Luận án tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng: Ứng xử chọc thủng của liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép dùng chi tiết liên kết cải tiến

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Phản biện độc lập: PGS.TS Đinh Văn Thuật Phản biện độc lập: TS Trần Văn Phúc

NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1 PGS.TS Ngô Hữu Cường2 PGS.TS Nguyễn Minh Long

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả mà kết quả nghiên cứu là một phần của đề tài nghiên cứu hợp tác giữa Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP Hồ Chí Minh và Tập đoàn Thép JFE – Nhật Bản do PGS.TS Ngô Hữu Cường chủ trì Công tác nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Kết cấu Công trình Bách Khoa (BKSEL), Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

TP.HCM, ngày 19 tháng 12 năm 2022

Tác giả luận án

Chữ ký

Lưu Thanh Bình

ii

TÓM TẮT

Kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT)/bê tông ứng suất trước (BTUST) – cột ống thép nhồi bê tông (CFT) là dạng kết cấu có nhiều đặc điểm nổi trội về mặt kết cấu, thi công và kiến trúc và được dùng nhiều trong các công trình dân dụng và công nghiệp Tuy nhiên, do sàn phẳng BTCT/BTUST liên kết trực tiếp với cột CFT nên chúng cũng phải đối mặt với kiểu phá hoại chọc thủng mang tính giòn và nguy hiểm giống như kết cấu sàn – cột BTCT truyền thống Thêm vào đó, liên kết giữa sàn bê tông và bề mặt trơn của cột thép CFT còn ảnh hưởng mạnh đến tính toàn khối của liên kết; điều này có thể làm giảm độ cứng của liên kết, khả năng kháng chọc thủng và hiệu quả sử dụng của loại kết cấu tinh tế này Việc nghiên cứu làm rõ các đặc trưng về ứng xử chọc thủng của loại kết cấu tinh tế, tiềm năng này và tìm kiếm các dạng chi tiết kháng cắt mới sao cho có thể đảm bảo được tính liên tục, khả năng kháng chọc thủng, dễ thi công mà vẫn đảm bảo được tính dẻo cần thiết cho chúng là vấn đề quan trọng và thật sự cần thiết Luận án này nghiên cứu ứng xử chọc thủng của kết cấu sàn BTCT/BTUST – cột CFT sử dụng một số dạng chi tiết liên kết cải tiến dạng thép bản và đề xuất công thức bán thực nghiệm dự đoán khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn BTCT/BTUST – cột CFT dùng chi tiết liên kết dạng bản Chương trình thực nghiệm được thực hiện trên mười hai mẫu liên kết sàn BTCT/BTUST – cột CFT kích thước lớn dùng bốn loại chi tiết liên kết cải tiến có các thông số kỹ thuật thay đổi gồm liên kết đầy đủ (cả sườn ngang và sườn đứng), không đầy đủ (chỉ có sườn đứng) và hình dạng sườn ngang (vành khuyên liên tục và chữ nhật rời rạc)

Kết quả cho thấy các chi tiết liên kết dạng bản đầy đủ được đề xuất đã giúp cho các nút liên kết sàn BTCT/BTUST – cột CFT duy trì được độ cứng tốt; có khả năng kháng chọc thủng lớn hơn đáng kể (lên đến 25%), khả năng biến dạng vượt trội (lên đến 123%) và độ dẻo dai tốt (lên đến 91%) cũng như có khả năng hấp thụ năng lượng rất ấn tượng (lên đến 216%) so với của nút sàn  cột BTCT truyền thống Trong khi đó chi tiết liên kết không đầy đủ cũng giúp cải thiện mạnh khả năng biến dạng (29%), độ dẻo dai (4%) và khả năng hấp thụ năng lượng (18%) nhưng lại làm giảm nhẹ khả năng kháng chọc thủng (xấp xỉ 7%) và giảm đáng kể độ cứng sau nứt (xấp xỉ 50%) của nút liên kết sàn BTCT – cột CFT so với của nút sàn  cột BTCT truyền thống Kết quả nghiên cứu cũng cho

iii

thấy hiệu quả cải thiện các đặc tính kết cấu của tất cả các loại chi tiết liên kết dạng bản đề xuất đối với nút liên kết sàn BTUST – cột CFT nhỏ hơn rõ rệt so với nút liên kết sàn BTCT – cột CFT, đặc biệt ở phương diện khả năng kháng chọc thủng (nhỏ hơn 213%), độ dẻo dai và khả năng hấp thụ năng lượng (lần lượt nhỏ hơn 264% và 232%) Điều này cho thấy cần có thêm những nghiên cứu cải tiến đối với các dạng chi tiết liên kết dùng thép bản đã được đề xuất để có thể tăng hơn nữa hiệu quả sử dụng của chúng cho trường hợp kết cấu sàn BTUST – cột CFT Có sự khác biệt rõ giữa ứng xử chọc thủng của nút liên kết sàn BTUST – cột CFT với nút liên kết sàn BTCT – cột CFT dùng các chi tiết liên kết thép bản được đề xuất Cáp UST giúp kiểm soát rất hiệu quả tốc độ suy giảm độ cứng của liên kết sàn – cột CFT; theo đó, mức độ suy giảm độ cứng sau khi nứt so với trước khi nứt của mẫu liên kết sàn BTUST – cột CFT nhỏ hơn rất đáng kể (đến 2,1 lần) so với của mẫu liên kết sàn BTCT – cột CFT Kết quả này khiến cho cáp UST một mặt giúp sàn kiểm soát tốt chuyển vị (giảm đến 58%) và đảm bảo tốt yêu cầu kết cấu về giới hạn sử dụng; nhưng ở mặt khác, nó cũng làm tăng tính giòn và giảm khả năng biến dạng (chuyển vị cuối cùng) của sàn (đến 51%) Điều này khiến cho độ dẻo và chỉ số hấp thụ năng lượng của mẫu liên kết sàn BTUST – cột CFT giảm đáng kể lần lượt đến 44% và 41% so với của mẫu liên kết sàn BTCT – cột CFT

