấu kiện CFST.
- Việc nhồi bê tông vào trong ống thép làm nâng cao độ chống ăn mòn bên trong ống thép, làm giảm độ mảnh, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả năng chống móp méo của vỏ ống thép khi vađập.
- Khả năng chống cháy của cột CFST tốt hơn so với cộtthép.
- Giá thành tổng thể của công trình làm bằng kết cấu ống thép nhồi bê tông nói chung nhỏ hơn nhiều so với giá thành của công trình tương tự làm bằng kết cấu bê tông cốt thép hay kết cấu thép thông thường Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn so với kết cấu bê tông do đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn đồng thời làm giảm tải trọng xuống móng Kết cấu ống thép nhồi bê tông kinh tế hơn so với kết cấu bê tông cốt thép vì không cần ván khuôn, giá vòm, đai kẹp và các chi tiết đặt sẵn, nó có sức chịu đựng tốt hơn, ít hư hỏng do va đập Do không có cốt chịu lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tông với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỉ lệ N/X có thể lấy nhỏ hơn) và sẽ dễ dàng đạt chất lượng bê tông cao hơn[5].
Hạn chế lớn nhất ảnh hưởng đến việc sử dụng rộng rãi loại kết cấu này đó là cấu tạo liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông với sàn bê tông cốt thép, dầm bê tông cốt thép hay dầm thép Các ứng xử, cơ chế làm việc, trạng thái phá hoại liên kết chưa được hiểu rõ, do đó gây ra không ít những khó khăn cho tính toán, thiết kế, cấu tạo liên kết nhằm kết hợp các loại kết cấu này thành hệ kết cấu hiệu quả sử dụng cho công trình nhà cao tầng tại ViệtNam.
Cột ống thép nhồi bê tông về mặt cấu tạo rất đa dạng Dạng tiết diện phổ biến nhất của cột CFST là tiết diện mà bê tông được nhồi vào phần rỗng bên trong ống thép có dạng hình tròn (Circular Hollow Section - CHS), hay cột có tiết diện rỗng hình vuông (Square Hollow Section- SHS) hoặc cột có tiết diện rỗng hình chữ nhật(Rectangular Hollow Section - RHS) Đối với tiết diện CHS sự hạn chế biến dạng
Lõi bêtông Lõi bêtông Lõi bêtông a b
Lõi bêtông Lõi bêtông Lõi bêtông
Lõi bêtông Lõi bêtông Lõi bêtông ngang của lõi bê tông là lớn nhất và mất ổn định cục bộ chỉ xuất hiện đối với tiết diện hình vuông và chữ nhật Tuy nhiên, cột CFST với các tiết diện SHS và RHS vẫn tiếp tục được sử dụng nhiều trong xây dựng với những ưu điểm riêng của nó. Những dạng tiết diện ngang khác cũng được sử dụng cho mục đích nghệ thuật như dạng đa giác, dạng elip, v.v (Hình 1.2).
Hình 1.2 Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tông
Cột CFST có tiết diện bao gồm ống thép trong và ống thép ngoài, bê tông được nhồi vào giữa hai ống thép (Hình 1.3) Với cấu tạo mặt cắt như thế này, cột sẽ có độ cứng chống uốn lớn, cường độ cao, khả năng chống cháy tốt hơn và tránh được sự mất ổn định đối với cấu kiện khi chịu tác động của áp lực bên ngoài Dạng cột này có thể là lựa chọn tối ưu khi thiết kế những cấu kiện với tiết diện nganglớn.
OÁngtheùp OÁngtheùp OÁngtheùp OÁngtheùp OÁngtheùp
Hình 1.3 Cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép
Trường hợp cột CFST được bao bọc bởi bê tông cốt thép truyền thống (Hình1.4) Cấu tạo tiết diện gồm ống thép bên trong được lắp đặt trước tiếp theo là lắp đặt các hệ thép gia cường, lớp bê tông bên trong và bên ngoài được đổ sau đó. Việc a a
Lõi bêtông nhồi bê tông vào trong ống sẽ làm tăng tối đa khả năng giam hãm bê tông nâng cao cường độ tới hạn của tiết diện Bê tông cốt thép bao bọc bên ngoài tạo thành một lớp chống cháy cho lõi bên trong, do đó khả năng chống cháy của loại cột này được tăng đáng kể so với cột CFST truyền thống Ngoài ra, loại cột này còn có khả năng kháng mất ổn định cục bộ, chống ăn mòn đối với ống thép rất tốt và dễ liên kết với những dầm bê tông cốt thép hoặc dầm thép trong hệ kết cấu côngtrình.
OÁngtheùp Beâtoâng OÁngtheùp Beâtoâng OÁngtheùp Beâtoâng
Coát theùp meàm Coáttheùp meàm Coát theùpmeà m
Hình 1.4 Cột CFST được bao bọc bởi bê tông cốt thép
Cột CFST tăng cường kết cấu thép và cốt thép gia cường Kết cấu thép và cốt thép thanh gia cường được bố trí vào lõi của ống thép sử dụng để tăng khả năng chịu tải trọng của cấu kiện CFST (Hình 1.5) Loại kết cấu này thường được sử dụng cho công trình chịu tải trọnglớn.
Coát theùp hình OÁn g t h e ù p g t h e ù p OÁn OÁngtheùp Coáttheùpmeàm
Lõi bêtông Lõibêtông Lõi bêtông
Hình 1.5 Cột CFST tăng cường kết cấu thép và cốt thép gia cường
Cột CFST sử dụng ống thành mỏng cường độ cao Những sườn tăng cứng ngang và dọc có thể được hàn vào ống thép để cải thiện cường độ và độ dẻo của cột liên hợp Đối với cột có tiết diện ngang lớn, các sườn tăng cứng có thể hàn vào mặt trong của ống Các thanh nối cũng có thể được hàn nối các sườn gia cường nhưHình1.6nhằm trì hoãn sự mất ổn định cục bộ của ốngthép.
Lõi bêtông Sườn tăng cứng Thanhnối Sườn tăng cứng
Hình 1.6 Cột CFST với sườn tăng cứng Khả năng áp dụng
Kết cấu ống thép nhồi bê tông được ứng dụng rộng rãi cho rất nhiều lĩnh vực như nhà dân dụng và công nghiệp, cầu đường, v.v.
Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, loại kết cấu này được áp dụng khá nhiều cho cấu kiện chịu lực chính như hệ móng cọc, các cột đỡ của toà nhà cao tầng. Chẳng hạn, toà nhà được xây dựng bằng kết cấucộtCFST ở Chuo-ku, thành phố Kobe, Nhật Bản (Hình 1.7- Thiết kế: Công ty Takenaka, tổng diện tích sàn 20.642m 2 , gồm 12 tầng nổi và 2 tầng hầm) Các công trình nhà ở tại thành phố Kobe được xây dựng nhằm chống lại những tác động lớn từnhữngđộng đất và kết cấu CFST đáp ứng được điều này[5].
Hình 1.7 Nhà được xây dựng bằng kết cấu CFST [5]
Trung tâm thương mại Ruifeng được xây dựng tại Hàng Châu, Trung Quốc năm 2001 (Hình 1.8) Công trình có chiều cao lớn nhất 84.3m (24 tầng) Hệ kết cấu bao gồm cột ống thép nhồi bê tông tiết diện vuông cạnh 600mm chiều dày thành ống lớn nhất là 28mm và nhỏ nhất là 16mm, hệ dầm thép và hệ vách bê tông cốt thép[29].
Hình 1.8 Trung tâm thương mại Ruifeng, Trung Quốc [28]
Tổng quan các giải pháp sàn phẳng trong công trìnhxâydựng
Với xu hướng phát triển của công nghệ cũng như yêu cầu về mặt kiến trúc, kinh tế cho công trình, hệ kết cấu sàn sườn truyền thống dần dần được thay thế bởi hệ sàn phẳng không dầm với nhiều ưu điểm nổi trội như tạo ra không gian sử dụng linh hoạt phù hợp với công năng của công trình, chiều cao thông thuỷ hợp lý, dễ dàng đáp ứng các yêu cầu bố trí hệ kỹ thuật Dưới đây sẽ giới thiệu tổng quan về một số loại sàn phẳng có thể kết hợp được với kết cấu cột ống thép nhồi bê tông được sử dụng ở Việt Nam.
Sàn phẳng bê tông cốt thép thông thường
Là hệ thống chịu lực theo một hoặc hai phương được kê trực tiếp lên cột hoặc tường chịu lực(Hình 1.10) Điểm đặc biệt của loại sàn này là chiều dày gần như không đổi tạo ra mặt phẳng phía dưới của sàn dẫn tới sự đơn giản trong thi công. Sàn này cho phép linh hoạt trong việc tạo vách ngăn và có thể không cần phải sử dụng trần giả Nhịp kinh tế của sàn phẳng BTCT là 6m đến 8m.
Hình 1.10 Sàn phẳng bê tông cốt thép Ưu điểm:Cốt pha đơn giản, thi công nhanh; tạo không gian linh hoạt, dễ dàng bố trí mặt bằng; không dầm, tạo khoảng thông thủy lớn ở dưới sàn; chiều dày kết cấu nhỏ và từ đó giảm được chiều caotầng.
Nhược điểm:Nhịp trung bình, khả năng chịu tải ngang hạn chế; cần kiểm soát độ võng dài hạn; cần có biện pháp chống chọc thủng ở xung quanh cột.
Sàn phẳng bê tông ứng lực trước
Trong cấu kiện bê tông ứng lực trước, bằng cách đặt vào một lực nén trước tạo bởi lực kéo cốt thép, nhờ tính đàn hồi, cốt thép có xu hướng co lại tạo nên lực nén trước và gây ra ứng suất trước trong bê tông Ứng suất nén trước trong bê tông sẽ triệt tiêu hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng sử dụng gây ra Do đó, khả năng chịu kéo của bê tông được nâng cao và hạn chế sự phát triển vết nứt Ứng suất trước là việc tạo cho kết cấu một cách có chủ ý các ứng suất tạm thời nhằm tăng cường sự làm việc của vật liệu trong các điều kiện sử dụng khác nhau Nói cách khác trước khi cấu kiện chịu tải trọng sử dụng cốt thép đã bị căng trước còn bê tông đã bị nén trước[2].
Hình 1.11 Sàn bê tông ứng lực trước
Sử dụng sàn bê tông ứng lực trước có nhiều ưu điểm như có khả năng vượt nhịp lớn, khả năng chịu uốn, chịu cắt cao hơn so với sàn bê tông cốt thép thường có cùng tiết diện, hạn chế được biến dạng, khe nứt, tăng độ bền của kết cấu, do sử dụng được vật liệu có cường độ cao nên giảm được kích thước tiết diện, tiết kiệm được khối lượng vật liệu, làm giảm trọng lượng bản thân, giảm chi phí cho nền móng Tuy nhiên, cần phải tính toán, cấu tạo chống chọc thủng cho sàn tại vị trí đầu cột, vách,v.v.
Về lý thuyết tính toán, nhiều tổ chức và quốc gia trên thế giới đã nghiên cứu và cho ra đời các tiêu chuẩn, quy phạm về bê tông ứng suất trước như tiêu chuẩn Hoa Kỳ, tiêu chuẩn châu Âu, v.v Tại Việt Nam tiêu chuẩn TCVN 5574-2018 đã có các chỉ dẫn để thiết kế loại kết cấunày.
Sàn Bubbledeck là loại sàn sử dụng các quả bóng rỗng từ nhựa tái chế để thay thế phần bê tông không hoặc ít chịu lực ở giữa chiều cao tiết diện sàn Ở bên trên và bên dưới của quả bóng được gia cường bằng các lớp lưới thép được tính toán cụ thể.Các quả bóng nhựa có vai trò giảm thiểu phần bê tông không cần thiết đối với khả năng chịu lực của kết cấu sàn, giảm nhẹ trọng lượng của sàn, cải thiện các khả năng cách âm, cách nhiệt.