Trong bối cảnh hầu hết các công thức hiện có đều được xây dựng dựa trên phương pháp thuần thực nghiệm, các công thức đề xuất trong luận án này được xây dựng theo phương pháp giải tích kết hợp với thực nghiệm đã phản ánh được gần hơn bản chất vật lý của kiểu phá hoại chọc thủng, lồng ghép được trong nó mô hình làm việc của vật liệu, các điều kiện về cân bằng và sự tương thích về biến dạng, nhưng đồng thời vẫn tận dụng được tính đơn giản của nguyên lý cộng tác dụng truyền thống Kết quả kiểm chứng cho thấy công thức đề xuất dự đoán khả năng kháng chọc thủng của nút liên kết sàn BTCT/ BTUST – cột CFT dùng chi tiết liên kết dạng bản với mức độ chính xác tốt và có sự phân tán thấp so với kết quả thực nghiệm, có thể được dùng để hỗ trợ công tác thiết kế kết cấu sàn BTCT/BTUST  cột CFT

iv

ABSTRACT

Reinforced concrete (RC)/unbonded prestressed concrete (UPC) flat slab – filled steel tube (CFT) column joints possess many outstanding features in terms of structure, construction and architecture RC/UPC slab – CFT column joints are, thus, widely used in civil and industrial projects However, since the RC/UPC slabs are directly connected to the CFT columns, the slabs also face the same brittle and dangerous type of punching shear failure as the traditional slab – RC column joint In addition, the inherent weak bond between the concrete slab and the smooth surface of the CFT steel column strongly affects the integrity of the connection, which can reduce the stiffness, punching shear resistance and effectiveness of this delicate structure - RC/UPC slab – CFT column joints Clarifying the punching shear behavior of this delicate and promising structure as well as searching for new types of connection elements that can ensure the continuity, punching shear resistance, ease of construction and ductility of this structure are of crucial importance This thesis investigates the punching shear behavior of RC/UPC slab – CFT column joints using proposed innovative connections in the form of steel plates and proposes a semi-empirical model to predict the punching shear resistance of RC/UPC slab – CFT column joints using steel plate connections The experimental program was carried out on 12 large-scale RC/UPC slab – CFT column joints using four types of innovative connections with various configurations including full connection (having both horizontal bearing plates and vertical ribs) and reduced connection (only vertical ribs), and with different shapes of horizontal bearing plates (continuous annular and discrete rectangular)

concrete-The experimental results showed that the proposed full connection helped the RC/UPC slab – CFT column joints maintain good rigidity, have a significantly greater punching shear resistance (up to 25%), outstanding deformability (up to 123%) and good ductility (up to 91%) as well as a very high energy absorption capacity (up to 216%) compared to the traditional slab – RC column joint Meanwhile, the reduced connection also greatly improved the deformability (29%), ductility (4%) and energy absorption capacity (18%) but slightly reduced the punching shear resistance (about 7%) and significantly reduced the post-cracking stiffness (about 50%) of the slab-CFT column

v

joint compared to the traditional slab – RC column joint The obtained test results also showed that the effectiveness in improving the structural response of all the proposed connections for the UPC slab – CFT column joint was significantly smaller than that for the RC slab – CFT column joint, especially in terms of punching shear resistance (smaller than 213%), ductility and energy absorption (smaller than 264% and 232%, respectively) This means that more research is needed to improve the steel plate connections proposed in this thesis to increase further their effectiveness in the case of UPC slab-CFT column joints There was a clear difference in the punching shear behavior between the UPC slab – CFT column and RC slab  CFT column joints The prestressing tendons effectively reduced the rate of stiffness deterioration of the slab – CFT column joints That is, the degree of stiffness reduction (after cracking compared to before cracking) of the UPC slab  CFT column samples was significantly smaller (up to 2.1 times) than that of the RC slab – CFT column samples This result means that the tendons, on the one hand, helped control the slab displacement well (reduced by up to 58%) and ensure the serviceability of the structure However, on the other hand, the tendons increased the brittleness and reduced the deformability (final displacement) of the slab (up to 51%) This resulted in the ductility and energy absorption indexes of the UPC slab – CFT column samples being significantly smaller than the RC slab-CFT column samples (up to 44% and 41%, respectively)

In the context that most of the existing models to calculate the structural strength are empirically based, the formulas proposed in this thesis, which are built by the analytical method combined with the experiment, have been more closely reflected the physical nature of the punching shear failure The proposed model incorporates in it the material model, the conditions of equilibrium and the strain compatibility, while at the same time, taking advantage of the simplicity of the traditional superposition method The verification results showed that the proposed formulas were able to predict the punching shear resistance of RC/UPC slab – CFT column joints using steel plate connection slab with good accuracy and low variation compared with the experimental results Therefore, the proposed formulas can be used to facilitate the design of RC/UPC slab-CFT column joints

vi

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý giảng viên Bộ môn Công trình – Khoa Kỹ thuật Xây dựng đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành Luận án Tiến sĩ này, đặc biệt là PGS.TS Ngô Hữu Cường và PGS.TS Nguyễn Minh Long

vii

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU xiii

CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU 5

TỔNG QUAN 6

1.3.1 Các thực nghiệm ứng xử chọc thủng của liên kết sàn BTCT – cột CFT 6

1.3.2 Các thực nghiệm ứng xử chọc thủng của liên kết sàn BTUST – cột CFT 191.3.3 Một vài nhận xét về các nghiên cứu thực nghiệm đã có 22

1.3.4 Mô hình và các công thức dự đoán khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn – cột CFT 23

1.3.5 Nhận xét về các mô hình 30

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 30

1.4.1 Mục tiêu 30

1.4.2 Ý nghĩa nghiên cứu 31

1.4.3 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu 32

CHƯƠNG 2KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CHỌC THỦNG CỦA LIÊN KẾT SÀN BTCT/BTUST – CỘT CFT DÙNG CHI TIẾT CẢI TIẾN 34

ĐỀ XUẤT CHI TIẾT LIÊN KẾT 34

VẬT LIỆU VÀ MẪU THÍ NGHIỆM 37

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 45

2.4.1 Ứng xử chọc thủng của các mẫu liên kết sàn BTCT – cột CFT 45

2.4.2 Ứng xử chọc thủng của các mẫu liên kết sàn BTUST – cột CFT và so sánh với của các mẫu liên kết sàn BTCT – cột CFT tương ứng 62

viii

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 77

2.5.1 Mẫu liên kết sàn BTCT – cột CFT 77

2.5.2 Mẫu liên kết sàn BTUST – cột CFT 78

2.5.3 So sánh mẫu liên kết sàn BTUST – cột CFT với mẫu liên kết sàn BTCT – cột CFT 79

CHƯƠNG 3XÂY DỰNG CÔNG THỨC DỰ ĐOÁN KHẢ NĂNG KHÁNG CHỌC THỦNG CỦA LIÊN KẾT SÀN PHẲNG BTCT/BTUST – CỘT CFT 80

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 101

TÀI LIỆU THAM KHẢO 102

PHỤ LỤC 105

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Một số công trình sử dụng giải pháp kết cấu cột CFT 2

Hình 1.2 Một số công trình sử dụng giải pháp kết cấu cột CFT (tiếp theo) 3

Hình 1.3 Chi tiết thép hình của Corley và Hawkins [7] 7

Hình 1.4 Chi tiết liên kết của Satoh và Shimazaki [8] 7

Hình 1.5 Chi tiết liên kết cải tiến của Yamaghuchi và cộng sự [9] 8

Hình 1.6 Chi tiết liên kết của Lee và cộng sự [10] 9

Hình 1.7 Chi tiết liên kết của Eder và cộng sự [12] 10

Hình 1.8 Chi tiết liên kết của Kim và cộng sự [1] 11

Hình 1.9 Cấu tạo liên kết loại 1 của Yan và Wang [13] 13

Hình 1.10 Chi tiết liên kết của Bompa và Elghazouli [11] 14

Hình 1.11 Liên kết của Chen và cộng sự [14] 15

Hình 1.12 Chi tiết liên kết của Su và Tian [15] 16

Hình 1.13 Liên kết của Ju và cộng sự [16] 17

Hình 1.14 Liên kết của Đinh Thị Như Thảo [20] 18

Hình 1.15 Chi tiết liên kết của Yu và Wang [6] 19

Hình 1.16 Chi tiết liên kết của Rafiee và cộng sự [18] 20

Hình 1.17 Chi tiết liên kết của Trương Quang Hải [24] 22

Hình 1.18 Cột CFT tiết diện tròn 32

Hình 2.1 Chi tiết liên kết và chi tiết sườn đứng 36

Hình 2.2 Kích thước hình học và cấu tạo của các mẫu thí nghiệm (tiếp theo) 40

Hình 2.3 Cấu tạo và sự bố trí cáp ứng suất trước trong các mẫu sàn BTUST 41

Hình 2.4 Phân bố ứng suất kéo trong sàn thí nghiệm do ứng suất căng trước 41

Hình 2.5 Sơ đồ gia tải 42

Hình 2.20 Biến dạng của sườn đứng và bản gối 58

Hình 2.21 Biến dạng thép thanh và bê tông 61

Hình 2.22 Hình dạng vết nứt và tháp chọc thủng của các mẫu liên kết sàn BTUST – cột CFT và mẫu đối chứng 63

Hình 2.23 Hình dạng tháp chọc thủng của các mẫu liên kết sàn BTUST – cột CFT dùng chi tiết liên kết T1 và T3 theo mặt cắt ngang mẫu 63

Hình 2.24 Quan hệ lực – chuyển vị của các mẫu liên kết sàn BTUST – cột CFT và mẫu đối chứng 65

Hình 2.25 So sánh chuyển vị lớn nhất và lực gây phá hoại của mẫu liên kết sàn – cột CFT với của mẫu đối chứng 67

Hình 2.26 So sánh chuyển vị lớn nhất và lực gây phá hoại của mẫu liên kết sàn BTUST – cột CFT với mẫu liên kết sàn BTCT – cột CFT 67

Hình 2.27 Độ cứng 70

Hình 2.28 So sánh độ cứng của các mẫu liên kết sàn BTUST – cột CFT với liên kết sàn BTCT – cột CFT và mức độ suy giảm của độ cứng ở giai đoạn sau nứt so với độ cứng ở giai đoạn trước khi nứt của các mẫu 71

Hình 2.29 So sánh hệ số dẻo và chỉ số khả năng hấp thụ năng lượng của các mẫu liên kết sàn BTUST – cột CFT với của mẫu đối chứng 72

Hình 2.30 So sánh hệ số dẻo và chỉ số khả năng hấp thụ năng lượng của các mẫu liên kết sàn BTUST – cột CFT với của các mẫu liên kết sàn BTCT – cột CFT 72

Hình 2.31 Biến dạng của sườn đứng và bản gối 74

Hình 2.32 Quan hệ lực và biến dạng của bê tông, thép thanh và cáp ứng suất trước 76

Hình 3.1 Mô hình dầm tương đương cho liên kết sàn – cột CFT không bị ngăn cản chuyển vị ngang 81

Hình 3.2 Mô hình phân bố ứng suất – biến dạng và các giả thuyết hình học của vết nứt xiên trong dầm dựa trên hình thái phá hoại của các mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu này 82

Hình 3.3 So sánh khả năng chịu chọc thủng với kết quả thực nghiệm (Vu,exp) 89

Hình 3.4 Ảnh hưởng của cường độ bê tông đến tỉ số khả năng chịu chọc thủng 90

Hình 3.5 Ảnh hưởng của chiều cao làm việc của sàn bê tông đến tỉ số khả năng chịu chọc thủng 90

Hình 3.6 Ảnh hưởng của tỉ lệ chiều dài nhịp với chiều cao làm việc của sàn bê tông đến tỉ số khả năng chịu chọc thủng 91

Hình 3.7 Cách xác định As,rib đối với các liên kết 94

xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Cấp phối bê tông các mẫu thực nghiệm 38Bảng 2.2 Các thông số cơ học của vật liệu của các mẫu thực nghiệm (đơn vị MPa) 38Bảng 2.3 Các thông số kỹ thuật của các mẫu thực nghiệm 43Bảng 2.4 Tổng hợp kết quả thí nghiệm của các mẫu liên kết sàn BTCT – cột CFT và

mẫu đối chứng 48

Bảng 2.5 Tổng hợp kết quả thí nghiệm của các mẫu liên kết sàn BTUST – cột CFT và

của mẫu đối chứng 64

Bảng 3.1 Kiểm chứng công thức đề xuất cho liên kết sàn BTUST / BTCT  cột CFT dùng chi tiết liên kết dạng thép bản 93

xii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CFT : Cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Fill steel Tube) SGs : Cảm biến (Strain Gauses);

LVDTs : Chuyển vị kế (Linear Variable Differential Transformers);

bv, hv, tv : chiều rộng, chiều cao và chiều dày của sườn đứng, mm;

bv,o, bv,i : chiều rộng sườn đứng phần bên ngoài và trong cột thép, mm;

d : Chiều cao làm việc hiệu quả của sàn, mm;

: cường độ chịu nén mẫu trụ của bê tông, MPa;

fsr,y, fsr,u : giới hạn chảy dẻo, giới hạn bền của thép dọc trong sàn, MPa;

fstu,y, fstu,u : giới hạn chảy, giới hạn bền của thép vỏ ống, MPa;

fsp8,y, fsp8,u : giới hạn chảy, giới hạn bền của thép tấm dày 8mm dùng làm các bản sườn đứng, MPa;

fsp16,y, fsp16,u : giới hạn chảy, giới hạn bền của thép tấm dày 16mm dùng làm các bản sườn ngang, MPa;

fsw,y, fsw,u : giới hạn chảy, giới hạn bền của đường hàn, MPa;

t : chiều dày của vỏ ống thép, mm;

tb : chiều dày của bản gối, mm;

Ký tự Hy Lạp

α : góc của tháp chọc thủng so với phương ngang, độ;

δcr, δy, δu : chuyển vị tại lực gây nứt, chảy dẻo cốt thép và lực gây phá hoại của các mẫu, mm;

εc, εc-sh, εc

ρst, ρsc : hàm lượng thép dọc chịu kéo và nén trong sàn, %;

Ký tự Latin in hoa

A1, A2 : năng lượng hấp thụ của mẫu, kNmm;

Do, Di : đường kính ngoài và trong của sườn ngang (cho trường hợp sườn ngang có dạng hình vành khuyên), mm;

EAI : chỉ số hấp thụ năng lượng;