Công nghệ thi công sàn không quá phức tạp, cho phép giảm khối lượng bê tông so với sàn truyền thống, từ đó góp phần giảm được trọng lượng tổng thể của công trình và tăng khả năng vượt nhịp Sàn có khả năng chịu lực theo hai phương, không dùng dầm nên giảm chiều cao xây dựng mỗi tầng, cải thiện khả năng cách âm, cách nhiệt cho sàn Công nghệ lắp ghép, bán lắp ghép cho phép công xưởng hóa và cơ giới hóa các quá trình chế tạo, vận chuyển, lắp đặt nên thi công nhanh, sử dụng ít lao động, sản phẩm làm ra có độ chuẩn hóa cao Do sử dụng các vật liệu tái chế trong sản xuất và thi công nên công nghệ này giúp giảm chi phí vật liệu và thân thiện với môitrường.
Khả năng chịu cắt của sàn từ 72-91% so với sàn đặc có cùng chiều dày[36] [20] Do đó, để đảm bảo được sự an toàn, khả năng chịu lực của sàn, tại những vị trí có lực cắt lớn khu vực xung quanh cột, vách, lõi có thể bỏ bớt bóng và tính toán cấu tạo để đảm bảo khả năng chịu cắt thủng của sàn.
Năm 2007, Bubbledeck đã có mặt tại Việt Nam với tên giao dịch là Bubble Deck Viet Nam Joint Venture Company và Việt Nam là quốc gia thứ 15 trên thế giới tiếp cận công nghệ này Trong thời gian từ 2007 đến 2009, công ty Vitec (tiền thân là công ty Tadits) đã nghiên cứu thử nghiệm thiết kế, thi công sàn Bubbledeck sao cho phù hợp với điều kiện tại Việt Nam[59].
U-boot Beton là sản phẩm công nghệ sàn nhẹ của hai tập đoàn DaliformGroup (Italy) và Peikko Group (Phần Lan), sử dụng các khối nhựa tái chế polypropylenđểthaythếphầnbêtôngkhônghoặcítthamgiachịulựcởthớgiữa của bản sàn, giúp giảm trọng lượng kết cấu, giảm kích thước hệ cột, vách, móng, tường, vách chịu lực và tăng khoảng cách lưới cột Bản sàn U-boot Beton là loại kết cấu rỗng, phẳng, không dầm, liên kết trực tiếp với hệ cột, vách chịu lực nên có nhiều ưu điểm về mặt kỹ thuật và kinh tế Bản sàn U-boot Beton là một sản phẩm cải tiến củaBubbleDeck.
1.3 Tổng quan về liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốtthép
Việc sử dụng cột ống thép nhồi bê tông cho kết cấu công trình đem lại nhiều ưu điểm so với cột bê tông cốt thép truyền thống Sự kết hợp giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT tạo ra hệ thống kết cấu hiệu quả hơn Đặc biệt sự kết hợp giữa cột CFST với sàn bê tông ứng lực trước sẽ giúp cho sàn vượt được nhịp lớn hơn làm tăng hiệu quả sử dụng công trình Tuy nhiên, cần phải giải quyết vấn đề liên kết giữa cột và sàn phẳng để hệ kết cấu này được ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng Một số nghiên cứu đã được các tác giả thực hiệngồm:
Liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng
H Satoh và K Shimazaki (2004)[51] đã công bố kết quả nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu tải của liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT Liên kết được đề xuất gồm vách ngăn được chế tạo trước và nối với dầm thép tiết diện I tại hiện trường bằng bu lông cường độ cao nhưHình 1.14.
Tác giả đã thực hiện 3 nhóm thí nghiệm; (1) thí nghiệm tải trọng ngang cho liên kết sàn – cột giữa; (2) thí nghiệm xác định cường độ chịu cắt thủng của sàn; (3) thí nghiệm về cường độ chịu xoắn.
Kết quả thí nghiệm cho thấy, với nhóm mẫu chịu tải trọng ngang, vị trí của tiết diện tới hạn do lực cắt và mô men uốn xuất hiện tại mặt trước và sau của cột Nhóm mẫu thứ 2 thí nghiệm về chọc thủng thì bê tông sàn, các tấm thép liên kết và các đinh (stud) sẽ tham gia chịu cắt trong đó cường độ chịu cắt của bê tông có thể được tính theo tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-11 Với nhóm mẫu thứ 3 thí nghiệm về cường độ chịu xoắn, độ cứng ban đầu và cường độ xuất hiện vết nứt đầu tiên có thể được tính toán bằng lý thuyết đàn hồi Độ cứng sau khi nứt được tính toán với hệ số giảm độ cứng Bề rộng ảnh hưởng của sự xoắn tăng sau nứt và bề rộng hiệu quả có thể áp dụng tính toán độ cứng và cường độ.
Hình 1.14 Liên kết cột CFST-sàn BTCT của H Satoh và K Shimazaki (2004) [51]
Các giải pháp nâng cao khả năng chịu cắt thủngchosàn
Liên kết giữa cột CFST với sàn phẳng bê tông cốt thép chủ yếu bị phá hoại bởi cắt thủng Bên cạnh khả năng chịu cắt của bê tông, biện pháp gia cường các loạic ố t thép trên tiết diện nghiêng sẽ làm tăng đáng kể khả năng chịu cắt và độ dẻo của liên kết Dưới đây là một số biện pháp gia cường nhằm nâng cao khả năng chịu cắt thủng cho sàn, đồng thời cũng là gợi ý cho việc lựa chọn phương thức phù hợp cho việc đề xuất liên kết giữa cột CFST với kết cấu sànphẳng.
Sử dụng thép hình tiết diện H, I hoặc C bố trí trên đầu cột gia cường khả năng chịu cắt cho sàn W G Corley và N.M Hawkins (1968)[19] đề xuất giải pháp nâng cao khả năng chịu cắt thủng cho sàn phẳng bê tông cốt thép được thực hiện dưới tải trọng tập trung cho sàn bê tông nhẹ hoặc bê tông thường bằng cách gia cường các thép hình dạng chữ I và chữ C nhưHình 1.32 Kết quả thí nghiệm cho thấy, sự có mặt của các thép hình bố trí trong sàn trên đầu cột là hiệu quả cho việc tăng khả năng chịu cắt tới hạn và độ dẻo của lên kết giữa sàn vàcột.
Hình 1.32 Thép hình H gia cố khả năng chịu cắt thủng cho sàn W.G Corley vàN.M.Hawkins (1968)[19]
Sử dụng tấm thép làm tăng diện tích hiệu quả đầu cột, chi tiết được phát triển bởi Subedi và Baglin (2003)[50] Hệ thống này kết hợp tấm thép phẳng với nhiều thanh thép chữ U được hàn vào tấm thép nhưHình 1.33.
Hình 1.33 Hệ thống nâng cao khả năng chị cắt thủng Subedi và Baglin (2003)[50]
C Ålander (2005) [13] đề xuất hệ thống chống cắt thủng cho sàn có tên gọi là UFO nhưHình 1.34 Hệ thống được tạo bởi tấm thép đặt trên đầu cột và nhúng hoàntoàntrongsàn,đóngvaitrònhưmũđầucột.Kếtquảthínghiệmchothấyhệ thống làm tăng đáng kể khả năng chịu cắt thủng Cánh dưới của UFO có chức năng như gối tựa cho phần sàn bên ngoài Phần bên trong thu nhận phản lực từ sàn chuyển đến đầu cột thông qua hoạt độngmàng.
Hình 1.34 Hệ thống nâng cao khả năng chị cắt thủng C Ålander(2005)[13]
W Piel và G Hanswille (2006) [47] đề xuất giải pháp nâng cao khả năng chịu cắt thủng trong sàn phẳng tại vị trí đầu cột bằng các tấm thép phẳng thẳng đứng với các đinh thép được hàn vào hai bên tấm thép nhưHình 1.35 Hay giải pháp cấu tạo nhưHình 1.36[58] đều nâng cao khả năng chống cắt thủng chosàn.
Hình 1.35.Chi tiết liên kết đề xuất bởi
Hình 1.36 Hệ thống nâng cao khả năng chịu cắt thủng [58]
A.A Elgabry và A Ghali (1990) [24] đề xuất sử dụng các stud được hàn với các dải thép bản và được đặt vào trong bản sàn tại vị trí cột trước khi đổ bê tông nhưHình 1.37 Các stud sử dụng phải có các đầu neo dạng hình tròn hay hình chữ nhật với diện tích ít nhất bằng 10 lần diện tích tiết diện thân stud để nó không bị kéo tụt ra khỏi bê tông Dải thanh thép cố định các stud phải có chiều dày không đổi và lớn hơn hoặc bằng đường kính các chốt thép Chiều rộng của dải thép phải lớn hơn hoặc bằng 2,5 lần đường kính thân chốt thép, các dải thép đặt vuông góc với mặt cột chữ nhật hoặc hình vuông, khoảng cách giữa chúng không được lớn hơn 2 lần chiều cao tính toán của bản sàn Chiều dày lớp bê tông bảo vệ phía trên và phía dưới dải stud được quy định giống như cốt thép thường trong bản sàn và không được lớn hơn chiều dày tối thiểu của lớp bê tông bảo vệ cộng với 0,5 đường kính thanh thép chịu mô men uốn.
Hình 1.37 Chốt thép chịu cắt bố trí trong bản sàn [24]
Tăng cường khả năng chịu cắt thủng cho sàn bằng “Shearband” được nghiên cứu và phát triển bởi K Pilakoutas và X Li (2003)[46] Đại học Sheffield, Anh (Hình 1.38) Hệ thống này được tạo bởi các dải thép có độ dẻo cao, việc thi công rất dễ dàng, tạo độ dẻo của liên kết và đảm bảo đoạn neo.
Hình 1.38 Tăng cường khả năng chịu cắt thủng cho sàn bằng “Shearband” [46]
Dùng dầm tích hợp [1]: Kiểu cốt thép chịu cắt được thiết kế ở dạng khung cốt thép cho kết cấu dầm (cốt thép dọc và thép đai) Các khung cốt thép này được đặt theo các phương hướng tâm và vuông góc với trục cột Kích thước của các khung thép này nằm trong phạm vi chiều dày bản sàn Hình thức này tạo thành kết cấu dầm nằm trong bản sàn và được gọi là “dầm tích hợp” (Hình 1.39) Cốt thép trong dầm tích hợp giống như kết cấu trong dầm chịu uốn Tuy nhiên, nếu chiều dày của bản sàn nhỏ hơn 250mm, các cốt đai khó có thể đảm bảo chiều dài neo Vì vậy trongtấtcảcáctrường hợpcốtthépđaiphảilàcốtthépđaikínvớicácmóctiêu chuẩn (90 0 và135 0 ) và tại góc của cốt thép đai phải bố trí một cốt dọc. d 2 d 2 Cột
Cốt thép dầm tích hợp
Hình 1.39 Dầm tích hợp trong bản sàn [1]
Trên đây là các giải pháp gia cường để chống sự phá hoại cắt thủng cho sàn. Nhưng để kết hợp với ống thép thì phương án sử dụng shear-head ở dạng thép hình là thích hợp nhất vì ở hình dạng này các shear-head sẽ được hàn vào cột vừa đảm bảo cường độ, độ cứng cho liên kết cũng như khả năng chịu cắt thủng cho sàn Bên cạnh đó các giải pháp sử dụng stud, shearband hay dầm tích hợp kết hợp với shear- head sẽ làm tăng khả năng kháng thủng cho sàn, tăng độ dẻo cho liên kết.
Tổng quan một số mô hình tính toán khả năng chịu cắtthủng sàn
Mô hình của S Kinnunen và H.S.E Nylander (1960)[31]
Mô hình của S Kinnunen và H.S.E Nylander (1960) [31] được xây dựng dựa trên kết quả thí nghiệm của 61 mẫu cho sàn hình tròn và cột tròn Quan sát kết quả thí nghiệm, đặc biệt là hình thức của các vết nứt, biến dạng của mỗi sector (phần sàn được giới hạn trên các cạnh bởi những vết nứt bán kính và vết nứt cắt tiếp tuyến) và sự biến dạng của bê tông và cốt thép làm nền tảng quan trọng cho việc phát triển lý thuyếttính.
Hình 1.40 Mô hình cơ học của S Kinnunen và H S E Nylander (1960) [31] Ý tưởng cơ bản là tạo một điều kiện cân bằng lực hoạt động trên mỗi sector nhưHình 1.40 Dưới hoạt động của tải trọng, mỗi sector xoay xung quanh một tâm xoay tại chân của vết nứt cắt Điều kiện phá hoại được định nghĩa bởi biến dạng cắt tới hạn của bê tông tại mặt dưới của sànε c =1,96‰ Lý thuyết ban đầu được xây dựng cho sàn với cốt thép vòng và được mở rộng cho sàn với cốt thép hai phương bằng việc giới thiệu hệ số tương quanκ =1,1 để bù lại hoạt động của chịu cắt của cốt thép chịu mômen. Để tiên đoán tải trọng tới hạn của sàn bê tông, hai công thức được thiết lập bởi điều kiện tương tác của tỉ số bê tông vùng nénk x
Công thứcV u,c phụ thuộc ứng suất tới hạn của bê tôngσ cu là:
1tan 2 Công thứcV us phụ thuộc vào ứng suất chảy dẻo của cốt thépf y , hàm lượng cốt thépρvà hình dạng mẫu Khảo sát trường hợp ứng suất chảy dẻo của cốt thép đạt được phía trong vùng côn phá hoại vớir u , r f là những bán kính của vòng tròn bên trong hình côn,c 2 là đường kính cộttròn.
Mô hình cơ học được đề xuất bởi tác giả mô tả cơ chế trước khi phá hoại thủng và kết quả cho độ tin cậy Biểu thức cho điều kiện phá hoại được thiết lập từ biểu thức bán thực nghiệm, dựa trên đo đạc biến dạng trong thí nghiệm cắtthủng.
P Menétrey (1996) [45] xây dựng biểu thức tính toán cường độ chọc thủng của sàn bê tông cốt thép từ kết quả mô phỏng số cho hiện tượng phá hoại thủng Mô phỏng biểu thị cường độ chọc thủng có thể tính toán bằng tích phân các thành phần ứng suất kéo theo phương đứng xung quanh vết nứt tới hạn nhưHình 1.41 Cường độ cắt thủng cũng biểu thị qua các tham số của cường độ chịu kéo bê tông, hàm lượng cốt thép chịu uốn, chiều dày sàn, bán kính của vết nứt thủng ban đầu Ảnh hưởng của cốt thép chịu cắt cũng được cộng vào khả năng chịu cắt thủng Lúc đó khả năng chịu cắt thủng của sàn được tính nhưsau:
Trong đó:F ct là lực kéo của bê tông theo phương đứng;F dow sự đóng góptheophương đứng của cốt thép chịu uốn;F sw lực theo phương đứng của cốt thép chịu cắt;F p thành phần đứng của cáp ứnglực.
Hình 1.41 Mô hình tính khả năng chịu cắt thủng của sàn P Menétrey (1996)[45]
Mô hình lý thuyết vết nứt cắt tới hạn
Dựa trên ý tưởng của mô hình S Kinnunen (1960), A Muttoni và J Schwartz (1991) [39] đã phát triển một cách tiếp cận hợp lý cho việc tính toán cường độ chịu cắt thủng cho sàn Ý tưởng chính của tác giả là cường độ chịu cắt thủng phụ thuộc vào độ mở và thô nhám của vết nứt cắt tới hạn và cách tiếp cận này gọi là lý thuyết vết nứt cắt tới hạn (CSCT – Critical Shear Crack Theory) Tham số chính của CSCT là góc xoay, chiều cao làm việc của sàn và kích thước cốt liệu Vì hai tham số sau là đặc trưng của sàn và là hằng số của mỗi sàn, cường độ chịu cắt thủng có thể được định nghĩa là hàm số phụ thuộc góc xoay của sàn như công thức (1.5).
Trong đó:ψlà góc xoay của sàn,dlà chiều cao làm việc của sàn,d go kích thước lớn nhất của cốt liệu,f c là cường độ chịu nén của bê tông vàb o là chu vi tới hạn lấy tại khoảng cách0,5dtừ vùng gối tựa.
Hàm số này có thể minh họa như là đường cong phá hoại, giao điểm của tiêu chuẩn phá hoại và phản ứng tải trọng - góc xoay định nghĩa cường độ chịu cắt thủng của sànHình 1.42.
Hình 1.42 Mô hình tính khả năng chịu cắt thủng theo CSCT
Hiện nay, lý thuyết này được nghiên cứu một cách triệt để trên mọi khía cạnh như áp dụng CSCT để xác định khả năng chịu cắt thủng cho sàn không có cốt thép chịu cắt A Muttoni (2008)[40], có bố trí cốt thép chịu cắt F Ruiz (2009) [48], sử dụng tính toán khả năng chịu cắt thủng cho sàn bê tông ứng lực trước T Clément (2014) [22] hay sử dụng để tính toán chọc thủng sàn có dạng hình học không đối xứng (liên kết có sự chuyển mô men từ sàn vào cột) L Tassinari et al (2011) [53].
Mô hình dàn ảo (strut-and-tie)[41]
H Marzouk (2010) [41] phát triển mô hình chống giằng để xác định khả năng chịu cắt thủng của sàn có chiều dày từ 250mm đến 500mm (Hình 1.47) Cách tiếp cận của mô hình là thay thế vùng nén bằng thanh chống dạng hình cổ chai với sự phân bố ứng suất nén đều trên mặt cắt và thanh kéo là sự làm việc của cốt thép sẽ nhanh chóng kiểm tra được khả năng chịu cắt thủng của sàn Mô hình này cũng có thể đánh giá cốt thép chịu cắt tối thiểu yêu cầu để ngăn chặn phá hoại giòn trong sàn hai phương tại vùng gần tải trọng tập trung.
Mô hình lý thuyết biến dạng tiếp tuyến[17]
C E Broms (2016) [17] đề xuất mô hình lý thuyết biến dạng tiếp tuyến để tính toán chọc thủng cho sàn không có cốt thép chịu cắt (Hình 1.44) Đây là mô hình cơ học mới dựa trên nền tảng của cơ học kết cấu và mối liên hệ giữa ứng suất vàb i ế n d ạ n g c ủ a b ê t ô n g v ù n g n é n L ự c c ắ t đ ư ợ c g i ả t h i ế t c h u y ể n đ ế n c ộ t b ằ n g thanh chống nghiêng dạng hình tròn chịu nén được chống vào chu vi của cột Khi ứng suất nén trong vùng này đạt mức dẻo thì một phần tăng thêm của áp lực nén được chuyển vào vùng bê tông xung quang vùng nén Tại trạng thái tới hạn, vùng nén bên ngoài cột được giả thiết phá hoại do biến dạng kéo theo phương bán kính.
Hình 1.43 Mô hình giàn ảo phân tích khả năng chịu cắt thủng cho sàn [41]
Hình 1.44 Mô hìnhCarl Erik Broms (2016)[17]
Tổng quan các tiêu chuẩntínhtoán
Hiện nay, các tiêu chuẩn thiết kế các nước chưa đề cập đến tính toán liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép Qua tổng quan các nghiên cứu về liên kết thì ứng xử chủ yếu của sàn là phá hoại cắt thủng Do đó, trong phần này sẽ tổng quan các tiêu chuẩn thiết kế về tính toán khả năng chịu cắt thủng của sàn phẳng bê tông cốtthép.
TCVN 5574-2018 [6] tính toán chọc thủng cho cấu kiện bê tông không có cốt thép ngang, chịu lực tập trung được tiến hành theo điều kiện:
Flà lực tập trung do ngoại lực;
F b,u là lực tập trung giới hạn mà bê tông có thể chịu được.
Lực giới hạnF b,u được xác định theo công thức:
A b là diện tích tiết diện ngang tính toán nằm ở khoảng cách 0,5h 0tính từ biên của diện truyền lực tập trungF;
R bt là cường độ chịu kéo của bê tông; ulà chu vi đường bao của tiết diện ngang tính toán; h 0là chiều cao làm việc quy đổi của tiết diện,h 0= 0,5(h 0x +h 0y ); h 0x và h 0y là chiều cao làm việc của tiết diện đối với cốt thép dọcnằmtheo phương các trục X vàY.
1 - Tiết diện ngang tính toán; 2 - Đường bao của tiết diện ngang tính toán; 3 - Đường bao của diện truyền tải.
Hình 1.45 Sơ đồ tính toán chọc thủng của cấu kiện không có cốt thép ngang
Tính toán chọc thủng cho cấu kiện có cốt thép ngang chịu lực tập trung được tiến hành theo điều kiện:
F sw,u là lực tới hạn do cốt thép ngang chịu khi chọc thủng;
F b,u là lực tới hạn do bê tông chịu, được xác định theo công thức (1.7).
Lực giới hạnF sw,u chịu bởi cốt thép ngang nằm vuông góc với trục dọccấukiện và phân bố đều dọc theo đường bao của tiết diện ngang tính toán được xác định theo công thức(1.10):
Trong đó: ulà chu vi đường bao của tiết diện ngang tính toán;
A sw là diện tích tiết diện cốt thép ngang với bướcs w , nằm trong phạm vi 0,5h 0 về hai phía đường bao của tiết diện ngang tính toán theo chu vi của nó;
R sw là cường độ tính toán chịu cắt của cốt ngang.
Giá trị của tổng(F b,u + F sw,u )lấy không lớn hơn2F b,u Cốt thép ngang được kể vào tính toán khiF sw,u không nhỏ hơn0,25F b,u
Vùng nằm ngoài biên bố trí cốt thép ngang được tính toán chọc thủng theo công thức (1.7) với đường bao của tiết diện tính toán ở khoảng cách0,5h 0 tính từ biên bố trí cốt thép ngang ngoài cùng (Hình 1.46).
2 - Đường bao của tiết diện ngang tínhtoán;
3 - Các biên của vùng màtrongđó cốt thép ngang được kểđếntrong tínhtoán;
4 - Đường bao của tiết diện ngang tính toán mà cốtthépngang không kể đến trongtínhtoán;
5 - Đường bao của diện truyền tải.
Hình 1.46 Sơ đồ tính toán chọc thủng của bản bê tông cốt thép có cốt thép ngangđặt đều nhau theo phương đứng [6]
Diện tích chịu tải thực Chu vi tiết diện tới hạn Chu vi chịu tải hiệu quả
Tiết diện cột Chu vi tiết diện tới hạn
Chu vi tiết diện tới hạn
Tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318-14[11] Đối với sàn làm việc hai phương sự phá hoại cắt có thể xảy ra do tác dụng cắt thủng bản sàn Đặc điểm cắt thủng là các vết nứt cắt theo dạng hình côn hoặc hình tháp xung quanh cột, mũ cột hoặc bản mũ cột Góc nghiêng của tháp chọc thủng so với mặt nằm ngang làθphụ thuộc vào bản chất và số lượng cốt thép trong bản sàn và chúng nằm trong khoảngθ = 20 0 ÷45 0 Trong trường hợp bản sàn không cócốtthép đai khả năng chịu cắt của bê tông sàn được xác định là giá trị nhỏ nhấtcủa:
Trong đó:V c là độ bền danh nghĩa theo lực cắt của bê tông;f’ c là cường độ khi nén của bê tông;dlà chiều cao làm việc của sàn;b o là chu vi của tiết diện tới hạn;βlà tỉ số cạnh dài chia cạnh ngắn của tiết diện cột;α s @đối với cột trong (tiết diện tới hạn trên 4 cạnh),α s = 30đối với cột biên (tiết diện tới hạn trên 3 cạnh),α s = 20đối với cột góc (tiết diện tới hạn trên 2 cạnh),λ = 1cho bê tôngthường.