Ec : mô-đun đàn hồi của bê tông, N/mm2;

Es, Gs : mô-đun đàn hồi, mô-đun đàn hồi trượt của thép, N/mm2;

xiv

K1, K2 : độ cứng của mẫu trong giai đoạn trước khi nứt; giai đoạn từ khi nứt đến khi cốt thép dọc chịu kéo chảy, kN/mm;

L : Chiều dài nhịp (khoảng cách 2 gối tựa mỗi phương), 2300mm;

V : tải tác dụng lên các mẫu, kN;

Vn : tải chuẩn hoá của các mẫu, Vn = V/( f’c)0,5, kN;

Vcr, Vy, Vu : tải gây nứt, chảy dẻo và phá hoại, kN;

Vcr,n, Vy,n, Vu,n : tải gây nứt, chảy dẻo và phá hoại chuẩn hóa, kN;

Vu : tải gây phá hoại của các mẫu, kN;

Vu,ser: cấp tải giới hạn sử dụng (cấp tải gây ra chuyển vị L/250=9,2mm), kN; Vu,CFT : tải phá hoại mẫu sàn – cột CFT, kN;

Vu,SC / Vu,SP : tải gây phá hoại của mẫu sàn BTCT/BTUST  cột BTCT, kN;

lượng lớn [1], [2] (Hình 1.1)

Tuy nhiên, do sàn BTCT liên kết trực tiếp với cột CFT, kết cấu sàn BTCT – cột CFT cũng phải đối mặt với kiểu phá hoại chọc thủng mang tính giòn và nguy hiểm giống như kết cấu sàn – cột BTCT [3]–[5] Thêm vào đó, liên kết giữa sàn bê tông và bề mặt trơn của cột thép CFT còn ảnh hưởng mạnh đến tính toàn khối của liên kết; điều này có thể làm giảm độ cứng của liên kết, khả năng kháng chọc thủng và hiệu quả sử dụng của loại kết cấu tinh tế này [6]

Để tăng cường khả năng kháng chọc thủng và tính toàn khối của liên kết sàn BTCT – cột CFT, các nghiên cứu đã khảo sát thực nghiệm nhiều loại chi tiết liên kết khác nhau, gọi chung là cốt kháng cắt, được hàn vào vỏ cột thép có dạng thép hình tiết diện chữ I [1], [2], [7]–[11], tiết diện chữ C [12] và hình hộp chữ nhật [13] Một số khác dùng cốt kháng cắt dạng đinh hàn quanh mặt cột để liên kết với sàn như [6] Tất cả các nghiên cứu kể trên đều cho thấy sự hiệu quả đáng kể của việc dùng cốt kháng cắt trong việc cải thiện khả năng kháng chọc thủng cũng như độ dẻo dai của liên kết sàn – cột CFT, và hiệu quả này phụ thuộc nhiều vào chiều cao và hình dạng của tiết diện chi tiết kháng cắt cũng như độ vươn ra của nó trong sàn Tuy nhiên, trong trường hợp chiều dày sàn nhỏ, việc tăng kích thước tiết diện của các cốt kháng cắt thường tạo nhiều khó khăn cho công tác thi công

(c) Tòa nhà Abeno Harukas, Nhật Bản

(Nguồn: ban.html)

https://saigonvina.edu.vn/chi-tiet/184-3277-nhung-thu-dung-nhat-o-nhat-Hình 1.1 Một số công trình sử dụng giải pháp kết cấu cột CFT

3

(d) Tháp Canton, Trung Quốc

(Nguồn:https://vi.wikipedia.org/wiki/T%E1%BA%ADp_tin:Canton_Tower_2013.11.15_18-12-45.jpg)

(e) SEG Plaza, Trung Quốc

(Nguồn: https://en.wikipedia.org/wiki/File:SEG_Plaza_in_Shenzhen2021.jpg)

Hình 1.2 Một số công trình sử dụng giải pháp kết cấu cột CFT (tiếp theo)

4

Nhằm giải quyết vấn đề này, Chen và cộng sự [14] đã đề xuất một số dạng liên kết mới dùng các chi tiết thép hình tiết diện chữ C và L hàn đấu lưng vào mặt cột thép Kết quả nghiên cứu này cho thấy các dạng liên kết đề xuất đã tạo ra chu vi tháp chọc thủng của các mẫu sàn – cột CFT tương tự như của mẫu sàn – cột BTCT truyền thống và giúp cho khả năng kháng chọc thủng của mẫu sàn – cột CFT có thể so sánh được với của mẫu sàn – cột BTCT Một nghiên cứu đầy hứa hẹn khác của Su và Tian [15] có thể giúp cho việc thi công các chi tiết liên kết sàn BTCT – cột CFT trở nên đơn giản, nhanh chóng và ít tốn kém vật liệu hơn Các tác giả này đề xuất một dạng liên kết mới, dùng thép bản hình vành khuyên được hàn vào mặt ngoài của cột thép tiết diện tròn tại cao trình đáy sàn BTCT Kết quả thí nghiệm cho thấy liên kết đề xuất có khả năng kháng chọc thủng tốt và đáp ứng được chuyển vị ngang lệch tầng theo thiết kế Tiếp nối nghiên cứu của Su và Tian [15], Ju và cộng sự [16] dùng các bản thép chữ nhật hàn vào bốn mặt cột để liên kết với thép thanh trong sàn Kết quả nghiên cứu cho thấy liên kết đề xuất đáp ứng được yêu cầu chịu cắt thủng của kết cấu Có thể thấy rằng, so với việc dùng thép hình, việc dùng thép tấm cho nhiều lợi thế hơn về thời gian và chi phí thi công do kích thước và trọng lượng của thép bản nhỏ hơn đáng kể so với thép hình Đặc biệt, loại liên kết này giúp làm mềm hóa liên kết sàn BTCT – cột CFT; vì vậy, nó có thể làm giảm đáng kể ứng suất tập trung tại vị trí đầu cột, từ đó hạn chế được khả năng xuất hiện kiểu phá hoại chọc thủng Việc tìm kiếm các dạng chi tiết kháng cắt mới sao cho có thể đảm bảo được tính liên tục, khả năng kháng chọc thủng, dễ thi công mà vẫn đảm bảo được tính dẻo cần thiết cho kết cấu sàn BTCT  cột CFT là vấn đề quan trọng đối với dạng kết cấu này và thật sự cần thiết

Trong thực tế, do có độ võng lớn nên nhịp thiết kế của kết cấu sàn BTCT truyền thống – cột CFT thường bị giới hạn Để giải quyết vấn đề này, một giải pháp tiềm năng và có tính khả thi cao là dùng sàn bê tông căng sau dùng cáp không bám dính (BTUST) – cột CFT Khác với sàn BTCT, ứng suất nén trước do cáp tạo ra làm cho ứng xử của cấu kiện BTUST trở nên giòn hơn; nó ảnh hưởng đến khả năng kháng cắt của vùng bê tông chịu nén, tăng khả năng chịu kéo xiên của bê tông, làm đóng vết nứt, tăng hiệu ứng cài móc của cốt liệu [17], từ đó có thể làm thay đổi trường biến dạng của liên kết sàn BTUST – cột CFT Cho đến hiện nay, các nghiên cứu liên quan đến ứng xử cắt thủng của liên kết sàn BTUST – cột CFT, đặc biệt là sàn căng sau dùng cáp không bám dính (BTUST),