Theo ACI 318-14 [11] chu vi tiết diện tới hạnb 0 được xác định tại vị trí sao chob 0 đạt giá trị nhỏ nhất nhưng không được gần hơnd/2tính từ cạnh hoặc góc của cột, vùng tải trọng tập trung hoặc những vùng sàn thay đổi tiết diện.Hình 1.47mô tả cách xác định chu vi tới hạn cho các trường hợp tiết diện chịu tải khácnhau. d/2 d/2 d/2 d/2 d/2 d/2
Hình 1.47 Xác định chu vi tiết diện tới hạn
Khi sử dụng các stud để gia cường khả năng chịu cắt cho sàn, ACI 318-14 xác định khả năng chịu cắt thủng cho sàn trong khu vực bố trí stud gồm sự đóng góp d /2 c của bê tông và cốt thép chịu cắt theo công thức (1.13).
Trong đó:b 0 là chu vi dọc theo tiết diện tới hạn tại khoảngd/2từ biên của vùng gối tựa,dlà chiều cao làm việc của sàn,f ’ là cường độ chịu nén của bê tông,A sw là diện tích tiết diện ngang của một chu vi của cốt thép chịu cắt xung quanh cột,s w là khoảng cách giữa những chu vi của stud vàf yw là cường độ chảy dẻo củastud.
Hình 1.48 Bố trí stud và chu vi tiết diện tới hạn khi chịu cắt[ 11]
Với tiết diện tới hạn cáchd/2từ chu vi của lớp stud ngoài cùng, khả năng chịu cắt của sàn được xác định theo công thức (1.14)
Trong đó:b 0 là chu vi dọc theo tiết diện tới hạn tại khoảngd/2từ biên của dãy stud ngoài cùng.Φ = 0,75
Tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2 (EC2)[25]
Không giống như ACI 318-14, điều khoản của EC2 (2004) [25] tính toán ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép và kích thước sàn đến cường độ chịu cắt thủng Do đó, khả năng kháng cắt thủng được định nghĩa theo công thức :
Trong đó:b 0 là chu vi tại tiết diện tới hạn tại khoảng2dtừ biên của vùng gối tựaHình 1.49,dlà chiều cao làm việc của sàn,f c là cường độ chịu nén của bê tông, ρlà hàm lượng cốt thép chịu uốn vàρ≤ 2%,klà hệ số tính toán cho ảnh hưởng chiều dày của sàn được định nghĩa: k1 200/d2 (1.16)
Hình 1.49 Xác định chu vi tiết diện tới hạn theo EC2 [25]
Theo EC2, khả năng chịu cắt của sàn là sự đóng góp của bê tông và cốt thép chịu cắt, trong đó sự đóng góp của bê tông tương ứng là 75% của cường độ chịu cắt thủng của sàn không có cốt thép chịu cắt.
Trong đó:A sw là diện tích của một chu vi của cốt thép chịu cắt xung quanh cột,s w là khoảng cách bán kính của những chu vi cốt thép chịu cắt,dlà chiều cao làm việc của sàn,f yw là cường độ chảy dẻo của cốt thép chịu cắt vàf yw,ef là ứngsuấthiệu quả trong cốt thép chịu cắt tính toán cho neo tới hạn của cốt thép chịu cắt trong sàn mảnh vàf yw,ef được địnhnghĩa: f yw,ef 1,15(2500, 25d)f yw (1.18)
Cường độ chịu cắt thủng cho phá hoại bên ngoài của vùng cốt thép chịu cắt được định nghĩa tương tự như cường độ chịu cắt thủng trong sàn không có cốt thép chịu cắt Sự khác biệt là chiều dài của chu vi tiết diện tới hạn lấy theoHình 1.50. Cường độ cắt thủng lớn nhất, EC2 sử dụng cách tiếp cận tương tự như tính toán cường độ thanh chống chịu nén trong dầm bê tông cốt thép Do đó, cường độ liên quan trực tiếp đến khả năng chịu nén của bê tông, chu vi cột và chiều cao làm việc Lực cắt thủng lớn nhất được định nghĩalà:
Trong đó:b 0 , in là chu vi tại tiết diện tới hạn tại biên của vùng gối tựa được lấy nhưHình 1.49.
Hình 1.50 Chu vi tại tiết diện tới hạn cho trường hợp có cốt thép chịu cắt
Kết luậnChương1
Chương 1 của luận án đã tiến hành tổng quan các khía cạnh như sau:
1.Tổng quan về kết cấu cột ống thép nhồi bê tông và các kết cấu sàn phẳng sử dụng trong thực tế để thấy được những ưu điểm nổi trội của các hệ kết cấu này so với kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép nhằm sử dụng hệ kết cấu này làm kết cấu chịu lực chính trong kết cấu côngtrình.
2 Qua tổng quan về các hình thức liên kết khác nhau giữa cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng BTCT cho thấy đa số là các nghiên cứu thực nghiệm về liên kết sàn - cột giữa, chưa có nghiên cứu ứng xử liên kết cột biên CFST, cột góc CFST với sàn phẳng BTCT cũng như ảnh hưởng của ứng lực trước đến khả năng chịu lực của liên kết Nhìn chung, các liên kết đề xuất ở các nghiên cứu đều đảm bảo khả năng chịu tải trọng và khả năng thi công thực tế Tuy nhiên, vẫn còn một số điểm quan trọng cần cải tiến để nâng cao hiệu quả của giải pháp kết cấu này như hình thức liên kết, độ tin cậy, tính liên tục cũng như biện pháp gia cường nâng cao khả năng chịu tải và cải thiện các ứng xử sau phá hoại của sàn tại liênkết.
3.Các kết quả thí nghiệm cho thấy liên kết đều bị phá hoại cắt thủng sàn, do đó trong chương này đã tổng hợp các giải pháp gia cường sàn bê tông cốt thép để nâng cao khả năng chịu cắt thủng cho sàn Đây là gợi ý cho việc đề xuất chi tiết liên kết sàn với cột CFST một cách hợp lý và hiệu quảnhất.
4 Hiện nay, các tiêu chuẩn thiết kế các nước chưa đề cập đến các quy định cấu tạo cũng như tính toán liên kết cột CFST với sàn phẳng bê tông cốt thép Do đó việc tổng quan các tính toán khả năng chịu cắt thủng sàn BTCT theo các tiêu chuẩn cùng với một số mô hình tính toán phổ biến sẽ giúp hiểu rõ hơn phương thức thiết lập mô hình tính và là cơ sở để áp dụng tính toán cho liên kết giữa cột CFST với sàn phẳngBTCT.
GIẢI PHÁP CẤU TẠO VÀ THỰC NGHIỆM LIÊN KẾTCỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚISÀNPHẲNG
Giải pháp cấu tạo và thực nghiệm liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tôngvới sàn phẳng bê tôngcốtthép
Cấu tạo liên kết đề xuất
Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép là hai kết cấu riêng biệt và bị gián đoạn tại bề mặt ống thép Do đó, để đảm bảo sự làm việc đồng thời như trong kết cấu bê tông cốt thép thông thường cần phải có chi tiết liên kết.
Chi tiết liên kết phải đáp ứng việc kết nối sàn – cột, có khả năng tiếp nhận tải trọng từ sàn truyền về cột đồng thời tham gia vào khả năng chịu cắt của sàn Như đã phân tích trong phần tổng quan, với các giải pháp liên kết hiện nay thì việc sử dụng shear-head là hợp lý Tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ đề cập trực tiếp việc sử dụng thép hình H hoặc I làm chi tiết liên kết mà không có những lý giải cho việc lựa chọn đó Vì vậy, cần phải làm rõ ảnh hưởng hình dạng của shear-head đến tính liên kết và khả năng tham gia chịu cắt cho sàn.
Sàn phẳng là kết cấu hai phương, ứng xử bên trong của sàn qua các thí nghiệm khó quan sát được nên cơ chế tiếp nhận tải trọng của liên kết chưa được hiểu rõ, ảnh hưởng đến việc chọn hình dạng cho shear-head Với kết cấu dầm (kết cấu một phương) ứng xử sẽ được thể hiện rõ hơn thông qua hình ảnh của các vết nứt tại các mặt bên của dầm, đây là cơ sở hợp lý cho việc lựa chọn được hình thức của shear- head áp dụng cho liên kết sàn BTCT – cột CFST Do đó, chương trình thực nghiệm ảnh hưởng hình dạng của shear-head đến ứng xử của dầm bê tông cốt thép tại liên kết với cột ống thép nhồi bê tông được thực hiện Hai mẫu dầm tương ứng với hai chi tiết liên kết khác nhau được thí nghiệm gồm: (1) sử dụng tấm thép phẳng bố trí suốt chiều cao của dầm và được hàn vào mặt cột nhưHình 2.1a; (2) sử dụng thép hình chữ H làm chi tiết liên kết nhưHình 2.1b. a) Liên kết dùng tấmthépphẳng b) Liên kết dùng thép hìnhH
Hình 2.1 Liên kết cột ống thép nhồi bê tông – dầm bẹt bê tông cốt thép
Chương trình thí nghiệm cho hai mẫu được thực hiện (nội dung thí nghiệm trình bày trong Phụ lục 1) Kết quả thí nghiệm ứng xử của dầm với hai kiểu liên kết đề xuất có những khác biệt được thảo luận như sau: Đối với dầm sử dụng tấm thép làm liên kết, chỉ có vết nứt thẳng đứng xuất
Thanh giaèngThanh choáng Thanh choángThanh giaèng
Thanh chống Gối tựa (cột) Thanh chống hiện trong dầmHình 2.2a, không có vết nứt nghiêng Tại vị trí ở đỉnh của tấm thép vết nứt phá hoại thẳng đứng mở rộng và chia tách dầm thành hai phần Hai phần dầm này có sự chuyển vị tương đối với nhau theo phương đứng, điều đó cho thấy không có liên kết ngăn cản chuyển vị thẳng đứng của dầm Như vậy tấm thép liên kết sử dụng chưa đáp ứng được vai trò tiếp nhận tải trọng truyền vào cột. Đối với dầm sử dụng thép hình chữ H, các vết nứt nghiêng hình thành rất rõ ràng và đều có xu hướng truyền về cánh dưới của thép hình H (Hình 2.2b), các vết nứt nghiêng này cách đều tạo thành các thanh chống bê tông được đỡ bởi cánh dưới của thép hình chữ H, điều này cho thấy sự truyền lực từ dầm vào cột rõ ràng hơn. a) Trạng thái phá hoại của dầm với liên kết sử dụng théptấm b) Trạng thái phá hoại của dầm với liên kết sử dụng thép hìnhH
Hình 2.2 Vết nứt trên các mẫu dầm bẹt tại thời điểm phá hoại
Như vậy, với ứng xử của dầm từ kết quả thí nghiệm cho thấy cơ chế truyền tải trọng từ dầm vào cột có thể minh họa bằng hệ giàn ảo nhưHình 2.3.
Hình 2.3 Minh họa cơ chế truyền lực từ sàn vào cột [40]
(3) Cốt thép đai C (4) Cốt thép vòng
(2) Tấm liên tục (Continuity plate) (5) Cốt thép sàn
Vì tải trọng không thể truyền trực tiếp lên bề mặt cột ống thép nên trong hình thức của chi tiết liên kết cần phải tạo gối đỡ để tiếp nhận tải trọng Với ưu điểm của thép hình chữ H hoặc I với cánh dưới mở rộng được xem như điểm tựa cho các thanh chống nghiêng bê tông làm việc, đảm bảo cơ chế truyền tải từ dầm vào cột rõ ràng Đồng thời các thép hình này được nhúng vào trong bê tông dầm có tác dụng như mũ đầu cột tham gia chịu cắt cùng bê tông và nó cũng được bảo vệ dưới tác động của môi trường.
Các phân tích ở trên đã chỉ ra rằng việc sử dụng thép hình tiết diện chữ H là hợp lý để làm chi tiết liên kết cho cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng Do đó, chi tiết liên kết sẽ kế thừa việc sử dụng shear-head đồng thời đề xuất các giải pháp cấu tạo cải tiến nhằm khắc phục những tồn tại như: giải pháp tăng độ tin cậy bằng cách cấu tạo bụng thép hình ngàm vào bên trong cột, bố trí tấm thép liên tục để hỗ trợ cơ chế truyền tải từ sàn vào cột, bổ sung cốt thép đai, cốt thép vòng để nâng cao khả năng chịu tải cho vùng liên kết Cấu tạo liên kết được trình bày trênHình 2.4.
(6) Cột CFST a) Cấu tạo liên kết trên mặtbằng
(1)Shear-head (3)CốtđaiC (5)Théplớpdưới (Continuityplate) b) Mặt cắtdọc
Hình 2.4 Cấu tạo liên kết đề xuất
1 Chi tiết liên kết (shear-head):là thép hình chữ H hoặc I được nhúng trong sàn có tác dụng như mũ đầu cột Shear-head hoạt động như một cái chốt liên kết đảm bảo tính liên tục giữa sàn và cột CFST, góp phần làm tăng khả năng chịu cắt cho sàn Phần bụng thép chữ H hoặc I được ngàm vào bên trong cột và hàn tại mặt cột đảm bảo độ tin cậy của liên kết, đồng thời phần này xem như một chốt gia cường hỗ trợ cho sự làm việc đồng thời của lõi bê tông và vỏ ốngthép.
2 Tấm thép liên tục:Chi tiết này bố trí phía dưới của cánh dưới tiết hiện H hoặc I, được hàn theo chu vi cột nhằm tạo điểm tựa để tiếp nhận tải trọng từ sàn vào cột thông qua các thanh chống bê tông tại các vị trí góc của cột Bên cạnh đó tấm thép giữ ổn định cho cánh dưới shear-head khi chịu nén và phân bố lực nén từ shear-head đều cho cả bề rộngcột.
3 Cốt đai dạng chữ C:Sử dụng cốt thép thanh có gờ, bố trí theo suốt chiều dày của sàn với móc neo tiêu chuẩn theo quy định của tiêu chuẩn ACI 318-14, dùng để gia cường khả năng chịu cắt cho sàn, cải thiện các ứng xử của sàn sau pháhoại.
4 Cốt thép vòng:Theo thí nghiệm của Q.J Chen et al [23] và J.Nie et al [44] việc bố trí cốt thép vòng vào vùng liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông với dầm BTCT sẽ nâng cao cường độ của bê tông Sự gia tăng này thể hiện qua cơ chế hạn chế biến dạng ngang của bê tông do hiệu ứng kéo vòng của cốt thép Như vậy, đối với bê tông trong phạm vi đầu cột nơi diễn ra phá hoại cắt thủng, sự tăng cường độ bê tông sẽ đóng góp nhiều vào khả năng chịu cắt thủng cho sàn Do đó, trong cấu tạo liên kết, cốt thép vòng được bố trí để cải thiện đặc tính của bê tông Trong trường hợp chiều cao sàn đảm bảo cho việc bố trí thì lưới cốt thép vòng nên đặt cả mặt trên và dưới của sàn Khi không đủ không gian thì cốt thép vòng được bố trí vào mặt trên củasàn.
5 Cốt thép sàn(cốt thép lớp trên và cốt thép lớp dưới) được xiên qua cột bởi các lỗ khoan sẵn trên mặt cột với cao trình khác nhau trên các mặt cột nhằm đảm bảo sự liên tục giữa sàn và cột như kết cấu bê tông cốt thép thường Để thuận tiện cho đổ bê tông lõi cột, các cốt thép này nên bố trí sao cho đủ tạo khoảng trống cho ống đổ bê tông di chuyển trong lõi ống thép khi thicông.
Như vậy, với các giải pháp cấu tạo nêu trên đã cho phép sử dụng ưu điểm của hình thức liên kết sử dụng shear-head đồng thời khắc phục các tồn tại hiện có như đã phân tích trong phần tổngquan.
Thiết kế và chế tạo mẫu thí nghiệm
Mẫu thí nghiệm sẽ được xét trong tương quan với một công trình thật Xét hệ sàn nhưHình 2.5với kích thước nhịp sànl n là 6m × 6m Tải trọng tác dụng lên sàn gồm tĩnh tảig s (kN/m 2 ) và hoạt tảip s (kN/m 2 ) Xem sàn chịu tải trọng đứng, chiều dày sàn phẳng không có dầm biên chọn theo điều kiện hạn chế độ võng của sàn theo quy phạm Hoa Kỳ [3] làh s =l n /33, chọnh s = 200mm.
Giải pháp cấu tạo và thực nghiệm liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tôngvới sàn phẳng bê tông ứnglựctrước
Cấu tạo liên kết đề xuất
Liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông ứng lực trước có cấu tạo tương tự như liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép nhưHình2.9.
Thiết kế và chế tạo mẫu thí nghiệm
Thiết kế mẫu thí nghiệm: Mẫu thí nghiệm cho liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông ứng lực trước được thiết kế cho hệ sàn có nhịp 9m ×9m, chiều dày sành s = 200mm Các thông số mẫu thí nghiệm được tính toán, thiết kế trong Phụ lục 2 Cấu tạo chi tiết liên kết được tóm tắt như sau:
Shear-head:Thép hình số hiệu H100, đoạn vươn tính từ mặt cộtL= 400mm, một phần cánh trên và cánh dưới được cắt bỏ chỉ còn phần bụngl= 50mm đưa vào trong lõi cột qua các rãnh trên mặt cột nhưHình 2.9 Tiết diện H100 được hàn theo chu vi bên ngoài mặt cột và bố trí lùi xuống phía dưới cách đáy bản sàn 35mm.
Tấm thép liên tục:bề rộngbPmm, chiều dàyt= 10mm, được hàn theo chu vi của cột tại cánh dưới củaH100.
Cốt thép sàn:Cốt thép lớp trên theo hai phương14a85,ρ= 1,21%, cốt thép lớp dưới chọn cấu tạo10a85 Theo mỗi phương bố trí 2 cốt thép xuyên cột bởi các lỗ20 được khoan sẵn trên mặt cột Các lỗ này nằm khác cao trình trên các mặt cột và đảm bảo khoản cách để không cản trở việc đổ bê tông vào bên trong lòng ống.
Cốt thép đai:để đơn giản cho thi công, giải pháp đai được chọn là cốt thép đai một nhánh với hai đầu uốn gập một đoạn ≥ 6 đ Chọn thép đai10, uốn gập một đoạn 60mm Lớp cốt đai đầu tiên bố trí cách mặt cột một đoạnd/2= 75mm, các lớp cốt đai tiếp theo bố trí khoảng ≤3d/4→ chọn 100mm, cốt đai bố trí bên hai cánh của H100 một đoạnd/2umm.
Chọn cáp T13 có các đặc trưng sau:
Diện tích danh định:A sp =98,71mm 2
Giới hạn bền:f pu = 1860MPa
Giới hạn chảy:f pu = 1670MPa
Mô đun đàn hồi:E sp = 200GPa
Chọn ứng suất căng trướcf pi = 0,7f pu = 1300 MPa
Chọn lực căng ban đầu :A sp f pi = 98,71×1300 = 128 kN lấy tròn 130 kN
Kết quả thiết kế mẫu, chọn 16 cáp bố trí thành 4 bó, mỗi bó 4 sợi cáp theo mỗi phương Với ứng suất kéo ban đầu 1300 MPa, ứng suất nén trung bình trong sàn làσ cp = 3,8 MPa Cáp bố trí theo quỹ đạocong.
Sử dụng ống gen dẹt loại dùng cho bốn sợi Ống gen được cắt đủ chiều dài của sàn và bố trí đúng vị trí, quỹ đạo theo thiết kế nhưHình 2.47.
Shear-head Cáp ứng lựctrước Tấm đặt tải
Hình 2.47 Quỹ đạo bố trí cáp sàn
Bốtrí4bócáptheomỗiphương.Mỗibógồm4cápT12(12,7mm)
Hình 2.48 Bố trí cáp cho mẫu thí nghiệm Chế tạo mẫu thí nghiệm:Chi tiết liên kết được chế tạo giống với liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép nhưHình 2.12.
Tiến hành đóng ván khuôn, gia công và lắp đặt cốt thép sàn Trình tự bố trí gồm: cốt thép lớp dưới, bố trí ống gen và đầu neo theo đúng vị trí thiết kế, lắp đặt cốt thép lớp trên và sau cùng là bố trí cốt đai C Các cốt thép này được buộc thành lưới và thành khối với nhau nhưHình 2.49.
Hình 2.49 Bố trí cốt thép sàn
Sau khi bố trí cốt thép sàn, tiến hành lắp đặt các cảm biến (strain gauges) đo biến dạng cốt thép dọc, cốt đai và shear-head.
Thi công đổ bê tông sàn, sử dụng bê tông có cấp bền B30 (M400) với cấp phối cho trongBảng 2.1 Trong quá trình đổ bê tông sàn, thực hiện đúc các tổ mẫu để thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo, chịu nén của bê tông Bê tông sàn sau khi đổ được dưỡng hộ trong điều kiện phòng thí nghiệm nhưHình 2.50.
Hình 2.50 Dưỡng hộ bê tông sàn
Sau 28 ngày, thực hiện tháo dỡ ván khuôn và tiến hành thi công cáp ứng lực trước theo trình tự như sau:
Lắp đặt đầu neo:Vì kích thước sàn nhỏ không có không gian cho việc bố trí đầu neo chết nên hai đầu neo của sàn đều sử dụng đầu neo sống Cấu tạo hai đầu neo được mô tả nhưsau:
Một đầu neo gồm đế neo được cố định vào thành ván khuôn của sàn theo đúng cao độ và vị trí theo bản vẽ thiết kế Đuôi của đế neo được nối với ống gen. Tại giao điểm của trục đường cáp và ván khuôn thành, ván khuôn thành phải được đục lỗ để cáp có thể luồn qua được Trục của đế neo được lắp trùng với trục đường cáp Tại vị trí liên kết đế neo với ván khuôn và đuôi đế neo với ống gen phải được bịt kín để không cho vữa bê tông chảy vào bên trong ống ghen cũng như đầu neo nhưHình2.51.
Hình 2.51 Cấu tạo đầu neo cáp ứng lực trước Đầu neo còn lại không sử dụng đế neo mà được neo bên ngoài Tại giao điểm của ống gen và ván khuôn thành được đục lỗ để luồng cáp Tại vị trí giao giữa ống gen và thành ván khuôn được bịt kín để không cho vữa bê tông tràn ra ngoài. Chi tiết bố trí đầu neo nhưHình2.52.
Hình 2.52 Cấu tạo đầu neo ngoài của cáp ứng lực trước Kéo cáp ứng lực trước:Khi bê tông đạt cường độ thiết kế, thực hiện kéo cáp.
Các thiết bị như kích và đồng hồ đo lực được kiểm định và hiệu chỉnh để đảm bảo độ chính xác Kích được luồn qua sợi cáp, ép sát vào mặt khoá neo rồi tiến hành kéo căng Ứng lực trước trong mỗi sợi cáp theo thiết kế là 130 kN Quá trình kéo cáp được thực hiện như sau:
Căng cáp đợt đầu: kéo khử chùng với lực kéo 13 kN (10%P tk ) hồi kích về 0 đánh dấu vị trí đo độ giãn dài của cáp;
Kéo cáp với 50%P tk ,hồi kích để đóng neo, dừng lại 5 phút và đo độ dãn dài của cáp Quá trình kéo thực hiện theo chu vi sàn;
Kéo cáp đến 100%P tk cho tất cả sợi cáp ngay sau khi kết thúc giai đoạn kéo 50%P tk , tiến hành đo độ giãn dài của cáp Giá trị lực căng cho một tao cáp trong từng giai đoạn cho trongBảng 2.5.