5

còn nhiều hạn chế [18]; khả năng kháng chọc thủng, khả năng biến dạng cũng như độ dẻo dai và hấp thu năng lượng của loại kết cấu này ra sao so với kết cấu sàn BTCT – cột CFT vẫn còn chưa được giải đáp thỏa đáng và tường minh

Để dự đoán khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn BTCT – cột CFT, các mô hình hay công thức tính đã được xây dựng và đề xuất trong một vài nghiên cứu trước đây Hầu hết các mô hình và công thức tính đều được xây dựng cho liên kết sàn BTCT  cột CFT dùng các chi tiết liên kết có dạng thép hình [1], [8], [10], [11] Một vài nghiên cứu đã đề xuất công thức cho liên kết sàn BTCT  cột CFT dùng các chi tiết liên kết dạng thép bản [9] hay [16] Gần đây, Yu và Wang [6] đề xuất công thức xác định khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn BTCT – cột CFT dùng chi tiết kháng cắt bằng đinh tán Đặc điểm chung của các mô hình tính vừa đề cập trên là đều được xây dựng dựa trên nguyên lý cộng tác dụng truyền thống từ khả năng chịu lực của từng thành phần như bê tông và chi tiết liên kết; trong đó, công thức xác định khả năng chịu lực của từng thành phần này chủ yếu được xây dựng bằng phương pháp thực nghiệm Vì vậy, từng công thức tính này hầu như chỉ phù hợp cho từng loại liên kết tương ứng đã được đề xuất trong các nghiên cứu; đặc biệt, các điều khoản tính toán khả năng kháng chọc thủng dùng cho liên kết sàn BTUST – cột CFT chưa thấy được trình bày Thực tế này cho thấy, việc xây dựng một công thức dự đoán khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn BTCT/ BTUST – cột CFT sao cho có thể phản ánh xác thật nhất được bản chất vật lý của kiểu phá hoại chọc thủng, lồng ghép được trong nó mô hình làm việc của vật liệu, các điều kiện về cân bằng và sự tương thích về biến dạng, nhưng đồng thời vẫn tận dụng được tính đơn giản của nguyên lý cộng tác dụng truyền thống, thật sự là cần thiết và có ý nghĩa

CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU

Từ những vấn đề vừa nêu, luận án này thực hiện một nghiên cứu về ứng xử chọc thủng của kết cấu sàn BTCT/BTUST – cột CFT sử dụng một số dạng chi tiết liên kết cải tiến dạng thép bản Các mục tiêu chính của nghiên cứu là nhằm: (1) phân tích thực nghiệm và làm rõ các đặc tính kết cấu như khả năng kháng chọc thủng, biến dạng, độ dẻo dai và khả năng hấp thụ năng lượng của liên kết sàn BTCT/BTUST – cột CFT sử dụng một số dạng chi tiết liên kết cải tiến dùng thép bản; (2) làm rõ sự khác biệt về đặc tính kết cấu

6

giữa liên kết sàn BTCT – cột CFT với liên kết sàn BTUST – cột CFT; và (3) đề xuất công thức bán thực nghiệm dự đoán khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn BTCT/ BTUST – cột CFT; đồng thời kiểm chứng và so sánh mức độ chính xác của công thức đề xuất với một vài công thức tương tự hiện có

TỔNG QUAN

Phần này trình bày tổng quan nghiên cứu về thực nghiệm ứng xử và mô hình tính toán lý thuyết khả năng kháng chọc thủng của kết cấu sàn BTCT/BTUST – cột CFT Thông qua tổng quan nghiên cứu này, một bức tranh toàn cảnh về tình hình nghiên cứu liên quan đến ứng xử của liên kết sàn BTCT/BTUST – cột CFT được phác họa cũng như các tồn tại chưa được giải quyết Những vấn đề này là cơ sở quan trọng giúp cho luận án hình thành nên các mục tiêu nghiên cứu có tính mới, không trùng lắp và có ý nghĩa khoa học – thực tiễn Ngoài ra, do sự hạn chế về cơ sở vật chất của phòng thí nghiệm và tài chính, chương này cũng trình bày giới hạn của phạm vi nghiên cứu của luận án nhằm đảm bảo được tính khả thi nhưng không làm mất đi quá nhiều tính tổng quát của các mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án

1.3.1 Các thực nghiệm ứng xử chọc thủng của liên kết sàn BTCT – cột CFT

Các nghiên cứu thực nghiệm ứng xử chọc thủng của liên kết sàn BTCT – cột CFT có thể phân thành ba nhóm: (1) nhóm các nghiên cứu dùng chi tiết liên kết thép hình; (2) nhóm các nghiên cứu dùng chi tiết liên kết thép bản; (3) nghiên cứu dùng chi tiết liên kết bằng đinh tán, được trình bày lần lượt dưới đây

1.3.1.1 Nhóm các nghiên cứu dùng chi tiết liên kết thép hình (a) Nghiên cứu của Corley và Hawkins [7]

Nghiên cứu sớm nhất về khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn BTCT – cột CFT dùng chi tiết kháng cắt thép hình là của Corley và Hawkins [7] Các tác giả đã đề xuất chi tiết thép hình nhằm tăng cường khả năng kháng chọc thủng của kết cấu cột – sàn

BTCT toàn khối như Hình 1.2 Chi tiết này được tạo bởi các thanh thép hình chữ C hoặc

chữ I hàn vuông góc nhau, đặt trên cột bê tông trong chiều cao của sàn Kích thước tiết diện và chiều dài vươn ra khỏi mặt cột của hệ từ 127 mm đến 482 mm tùy vào yêu cầu tăng cường khả năng kháng chọc thủng của kết cấu Chương trình thí nghiệm thực hiện

7

trên 21 mẫu sàn kích thước 2100×2100×146 mm Cột BTCT tiết diện vuông có cạnh từ 203 mm đến 254 mm và cường độ bê tông mẫu trụ từ 18,1 MPa đến 25,8 MPa Giới hạn chảy của thép hình là 252 MPa Cốt thép dọc chịu kéo trong sàn có đường kính 16 mm với giới hạn chảy là 420 MPa cho tất cả các mẫu, hàm lượng từ 0,66% đến 1,19% Các mẫu thí nghiệm chỉ chịu tải đứng Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn BTCT – cột BTCT khi dùng dạng chi tiết kháng cắt do các tác giả đề xuất tăng đến 57%