Bảng 2.5 Giá trị lực căng cáp
Căng 10%P tk Căng 50%P tk Căng 100%P tk
P 1 (kN) P 2 (kN) Δll 2 (mm) P 3 (kN) Δll 3 (mm)
Trong đó: P i (kN) – Lực căng một sợi cáp; Δll i độ giãn dài của cáp
Kết luậnChương2
Chương 2 của luận án đã thực hiện các nội dung như sau:
1 Nghiên cứu thực nghiệm trên các mẫu dầm bê tông cốt thép (kết cấu một phương) với cột ống thép nhồi bê tông với các kiểu hình dạng shear-head khác nhau Kết quả ứng xử từ thí nghiệm và phân tích cơ chế truyền tải cho thấy, trường hợp sử dụng thép hình chữ H hoặc I có cánh dưới mở rộng được xem như điểm tựa cho các thanh chống nghiêng bê tông làm việc, đảm bảo cơ chế truyền tải từ dầm vào cột rõ ràng hơn so với sử dụng tấm thép liên kết Do đó, việc lựa chọn shear- head là các thép hình tiết diện H hoặc I làm chi tiết liên kết cho cột CFST với sàn phẳng BTCT là hợplý.
2.Đề xuất giải pháp cấu tạo cải tiến liên kết cột CFST với sàn phẳng bê tông cốt thépgồm:
Thép hình chữ H bố trí phần bụng ngàm vào bên trong cột và hàn tại mặt cột đảm bảo độ tin cậy của liên kết Bên cạnh đó, việc sử dụng tấm thép liên tục bao quanh chu vi cột nhằm tăng chiều dài đường hàn liên kết shear-head vào cột góp phần nâng cao độ an toàn cho liên kết.
Bố trí tấm thép liên tục phía dưới của cánh dưới tiết hiện H hoặc I, được hàn theo chu vi cột nhằm tạo điểm tựa để tiếp nhận tải trọng từ sàn vào cột thông qua các thanh chống bê tông tại các vị trí góc của cột giúp cơ chế truyền tải từ sàn được phân bố đều theo chu vi củacột.
Bố trí cốt thép đai hình chữ C nhằm nâng cao khả năng chịu cắt thủng cho sàn và cải thiện ứng xử của liên kết sau pháhoại.
Mục đích cấu tạo liên kết nhằm tạo ra một vùng cứng tại đầu cột, hoạt động như mũ đầu cột tiếp nhận trực tiếp tải trọng từ sàn truyền vào cột và tham gia vào khả năng chịu cắt thủng cho sàn.
3.Nghiên cứu thực nghiệm một cách hệ thống cho liên kết cột giữa, cột biên, cột góc ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép khi xét tương quan trong cùng hệ kết cấu Kết quả nghiên cứu chothấy:
Cấu tạo liên kết là giống nhau Tuy nhiên, khi thiết kế liên kết thì chiều dài shear-head của cột biên và cột góc dài hơn so với cột giữa, do cột biên cột góc bên cạnh khả năng chịu cắt do lực thẳng đứng thì còn chịu tác động của mô men không cân bằng làm cho chu vi phá hoại bị đẩy ra xa hơn so với cột giữa.
Kết quả thí nghiệm cho thấy, các liên kết đáp ứng khả năng chịu lực, cụ thể các giá trị tải trọng thí nghiệm đều lớn hơn so với tải trọng thiết kế mẫu trong phần phụ lục 2 (Cột biênV u = 220 kN, cột gócV u = 105 kN và cột giữaV u = 440 kN) Mô hình phá hoại cuối cùng cho mẫu cột giữa là chọc thủng với hai chu vi phá hoại được quan sát Trong khi đó mẫu cột biên và cột góc thì xảy ra phá hoại uốn.
4 Nghiên cứu thực nghiệm liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông ứng lực trước với chi tiết liên kết tương tự như cột giữa CFST với sàn BTCT Kết quả thí nghiệm cho thấy sự có mặt của cáp dự ứng lực cải thiện đáng kể đến sự hình thành, phát triển nứt so với sàn BTCT thường Bên cạnh đó, mô hình phá hoại quan sát được là tương tự với mẫu sàn cột giữa BTCT thường,trạng thái phá hoại cuối cùng của hai mẫu thí nghiệm đều là cắt thủng Hai trường hợp phá hoại có thể xảy ra hoặc phá hoại cắt qua cốt đai, hoặc sự phá hoại xảy ra bên ngoài vùng bố trí cốtđai.
MÔ PHỎNG SỐ LIÊN KẾT VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁNKHẢ NĂNG CHỊU CẮT THỦNG CỦA SÀN TẠI LIÊN KẾT CỘT ỐNGTHÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚISÀN PHẲNG
Mô phỏng số liên kết cột ống thép nhồi bê tông vớisànphẳng
Mô phỏng liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tôngcốt thép và xác thực với kết quả thí nghiệm
Phần mềm Abaqus [12] có thư viện phần tử mẫu rất phong phú, vì thế việc lựa chọn phần tử phù hợp cho từng cấu kiện là cần thiết nhằm mô phỏng kết cấu sao cho gần với thực tế nhất C3D8R là phần tử khối 8 nút với kỹ thuật giảm điểm tích phân Gauss xuống còn một điểm với điểm lấy tích phân nằm tại tâm phần tử Đối vớicấukiệncódạngkhốihaybềdàytươngđốilớnviệcsửdụngphầntửkhốiliên tục 8-nút 3D-stress C3D8R là hợp lý, vì phần tử khối sẽ mô tả chính xác ứng xử vật lý như quan hệ ứng suất-biến dạng ở những thớ kéo và nén với độ chính xác cao. Hơn nữa, C3D8R là phần tử sử dụng kỹ thuật giảm điểm tích phân do vậy hiện tượng shear-locking được khắc phục Do đó, những phần tử này thường là những lựa chọn tốt nhất cho các bài toán mô phỏng Các nghiên cứu về mô phỏng số cho kết cấu sàn và dầm bê tông cốt thép chịu uốn, chịu cắt [18], [14] sử dụng loại phần tử này cho kết quả chính xác và tin cậy Do đó, với kích thước hình học cho trongBảng 3.1, phần tử C3D8R được lựa chọn để mô phỏng phần tử sàn bê tông, lõi bê tông cột, ống thép cột, shear-head và các tấm đệm thép vị trí đặtlực.
Phần tử dạng thanh T3D2 (2 nút, 3 bậc tự do mỗi nút) với đặc điểm chỉ tồn tại ứng suất kéo hay nén dọc trục được sử dụng để mô phỏng cốt thép dọc, cốt thép vòng, cốt thép đai.Bảng 3.2minh họa các bộ phận của liên kết khi mô phỏng bằng Abaqus.
Bảng 3.1 Lựa chọn phần tử cho các bộ phận của liên kết sàn – cột CFST
Cấu kiện Kích thước Phần tử mô phỏng
Sàn bê tông 2700 × 2700 mm 2 dày 200mm C3D8R Ống thép hộp 300 × 300 mm 2 dày 10 mm C3D8R
Lõi bê tông cột 200 × 200 mm 2 C3D8R
Thép shead-head H100×100, dài 400 mm C3D8R
Cốt thép vòng, cốt đai10 T3D2
Bảng 3.2 Mô phỏng các bộ phận của kết cấu
Mô phỏng 1/4 sàn bê tông Cốt thép dọc - thép đai - thép vòng
Mô phỏng lõi bê tông cột – cột CFST Mô phỏng tấm liên tục bao quanh cột
Mô phỏng tấm đệm gia tải – tấm đế Mô phỏng shear-head (H100)
Trong thực tế, việc xác định chính xác đường cong ứng suất-biến dạng của vật liệu từ các thiết bị thí nghiệm kéo, nén mẫu là khó Thông thường, quá trình thí nghiệm chỉ lấy cường độ chịu kéo, nén của mẫu Nhưng trong mô phỏng Abaqus cần phải xác định đúng ứng xử của vật liệu để từ đó đánh giá đúng ứng xử của kết cấu qua các gia đoạn chịu tải Do đó, việc xây dựng đường cong ứng suất- biến dạng là cần thiết Các nghiên cứu dưới đây sẽ thực hiện thiết lập các quan hệ ứng suất-biến dạng cho vật liệu bê tông và thép để sử dụng trong mô phỏng Abaqus với dữ liệu đầu vào chỉ là các giá trị cường độ xác định từ thí nghiệm vậtliệu:
Vật liệu bê tông: Ứng xử của bê tông chịu nén:Dựa vào tiêu chuẩn EC2[25] và [14] để xây dựng đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng của bê tông khi chịu nén và kéo một trục.Hình 3.1ứng xử của bê tông khi nén được mô tả qua 3 gia đoạn như sau:
Hình 3.1 Giả thiết đường cong nén một trục của bê tông [14]
Giai đoạn 1:Bê tông làm việc trong miền đàn hồi, biến dạng dư bằng không, quan hệ ứng suấtσ c - biến dạngε c là tuyến tính theo biểu thức (3.1):
(1) Evới (1) 0, 4f c 0c c cm (3.1) f cm -cường độ chịu nén trung bình mẫu hình lăng trụ xác định từ thí nghiệm. Giai đoạn 2:Xuất hiện các vết nứt trong bê tông, mô đun đàn hồi giảm, biến dạng dư tăng dần Quan hệ ứng suất biến dạng là đường cong và xác định theo công thức (3.2):
(2) f cm cm f với 0,4f (2) f ; c 1 E cm cm c cm c cm ci c
E ci là mô đul biến dạng,E(0,80,2f cm
0 88 ci ci cm ε cm - biến dạng tương ứng với cường độ chịu nén trung bìnhf cm TheoMC
2010 [38],ε cm phụ thuộc vào cấp độ bền của bêtông.
Giai đoạn 3:Biến dạng bê tông tăng nhanh, ứng suất giảm, quan hệ ứng suất biến dạng là đường cong xác định theo biểu thức (3.3) và (3.4):
G ch - năng lượng nén vỡ; l eq - chiều dài đặc trưng của phần tử, phụ thuộc vào kích thước chia lưới phần tử, loại phần tử hữu hạn và hướng của vết nứt; b- hệ số phá hoạib pl ch Dựa trên quan sát từ thực nghiệmb= 0.9 được c c giả thiết ban đầu, sau khi xác định các biến phá hoại, xác định lại giá trị củab. c c
Các giá trị biến dạng mô tả trongHình 3.1được tính theo biểu thức (3.5):
Trong đó: d c – biến phá hoại cho vùng bê tông chịu nén; ε ch , ε el - biến dạng nén vỡ và biến dạng đàn hồi trong vùng bê tông pháhoại; ε pl , ε el - biến dạng dẻo và đàn hồi hợp thành biến dạng của bê tông vùngnén. Ứng xử của bê tông khi chịu kéo:Diễn biến quá trình chịu kéo của bê tông được mô tả qua 2 giai đoạn nhưHình 3.2:
Hình 3.2 Giả thiết mô hình kéo một trục của bê tông [14]
Giai đoạn 1:Bê tông chưa xuất hiện vết nứt, quan hệ ứng suất biến dạng là tuyến tính xác định theo biểu thức:
(1) t E 0t với (1) f t tm (3.6) Giai đoạn 2:Vết nứt xuất hiện, ứng suất bê tông giảm, biến dạng tăng, năng lượng bị tiêu tán làm cho vật liệu bị mềm hóa Trong giai đoạn này quan hệ ứng suất biến dạng là đường cong và tỉ số giữa ứng suất kéoσ t (w)(wlà bề rộng vết nứt) và cường độ chịu kéof tm (cường độ chịu kéo trung bình mẫu hình lăng trụ) được cho bởi biểu thức(3.7):
Trong đó: c 1 = 3;c 2 = 6,93;w c - vết nứt mở tới hạn.
Công thức (3.7) cho thấyσ t (w = 0) = f tm vàσ t (w c ) = 0 Vì vậyw c có thể xem là sự mở rộng vết nứt liên quan đến cường độ chịu kéo và năng lượng nứt G Fqua biểu thức (3.8): w c 5.14G F /f tm
Tỉ số giữa năng lượng nén vỡ và năng lượng nứt có thể giả thiết tỉ lệ bình phương của tỉ số cường độ chịu nén và cường độ chịu kéo (3.9).