Hình 1.3 Chi tiết thép hình của Corley và Hawkins [7]

(b) Nghiên cứu của Satoh và Shimazaki [8]

Hình 1.4 Chi tiết liên kết của Satoh và Shimazaki [8]

Với mục tiêu làm mềm hóa hơn nữa chi tiết liên kết của [7] cũng như đơn giản hơn biện pháp thi công, Satoh và Shimazaki [8] đề xuất một chi tiết liên kết mới giữa sàn BTCT

và cột vuông CFT như trên Hình 1.3 Một hộp làm từ thép tấm với chiều cao của hộp

bằng chiều dày sàn được sử dụng để liên kết với các cột CFT tầng trên và tầng dưới Các bản mã được hàn vào bốn thành hộp thép và liên kết với bốn dầm thép tiết diện chữ

8

H bằng liên kết bu-lông cường độ cao Cốt thép sàn không đi xuyên qua thân cột và dừng tại các mặt cột Cường độ bê tông các mẫu từ 21,4 MPa đến 69 MPa Thép hình có giới hạn chảy từ 357 MPa đến 460 MPa và giới hạn bền từ 436 MPa đến 600 MPa Đường kính cốt dọc chịu kéo trong sàn 6 mm, giới hạn chảy và giới hạn bền của cốt dọc chịu kéo dao động từ 374 MPa đến 463 MPa và từ 521MPa đến 567 MPa Kết quả thí nghiệm cho thấy các liên kết đề xuất chịu được mô-men và lực chọc thủng tốt

(c) Nghiên cứu của Yamaghuchi và cộng sự [9]

Dạng chi tiết liên kết do Satoh và Shimazaki [8] đề xuất được sử dụng lại trong [9] Trong đó, Yamaghuchi và cộng sự [9] cải tiến hình dạng của tấm thép liên kết, kết hợp với sử dụng đinh chống cắt để đánh giá khả năng chịu chọc thủng của liên kết sàn BTCT

– cột CFT (Hình 1.4) Chương trình thực nghiệm được tiến hành trên 46 mẫu thí nghiệm

được chia thành ba nhóm Nhóm thứ nhất gồm 13 mẫu kích thước 600×600×100 mm với liên kết biên là gối tựa đơn giản dọc theo bốn cạnh sàn Nhóm thứ hai gồm 27 mẫu kích thước từ 460×460×100 mm đến 1100×1100×100 mm với liên kết biên là bốn điểm tựa đơn bố trí tại các góc sàn Nhóm thứ ba gồm 6 mẫu kích thước 660×660×100 mm cũng dùng gối tựa đơn nhưng có bố trí thêm tải đứng lệch tâm tác dụng vào đầu trên cột CFT Cường độ bê tông của các mẫu từ 38,6 MPa đến 52,3 MPa Giới hạn chảy và giới hạn bền của thép hình từ 251 MPa đến 374 MPa và từ 357 MPa đến 460 MPa Thép dọc chịu kéo đường kính 6 mm, giới hạn chảy và giới hạn bền từ 376 MPa đến 463 MPa và từ 566 MPa đến 606 MPa Kết quả thí nghiệm cho thấy việc sử dụng liên kết cải tiến kết hợp với đinh chống cắt giúp đảm bảo khả năng kháng chọc thủng của đa số các mẫu thí nghiệm, đặc biệt là cải thiện đáng kể khả năng biến dạng của các mẫu

(a) cải tiến tấm thép liên kết (b) bổ sung đinh chống cắt

Hình 1.5 Chi tiết liên kết cải tiến của Yamaghuchi và cộng sự [9]

9

(d) Nghiên cứu của Lee và cộng sự [10]

Để đơn giản hĩa quy trình thi cơng của chi tiết liên kết trong [7], Lee và cộng sự [10]

đề xuất hàn các thanh thép hình tiết diện chữ H hoặc T vào các mặt bên của cột CFT kết

hợp thêm các đinh chống cắt (Hình 1.5) Để đảm bảo tính liên tục, thép thanh chịu uốn

trong sàn được bố trí theo ba cách: (1) tất cả xuyên qua các lỗ trên vỏ cột; (2) các thanh riêng lẻ xuyên qua vỏ cột và dừng lại tại mặt trong của phía bên kia của cột; và (3) thép thanh được uốn mĩc vuơng gĩc và neo vào lỗ khoét trên bản thép nhỏ hàn vào mặt cột Chương trình thực nghiệm được tiến hành trên sáu mẫu liên kết sàn BTCT – cột CFT và hai mẫu đối chứng kích thước thật (sàn dày 200 mm và cột vuơng CFT 400×400×20/40 mm) Cường độ bê tơng của mẫu từ 17 MPa đến 29 MPa Giới hạn chảy và giới hạn bền của cốt cứng thép hình lần lượt từ 289 MPa đến 357 MPa và 364 MPa đến 483 MPa; của cột ống thép là 320 MPa đến 357 MPa và từ 495 MPa đến 533 MPa Cốt dọc chịu kéo trong sàn đường kính 16 mm và 25 mm, giới hạn chảy và giới hạn bền từ 433 MPa đến 447 MPa và từ 615 MPa đến 644 MPa Sơ đồ thí nghiệm của các mẫu được khống chế chuyển vị ngang Kết quả thí nghiệm cho thấy khả năng kháng chọc thủng của các mẫu liên kết sàn – cột CFT dùng chi tiết liên kết đề xuất đều lớn hơn hoặc tối thiểu bằng với các mẫu đối chứng Mẫu dùng thép hình chữ H kết hợp tất cả cốt thép thanh xuyên qua cột cho khả năng kháng chọc thủng cao nhất nhưng lớn hơn các mẫu cịn lại khơng đáng kể Độ cứng cát tuyến của các mẫu liên kết sàn – cột CFT lớn hơn từ 20% đến 80% so với của mẫu đối chứng

Hình 1.6 Chi tiết liên kết của Lee và cộng sự [10]

Sàn BTCT

Sàn BTCTĐinh

Dầm thép TDầm thép H

10

(e) Nghiên cứu của Eder và cộng sự [12]

(1) Cột vuông CFT

(2) Thép hình chữ I chống cắt (3) Tấm liên kết (gusset plate) (4) Thép C neo

(5) Thép C150

(6) Thép thanh chữ U (7) Sườn cứng

(8) Thép tấm đầu cột

Hình 1.7 Chi tiết liên kết của Eder và cộng sự [12]

[12] đề xuất một dạng liên kết mới cho sàn BTCT và cột CFT nhằm dẻo hóa chi tiết liên kết và tránh kiểu phá hoại chọc thủng nguy hiểm Chi tiết liên kết này không liên kết sàn BTCT trực tiếp với cột CFT mà thông qua hệ thống bốn thanh thép hình chống cắt tiết diện chữ I (được tạo nên bằng cách hàn đấu lưng nhau hai thép hình chữ C50 hoặc

C60 – chi tiết số 2) (Hình 1.6) Hệ thống bốn thanh thép hình chữ I này được hàn vào

vuông góc với mặt cột CFT thông qua bản thép (chi tiết số 3) Sàn BTCT được liên kết trực tiếp với hệ thép hình gồm bốn thanh tiết diện chữ C150 hàn chặt với nhau (chi tiết số 5) Hệ thép hình tiết diện C150 này được hàn chặt vào hệ thép hình chống cắt chữ I Để tăng cường mức độ liên kết giữa sàn BTCT và hệ thép hình chữ C150, các thép thanh uốn cong hình chữ U được hàn vào mặt ngoài của các thanh thép hình chữ C150 (thanh số 6) Giới hạn chảy và giới hạn bền của thép hình chữ C50 là 300 MPa và 401 MPa và của thép hình chữ C60 là 405 MPa và 484 MPa Cốt dọc chịu kéo trong sàn có đường kính 12 mm, giới hạn chảy và giới hạn bền lần lượt là 552 MPa và 617 MPa Các tác giả thí nghiệm hai mẫu sàn kích thước lớn (32702900155 mm); trong đó, một mẫu chịu tải đứng và mẫu còn lại vừa chịu tải đứng vừa chịu tải ngang Các mẫu đều cho

256

11

thấy khả năng chịu chọc thủng vượt mức mong đợi và thể hiện tính dẻo dai rất cao khi

chỉ bị phá hoại ở mức lệch tầng lên đến 6,8%

(f) Nghiên cứu của Kim và cộng sự [1]

Trong nghiên cứu của mình, Kim và cộng sự [1] sử dụng chi tiết liên kết tương tự như

của Lee và cộng sự [10] đề xuất (Hình 1.7); trong đĩ, các tác giả khảo sát ảnh hưởng

của chiều dài vươn ra của chi tiết liên kết thép hình chữ I, tỉ số giữa chiều dài và chiều cao của tiết diện của thép hình chữ I, cường độ bê tơng, hình dạng tiết diện cột (vuơng và chữ nhật) và chiều dày sàn đến khả năng kháng chọc thủng của các mẫu liên kết sàn BTCT – cột CFT Chương trình thực nghiệm được thực hiện trên 10 mẫu liên kết sàn BTCT – cột CFT (cột giữa) kích thước thật (3000×3000×200/300 mm) Cốt thép thanh trong sàn được bố trí liên tục xuyên qua các lỗ trên vỏ cột Các mẫu cĩ cường độ bê tơng 22,8 MPa Giới hạn chảy và giới hạn bền của thép hình lần lượt từ 266 MPa đến 352 MPa và từ 443 MPa đến 525 MPa Cốt thép dọc chịu kéo trong sàn đường kính 16 mm đến 32 mm, giới hạn chảy và giới hạn bền của cốt dọc chịu kéo từ 432 MPa đến 486 MPa và từ 559 MPa đến 686 MPa Kết quả nghiên cứu cho thấy chi tiết liên kết do các tác giả đề xuất giúp cho khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn BTCT – cột CFT lớn hơn so với liên kết sàn – cột BTCT đối chứng và khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn BTCT – cột CFT tỉ lệ thuận với chiều dài vươn ra của chi tiết thép hình chữ I Việc sử dụng bê tơng cường độ cao và cột vuơng cĩ lợi hơn cho việc cải thiện khả năng kháng chọc thủng của liên kết và mức độ cải thiện này khơng bị ảnh hưởng bởi yếu tố thành mỏng của cột ống thép

Hình 1.8 Chi tiết liên kết của Kim và cộng sự [1]

Sàn BTCT

12

(g) Nghiên cứu của Yan và Wang [13]

[13] đã đề xuất hai loại chi tiết liên kết mới cho liên kết sàn BTCT – cột CFT để có thể dùng cho sàn có chiều dày mỏng, dễ thi công và tiết kiệm chi phí Chi tiết liên kết loại 1 được cấu tạo từ bốn thanh thép hình chữ I 102×44×7 (mm), có đầu vát với cánh trên dài 140 mm và cánh dưới dài 100 mm được hàn vuông góc vào bốn mặt của cột CFT vuông (200×10 mm) Mặt trên và mặt dưới của cánh thanh thép hình chữ I được hàn thêm các tấm thép dày 6 mm, dài 100 mm dạng vát, đầu phía trong rộng bằng bề rộng cột (200 mm) và đầu phía ngoài rộng bằng cánh thép hình (44 mm) để đảm bảo khả

năng truyền lực của liên kết (Hình 1.8a) Chi tiết liên kết loại 2 tạo bởi bốn đoạn thép

hộp RHS 120×60×3,6 mm, dài 240 mm tính từ tim cột Đầu ngoài thép hộp vạt góc 45o; đầu trong được hàn vào mặt cột tròn CHS (219,1×6,3 mm) Một bản thép dày 10 mm được hàn vào lòng cột tại cao trình mặt trên thép hộp để tránh sự phá hoại cục bộ của

vỏ ống cột (Hình 1.8b) Thép thanh trong sàn xuyên qua cột tại các rãnh cắt trên mặt

cột Chương trình thực nghiệm được thực hiện trên hai mẫu sàn BTCT sử dụng hai loại liên kết đề xuất Bê tông sàn có cường độ chịu nén mẫu trụ 35 MPa và có kích thước 1825×1825×200 mm; cốt thép dọc trong sàn có giới hạn chảy và giới hạn bền là 546 MPa và 645 MPa Giới hạn chảy và giới hạn bền của thép làm cốt kháng cắt lần lượt là 324 MPa và 450 MPa Cả hai mẫu thí nghiệm đều được gia tải thẳng đứng theo chiều từ trên xuống cho đến khi liên kết bị phá hoại hoàn toàn nhằm xác định ứng xử chịu nén thủng và tải trọng phá hoại nén thủng cực hạn của mỗi loại liên kết Kết quả thí nghiệm cho thấy khả năng chịu nén thủng của mẫu dùng liên kết loại 2 (569 kN) lớn hơn 35% so với mẫu dùng liên kết loại 1 (417 kN) Vị trí theo phương đứng của liên kết trong sàn, tính liên tục của thép dọc là các nguyên nhân gây ra khác biệt về khả năng chịu nén thủng của hai mẫu

13

(a) Cấu tạo liên kết loại 1

(b) Chi tiết liên kết loại 2

Hình 1.9 Cấu tạo liên kết loại 1 của Yan và Wang [13]

Thép I102x44x7Cột CFT

PL 10

RHS120x60x3,6

14

(h) Nghiên cứu của Bompa và Elghazouli [11]

Hình 1.10 Chi tiết liên kết của Bompa và Elghazouli [11]