Sau giả thiết trên, nhánh giảm của của đường cong ứng suất biến dạng kéo, biến dạng kéo có thể đạt được từ vết nứt mở tính theo biểu thức sau (3.10):
Các giá trị biến dạng mô tả trongHình 3.4được tính theo biểu thức (13):
Trong đó: d t – biến phá hoại cho bê tông chịu kéo một trục; ε t ck , ε 0t el - biến dạng nứt và biến dạng đàn hồi trong vùng bê tông phá hoạinứt; ε t pl , ε t el - biến dạng dẻo và đàn hồi hợp thành biến dạng của bê tông vùngkéo. Áp dụng lý thuyết ở trên để mô hình vật liệu bê tông sử dụng cho mô phỏng trong Abaqus như sau: Đường cong ứng suất biến dạng: Từ kết quả thí nghiệm về kéo và nén mẫu bê tông xác định được cường độ chịu kéof tm và nénf cm của bê tông cho trongBảng
3.3 và thiết lập đường cong quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông nhưHình3.3.
Bảng 3.3 Các thông số đặc trưng cho vật liệu bê tông f cm (MPa) f tm (MPa) E 0 (MPa) ε cm
0.000104 pl t ck t el t t el ot
0 0.0022 pl el c c ch el c oc
Hình 3.3 Đồ thị ứng suất – biến dạng nén, biến dạng kéo một trục của bê tông
Với giai đoạn sau đàn hồi: mô hình phá hoại hợp lý cho bê tông sẽ là sự nén vỡ của bê tông vùng nén và phá hoại nứt của bê tông vùng kéo Trong khi đó mô hình ứng xử dẻo tốt hơn khi thể hiện sự phá hoại của thép Vì thép tăng thêm độ dẻo nên ứng xử của bê tông thuộc kết cấu bê tông cốt thép có thể mong đợi tốt hơn với mô hình kết hợp phá hoại (nén vỡ hoặc nứt) - dẻo hay còn gọi là mô hình CDP (Concrete Damage Plastic Model) Đây là mô hình phá hoại dẻo 3D đối với vật liệu bê tông đề xuất bởi J Lubiner et.al [33] với đề nghị hiệu chỉnh của J Lee et.al [34] có khả năng dự đoán cả hai ứng xử kéo và nén của bê tông dưới áp lực hạn chế nở hông Như vậy, để sử dụng mô hình CDP trong mô phỏng số bằng Abaqus cần khai báo các tham số nhưBảng 3.4và đồ thị quan hệ giữa biến phá hoại kéod t , biến phá hoại nénd c với ứng suất của bê tông cho trongHình3.4.
Bảng 3.4 Tham số của mô hình CDP
Các tham số trongBảng 3.4được lấy như sau:
K c - Hệ số điều khiển hình dạng mặt phẳng phá hoại dẻo.K c nằm giữa 0,5 (bề mặt chảy dẻo Rankine) và 1(Von-Mises) Theo nghiên cứu của[14] về ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép chịu uốn, nén và cắt thìK c được lấy là 0,7 Ứng xử này phù
0 hợp với trạng thái làm việc của bê tông lõi cột và bê tông sàn của mẫu thí nghiệm nên trong mô phỏng Abaqus cho liên kết lấyK c = 0,7 ψlà góc giãn nở của vật liệu Theo[14], [54] với vật liệu bê tông lấyψ 0 f b0 / f c0 là tỉ số giữa cường độ nén hai trục và một trục của bê tông lấybằng1,16 vàϵ= 0,1 là sự lệch của mặt thế năng dẻo (theo [14], [18],[43]).
Hình 3.4 Đồ thị biến dạng – biến phá hoại nén d c , biến phá hoại kéo d t
Mô hình tính toán khả năng chịu cắt thủng của sàn phẳng tại liên kết vớicột giữa ống thép nhồibêtông
Đối với sàn phẳng ứng xử quan trọng của sàn tại vị trí liên kết sàn – cột là chọc thủng Khả năng chịu cắt thủng của sàn phẳng BTCT không bố trí cốt đai thường là tức thời và đặc trưng bởi sự phân tách hai khối bê tông bởi bề mặt hình côn Trước khi phá hoại lực được chuyển từ sàn phẳng đến cột thông qua thanh nén không gian phát triển từ chân cột (với các góc nghiêng biến thiên từ 20 0 -45 0 ) đến cốt thép chịu kéo của sàn và khi ứng suất kéo chính lớn, những vết nứt nghiêng trongthanhchốngđượckíchhoạtvàcuốicùngdẫnđếnpháhoại.Lúcđókhảnăng chịu cắt thủng của sàn là hàm số của chiều dày sàn, hàm lượng cốt thép chịu uốn và đặc trưng của vật liệu Trong những mẫu thí nghiệm tách ra từ hệ sàn toàn khối thì sự chuyển của lực cũng ảnh hưởng bởi tỉ số nhịp và điều kiện biên.
Trường hợp ứng xử của sàn tại liên kết với cột ống thép nhồi bê tông, thực nghiệm quan sát đã chỉ ra rằng sự chuyển lực cắt và phá hoại cắt phát triển một cách tương tự như trong sàn bê tông cốt thép thường Nghĩa là các shear-head hoạt động như một gối tựa hay “cột lớn” - cột có kích thước bằng cột ống thép nhồi bê tông cộng với chiều dài đoạn vươn của shear-head và lúc đó sự chuyển lực từ shear-head vào những phần tử bê tông cốt thép được huy động thông qua thanh chống nghiêng được đỡ bởi cánh dưới của shear-head Sự phá hoại cắt xảy ra trong hệ liên hợp do sự mở rộng của vết nứt cắt chủ đạo phát triển bên dưới thanh chống và đỉnh phía dưới của shear-head.
Như đã phân tích trong phần thí nghiệm, mô hình phá hoại cuối cùng của sàn phẳng bê tông cốt thép và sàn phẳng bê tông ứng lực trước tại liên kết với cột ống thép nhồi bê tông là tương tự nhau đều là phá hoại cắt thủng Mô hình phá hoại cho cả hai thí nghiệm giống nhau, mặt phá hoại có thể cắt qua cốt đai hoặc xảy ra bên ngoài vùng bố trí cốt đai Các biến dạng của cốt đai cắt qua các mặt phá hoại đều đạt đến trạng thái chảy dẻo Do đó, trong phần này sẽ trình bày mô hình tính toán cho hai trường hợp thí nghiệm cột ống thép nhồi bê tông liên kết với sàn phẳng có hay không có cáp ứng lựctrước. Đề xuất chu vi tiết diện tới hạn Để tính toán khả năng chịu cắt thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép cần phải xác định chu vi tiết diện tới hạn Đối với kiểu liên kết sử dụng kết hợp shear-head và cốt đai, chu vi tiết diện tới hạn phụ thuộc vào chiều dài của shear-head được nhúng trong sàn và số lượng, cách bố trí cốt đai.Từ kết quả thí nghiệm cho thấy, với sự có mặt của cốt đai sự phá hoại có thể xảy ra trên hai tiết diện tới hạn, do đó cần xác định vị trí của từng chu vi cắt thủng Dựa vào kết quả thí nghiệm và mô phỏng số, chu vi trung bình của tháp cắt thủng được đề xuất cho từng tiết diện tới hạn nhưsau:
Trường hợp 1: Mặt cắt thủng nằm ngoài vùng bố trí cốt đai Kết quả đo từ thực nghiệm và mô phỏng số ởHình 3.30a,Hình 3.31cho thấy mặt phá hoại nằm ngoài vùng bố trí cốt đai và các điểm gãy khúc tại mặt trên tháp cắt thủng nằm phía đỉnh của các hàng cốt đai Vị trí chu vi trung bình cách cốt đai ngoài cùng một khoảngkd v lấyk= 2,0 (d v là chiều cao làm việc chịu cắt củasàn). a) Mặt phá hoại nằm ngoài vùng cốt đai b) Mặt phá hoại cắt qua cốt đai
(1) Shear –head; (2) Đỉnh shear – head; (3) Chu vi trung bình của mặt phá hoại; (4) Mặt pháhoại;
(5) Chu vi cốt đai ngoài cùng; (6) d v khoảng cách từ cánh dưới của shead-head đến trọng tâm cốt thép chịuuốn
Hình 3.30 Phân tích các chu vi tới hạn của sàn phẳng bê tông cốt thép
Hình 3.31 Phân tích các chu vi tới hạn của sàn phẳng bê tông ứng lực trướcTrường hợp 2:Mặt cắt thủng xuất phát từ mút dưới shear-head và cắt qua cốt đai Phân tích từ kết quả thí nghiệm và mô phỏng sốHình 3.30,Hình 3.31cho thấy chu vi tiết diện tới hạn được xác định là chu vi trung bình của đáy trên và đáy dưới của tháp cắt thủng Vị trí này cách đỉnh shear-head trung bình khoảngd v /2và được tính theo công thức sau: b b c b s d v l4 2
Trong đó:b c – bề rộng cột;b s – bề rộng lớp cốt đai ở đỉnh shear-head;l v – chiều dài đoạn shear-head nhúng trong sàn tính từ mặt cột;d v – chiều cao làm việc chịu cắt của sàn, được xác định từ cánh dưới của shead-head đến trọng tâm lớp cốt thép chịu uốnHình 3.32và được xác định theo công thức: dvddfbtfb(d fb - khoảng cách từ đáy cánh dưới shear-head đến mép bê tông vùng nén;t fb - chiều dày cánh dưới của shear-head).
Chu vi tháp cắt thủng k = 2.0 b s kd v kd v b 0,out d v /2 l v b c l v d v /2 b 0,in = b c - b s + d v + lv 4 2 + 4bs
Chu vi tháp cắt thủng b 0,in
22 b s d v /2 l v b c l v d v /2 a) b) c) a) Xác định d v cho sàn bê tông cốt thép; b) Xác định bề rộng b s ; c) Xác định d v cho sàn bê tông ứng lực trước
Hình 3.32 Chiều cao làm việc chịu cắt d v xác định từ kết quả thí nghiệm
Từ các kết quả phân tích ở trên, hai chu vi phá hoại đề xuất được mô tả trên mặt bằng nhưHình 3.33. a) Chu vi phá hoại ngoài vùng cốt đai b) Chu vi phá hoại cắt qua cốt đai
Hình 3.33 Đề xuất chu vi phá hoại
Công thức (3.14) được thiết lập từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số cho phạm vi cấu tạo liên kết và được áp dụng cho các trường hợp như sau: b s k d v d v /2 d v /2 l v b c l v b s d v /2 d v /2 l v b c l v
Cột tiết diện hình vuông;
Chiều dài của shear-head không lớn hơn4d v ;
Tỉ số độ cứng của shear-head với vùng bê tông quy ướcα v ≥ 0,15;
Mỗi mặt cột bố trí một shear-head;
Tuân theo yêu cầu bố trí cốt đai như sau:
+ Hình thức:đai một nhánh dạng chữ C hoặc Z, hai đầu uốn một đoạn ≥6 đ
+ Bố trí:lớp cốt đai đầu tiên cách mặt cột một đoạnd/2(d- chiều cao làm việc của sàn), các lớp cốt đai tiếp theo bố trí khoảng cách ≤3d/4; cốt đai bố trí hai bên cánh và đỉnh của shear-head một đoạnd/2.
Công thức (3.14) cũng dựa trên cơ sở phân tích cơ chế làm việc chịu cắt của bê tông đó là các vết nứt nghiêng xuất phát từ shear-head với góc nghiêng từ θ 0 -
45 0 hướng ra bên ngoài của sàn và trong luận án đã đề xuất chu vi phá hoại tương ứng với góc nghiêng θE 0 , đề xuất này cho kết quả thiên về an toàn khi tính toán.
Do đó, công thức (3.14) cũng dùng để tham khảo cho việc xác định chu vi tới hạn cho các trường hợp cấu tạo liên kết tương tự Ví dụ như trường hợp cột tiết diện tròn bằng cách quy đổi về tiết diện hình vuông tươngđương.
Mô hình tính toán khả năng chịu cắt thủng của sàn phẳng bê tôngcốt thép và so sánh kết quả với thí nghiệm
Hiện nay, các tiêu chuẩn chưa đề cập đến việc tính toán khả năng chịu cắt thủng của sàn phẳng sử dụng kiểu liên kết shear-head kết hợp với cốt đai Từ kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số cho thấy, khả năng chịu cắt của sàn gồm các thành phần kháng cắt trên khe nứt nghiêng đóng góp vào khả năng chịu cắt và nó là hàm số của chiều dày sàn, hàm lượng cốt thép chịu uốn, tác dụng của ứng lực trước và đặc trưng của vật liệu So với tiêu chuẩn ACI 318-14 thì tiêu chuẩnEC2 đã đề cập đầy đủ các tham số trên vào biểu thức xác định khả năng chịu cắt của sàn Do đó, luận án sẽ sử dụng EC2 để tính khả năng chịu cắt của sàn tại liên kết sàn với cột ống thép nhồi bê tông với các chu vi phá hoại đề xuất Kết quả tính toán được xác nhận với kết quả thực nghiệm cũng như mô phỏng số để kiểm chứng mô hình tính đềxuất. Để tính toán khả năng chịu cắt thủng của sàn, giả thiết hệ shear-head ứng xử như cột có kích thước lớn với kích thước cột mở rộng tính bằng kích thước cột ống thép nhồi bê tông cộng với chiều dài shear-head theo mỗi phương Lúc đó có thể tính khả năng chịu cắt như sàn bê tông cốt thép thông thường với chu vi tới hạn tươngứng.
Trường hợp 1:Mặt cắt thủng nằm ngoài vùng bố trí cốt đai Trong trường hợp này sức kháng cắt trên tiết diện nghiêng được tính theo công thức sau:
1 + (200/d) 1/2 2.0 - ảnh hưởng kích thước sàn; ρ- hàm lượng cốt thép chịu uốn; f c - cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông; d- chiều cao làm việc của sàn bên ngoài vùng bố trí cốt đai; b 0,out – chu vi tiết diện phá hoại xác định nhưHình 3.33a.
Trường hợp 2:Mặt cắt thủng xuất phát từ đỉnh shear-head và cắt qua cốt đai.
Sức kháng cắt trên tiết diện phá hoại là sự đóng góp khả năng chịu cắt của bê tôngV c và cốt đaiV sw theo công thứcsau:
+ Khả năng chịu cắt của bê tông có xét đến ảnh hưởng của cốt thép dọc:
Trong đó: d v - chiều cao làm việc chịu cắt trên tiết diện phá hoại; b 0,in – chu vi tiết diện phá hoại.
+ Khả năng chịu cắt của cốt đai trên tiết diện nghiêng:
Trong đó:A sw – diện tích của một chu vi cốt đai;f yw – cường độ chảy dẻo của cốt thép (MPa);s w – khoảng cách giữa các chu vi cốt đai.
Trong công thức trên,λlà hệ số kể đến sự có mặt của cốt đai ảnh hưởng đến khả năng chịu cắt của bê tông Trong nghiên cứu này lấyλ=1 Vậy khả năng chịu cắt danh nghĩa của sàn sử dụng shear-head và cốt đai làV R = min(V R,in ,V R,out ) Để xác minh mô hình tính toán khả năng chịu cắt thủng của sàn cho hai mặt phá hoại đề xuất, thực hiện các tính toán để so sánh với kết quả thực nghiệm, mô phỏng số và từ các nghiên cứu khác Thông số chi tiết của các mẫu choBảng 3.7
Bảng 3.7 Thông số của các mẫu thí nghiệm và mô phỏng số tính toán cường độchịu cắt thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép
Mẫu c 1 ( mm) c 2 ( mm) h( mm) l v ( mm) d( mm) d v ( mm) ρ(
(mm) số đai n s w ( mm) b s ( mm)
V 0,out (mm) b 0,out (mm) b 0,in
Ghi chú:S0 thông số của mẫu thí nghiệm; HS13-0T, HS13-CT mẫu thí nghiệm của D.V.
Kết luậnChương 3
1.Trong chương này đã trình bày quy trình mô phỏng số cho liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép và sàn phẳng bê tông ứng lực trước Kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả thí nghiệm cho thấy quy trình mô phỏng là hợp lý để áp dụng thiết kế cho kiểu chi tiết liên kế đã đềxuất.
2.Từ kết quả mô phỏng và thí nghiệm cho thấy ứng xử của sàn phụ thuộc vào shear-head, hàm lượng cốt thép dọc, cốt đai, cáp ứng lực trước Mô hình phá hoại của sàn trong hai trường hợp thí nghiệm là chọc thủng Sự có mặt của shear-head làmchuvipháhoạicắtthủngbịđẩyraxakhỏimặtcộtvàhệcốtđailàmchovết nứt phá hoại cắt thủng có thể xảy ra theo hai trường hợp: vết nứt cắt qua lớp cốt đai hoặc phá hoại ngoài vùng bố trí cốt đai Hai chu vi phá hoại cắt thủng được đề xuất tương ứng với hai trường hợp phá hoại.
3.Việc tính toán khả năng chịu cắt thủng của sàn khi xem hệ shear-head hoạt động như một mũ cột lớn, tham khảo tiêu chuẩn Eurocode 2 để tính toán khả năng chịu cắt thủng của sàn với hai chu vi tới hạn đề xuất Kết quả tính toán cường độ chịu cắt thủng trên tiết diện tới hạn phù hợp với kết quả thí nghiệm Điều đó chứng tỏ mô hình ứng xử và tính toán là tincậy.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết quả nghiên cứu của đề tài đã hoàn thành các mục tiêu đề ra, cụ thể: Đề xuất giải pháp cấu tạo cải tiến liên kết cột CFST với sànphẳng:
Giải pháp cấu tạo liên kết gồm: (1) shear-head là các thép hình H, (2) tấm thép liên tục, (3) cốt thép đai, (4) cốt thép vòng và (5) cốt thép dọc xuyên cột Trong đó:
Liên kết đã kế thừa việc sử dụng shear-head làm chi tiết liên kết và xác định được hình dạng hợp lý của shear-head là các thép hình H dựa vào kết quả phân tích thực nghiệm ảnh hưởng hình dạng shear-head đến ứng xử của dầm bê tông cốt thép và cơ chế truyền tải từ dầm vào cột theo mô hình giàn ảo.
Bổ sung các chi tiết để cải tiến liên kết sàn phẳng – cột CFST, cụ thể: cấu tạo bản bụng của shear-head ngàm vào bên trong lõi cột nhằm tăng độ tin cậy cho liên kết Thêm tấm thép liên tục xung quanh chu vi cột góp phần đảm bảo cơ chế truyền tải từ sàn vào cột được liên tục Bố trí cốt thép đai và cốt thép vòng giúp gia cường khả năng chịu cắt chosàn.
Nghiên cứu thực nghiệm liên kết cột CFST với sànphẳng:
Thực hiện thiết kế, chế tạo khung gia tải chuyên dụng cho thí nghiệm liên kết cột CFST với sàn phẳng nhằm mô phỏng chính xác ứng xử của mẫu thí nghiệm so với trạng thái làm việc thật của liên kết xét trong hệ kết cấu tổngthể.
Nghiên cứu thực nghiệm trên 03 mẫu có kích thước lớn gồm: mẫu cột giữa,cột biên, cột góc CFST với sàn phẳng bê tông cốt thép được xét trong cùng một hệ kết cấu Kết quả thí nghiệm mẫu cột giữa cho thấy: (1) ứng xử từ thực nghiệm minh chứng cho sự hợp lý của các chi tiết cấu tạo được bố trí để cải tiến liên kết như giúp tăng độ tin cậy, đảm bảo cơ chế truyền lực liên tục và nâng cao khả năng chịu cắt cho sàn; (2) mô hình phá hoại cuối cùng là cắt thủng; (3) cơ chế phá hoại cho phép xác định hai trường hợp phá hoại hoặc mặt phá hoại xuất phát từ đỉnh của shear- head cắt qua cốt đai, hoặc mặt phá hoại xảy ra bên ngoài vùng bố trí cốt đai Đối với mẫu cột biên, cột góc: (1) kết quả thí nghiệm xác nhận khả năng chịu lực của liên kếtlàđảmbảo,chitiếtliênkếtđápứngđượcvaitròkếtnốisàn–cột;(2)môhình phá hoại của cột biên và cột góc là phá hoại uốn.
Nghiên cứu thực nghiệm liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông ứng lực trước Kết quả thí nghiệm cho thấy: (1) sự có mặt của cốt thép ứng lực trước cải thiện đáng kể ứng xử của sàn như nâng cao tải trọng gây nứt, hạn chế bề rộng vết nứt và biến dạng của sàn sau phá hoại; (2) mô hình phá hoại cuối cùng và cơ chế phá hoại tương tự như mẫu cột giữa CFST liên kết với sàn phẳng bê tông cốt thép.
Nghiên cứu mô phỏng số liên kết cột CFST với sànphẳng:
Mô phỏng số liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng bê tông cốt thép và sàn phẳng bê tông ứng lực trước bằng phần mềm Abaqus Chương trình mô phỏng giúp: hiểu sâu hơn các ứng xử của liên kết mà thực nghiệm không thực hiện được và cho phép khảo sát ảnh hưởng của các tham số quan trọng đến sự làm việc của liên kết như: Với shear-head, chiều dài làm việc hiệu quả là4d v (d v – chiều cao làm việc của sàn khi chịu cắt), tỉ số độ cứng của shear-head với tiết diện bê tông quy ướcα v ≥ 0,15 để nó đáp ứng vai trò làm gối tựa cho sàn Về ảnh hưởng của cốt thép dọc, khi tăng hàm lượng thì khả năng chịu tải trọng của sàn tăng và khi hàm lượng cốt thép
≤ 0,2% thì xem xét bỏ qua ảnh hưởng của nó đến khả năng chịu cắt của sàn Đối với cốt đai khảo sát cho thấy sự có mặt của nó giúp nâng cao khả năng chịu cắt cho sàn Về ảnh hưởng của bê tông, nếu tăng cường độ thì khả năng chịu cắt của sàn cũng tăng tương ứng. Đề xuất công thức xác định chu vi phá hoại của tháp cắt thủng sàn và xácđịnh khả năng chịu cắt thủng của sàn dựa vào công thức của tiêu chuẩn(EC2).
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số cho thấy khả năng chịu cắt thủng của sàn phụ thuộc vào các tham số như chiều dày sàn, hàm lượng cốt thép chịu uốn, tác dụng của ứng lực trước và đặc trưng của vật liệu Tiêu chuẩn EC2 đã đề cập tất cả các tham số này trong biểu thức xác định khả năng chịu cắt thủng của sàn Do đó, luận án đã tham khảo EC2 để tính khả năng chịu cắt của sàn tại liên kết với cột giữa ống thép nhồi bê tông với các chu vi phá hoại đề xuất Sự phù hợp giữa kết quả tính toán từ mô hình giải tích với kết quả thí nghiệm và mô phỏng số chứng tỏ mô hình tính với các chu vi phá hoại đề xuất là hợp lý và tin cậy.
Mục tiêu nghiên cứu liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng BTCT nhằm ứng dụng hệ kết cấu này vào trong thực kế thiết kế và xây dựng nhà cao tầng. Tuy nhiên, qua nội dung nghiên cứu còn nhiều khía cạnh khác nhau cần giải quyết để đưa có thể ứng dụng vào thực tiễn như sau:
Cần thực hiện thêm các khảo sát thực nghiệm để đánh giá sự đóng góp của cốt thép vòng, tấm thép liên tục đến ứng xử và khả năng chịu lực của liên kết;