Bompa và Elghazouli [11] khảo sát ứng xử chọc thủng của liên kết sàn BTCT – cột CFT tiết diện chữ H Hai mặt bên của cột CFT tiết diện chữ H được bịt kín bằng hai tấm thép

bản tạo thành tiết diện hình hộp (Hình 1.9) Chi tiết liên kết được dùng trong nghiên

cứu này tương tự như của Lee và cộng sự [10]; theo đĩ, các thanh thép hình chống cắt tiết diện chữ I được hàn vào bốn mặt của cột hình hộp thơng qua bản mã hoặc khơng cĩ bản mã (hàn trực tiếp) Thép dọc trong sàn xuyên qua cột thơng qua các lỗ khoét Cường độ bê tơng của mẫu từ 30 MPa đến 42 MPa Thép hình chữ H cĩ giới hạn chảy từ 444 MPa đến 461 MPa và giới hạn bền từ 570 MPa đến 583 MPa Thép dọc trong sàn cĩ đường kính 10 mm và 16 mm với giới hạn chảy từ 536 MPa đến 577 MPa và giới hạn bền từ 626 MPa đến 692 MPa Tổng cộng cĩ sáu mẫu sàn (ba mẫu cĩ bản mã) kích thước 2200×2200×225 mm được chế tạo và thí nghiệm chịu tải đứng đến khi bị phá hoại Từ kết quả thí nghiệm, nhĩm tác giả nhận thấy sự cĩ mặt của hệ thép hình chống cắt đã đẩy chu vi tháp chọc thủng ra xa khỏi mặt cột vì vậy giúp trì hỗn đáng kể sự phá hoại của kết cấu, kể cả do mơ-men uốn và do lực chọc thủng Bản mã nối giúp tăng độ cứng và khả năng chịu lực hệ thanh thép hình chống cắt

(i) Liên kết của của Chen và cộng sự [14]

Gần đây, Chen và cộng sự [14] đã đề xuất ba dạng liên kết mới dùng các chi tiết thép hình tiết diện chữ C (250×90×9×13 mm) nằm trong mặt phẳng sàn, chữ L (90×90×10 mm) và thép bản (25×50×220 mm) nằm dưới đáy sàn Các chi tiết hàn đấu lưng vào mặt

cột thép CFT (300×300×16 mm) (Hình 1.10) Thép hình làm liên kết cĩ giới hạn chảy

Cột thépBản thép

nốiBản thép

Bản thépnốiDầm I

15

từ 329 MPa đến 379 MPa và giới hạn bền từ 449 MPa đến 533 MPa Tác giả khảo sát khả năng kháng chọc thủng trên sáu mẫu sàn kích thước 3000×3000×250 mm với bê tơng cĩ cường độ chịu nén mẫu trụ bằng 28 MPa, gồm bốn mẫu sàn – cột CFT (một mẫu khơng cĩ liên kết) và hai mẫu sàn – cột BTCT đối chứng Thép thanh chịu lực trong sàn của bốn mẫu sàn – cột CFT xuyên qua vỏ cột thép Thép thanh trong các mẫu sàn cĩ

giới hạn chảy từ 416 MPa đến 475 MPa

Hình 1.11 Liên kết của Chen và cộng sự [14]

Kết quả nghiên cứu này cho thấy khả năng chịu chọc thủng của các liên kết cĩ thể tính

tốn theo tiêu chuẩn [19] với mặt cắt tới hạn cách biên ngồi liên kết một đoạn d/2 với

d là chiều cao làm việc hiệu quả của sàn Ba dạng liên kết đề xuất giúp khả năng kháng

chọc thủng của sàn tăng từ 10% đến 25% so với mẫu sàn – cột CFT khơng cĩ liên kết Trong khi đĩ, khả năng kháng chọc thủng của sàn – cột CFT khơng cĩ liên kết lớn hơn của mẫu đối chứng 20%;

1.3.1.2 Nhĩm các nghiên cứu dùng các dạng chi tiết thép bản (a) Nghiên cứu của Su và Tian [15]

Thay vì dùng thép hình, Su và Tian [15] nghiên cứu thực nghiệm liên kết bằng tấm thép hình vành khuyên cĩ đường kính ngồi 320 mm, đường kính trong 194 mm và dày 20 mm Giới hạn chảy của thép tấm là 235 MPa Thép tấm được hàn vào cột trịn CFT

(194×8 mm) (Hình 1.11) Ý tưởng chủ đạo của liên kết này là liên kết sàn BTCT với

cột CFT thơng qua một liên kết khớp đơn giản để cĩ thể làm giảm sự tập trung ứng suất gây bởi mơ-men âm trong mặt phẳng do tác dụng của tải ngang Nhĩm tác giả khảo sát hai mẫu sàn với kích thước 2100×2100×150 mm, cĩ cường độ chịu nén mẫu trụ bê tơng là 33,7 MPa đối với mẫu SP1 và 31,9 MPa đối với mẫu SP2 để xác định khả năng chịu tải ngang khi đang chịu một phần tải đứng khơng đổi và khả năng chịu tải ngang khi

Cột CFT

Cột CFTCột CFT

16

mẫu chịu các cấp tải đứng tăng dần Cốt thép chịu uốn của sàn được bố trí khơng liên tục qua cột Thép dọc chịu kéo trong sàn cĩ đường kính 12 mm, giới hạn chảy 360 MPa, hàm lượng thép dọc chịu kéo trong sàn là 0,42% đối với mẫu SP1 và 0,84% đối với mẫu SP2 Mẫu thứ nhất được áp tải đứng cố định (200 kN) rồi chịu chuyển vị ngang đầu cột, đến mức lệch tầng 6% thì mẫu bị phá hoại Mẫu thứ hai thưc hiện 3 giai đoạn; mỗi giai đoạn ứng với ba cấp tải đứng khác nhau (200 kN, 240 kN và 270 kN) trước khi áp chuyển vị ngang đầu cột mức 3% Mẫu bị phá hoại do chọc thủng ở giai đoạn 3 với mức lệch tầng 2% Nghiên cứu cho thấy liên kết này cĩ cấu tạo đơn giản, dễ thi cơng, cĩ khả năng chịu được tải trọng đứng tốt và cĩ độ dẻo dai đáng kể, khả năng chịu chuyển vị ngang lớn hơn rất nhiều so với dạng liên kết cột – sàn BTCT thơng thường Nhĩm tác giả đề xuất sử dụng liên kết này cho các cơng trình được thiết kế trong vùng động đất vừa và mạnh

Hình 1.12 Chi tiết liên kết của Su và Tian [15]

Cột tròn CFT

Bản gối thép

17

(b) Nghiên cứu của Ju và cộng sự [16]

Trên cơ sở đánh giá ưu khuyết điểm của một số loại liên kết đã cĩ trong các nghiên cứu trước đây, Ju và cộng sự [16] đề xuất chi tiết liên kết dùng thép bản cho liên kết sàn BTCT – cột CFT Các tấm thép được hàn vào bốn cạnh của cột vuơng CFT Thép thanh trong sàn được bố trí xuyên cột CFT ở một phương và thép thanh ở phương cịn lại được

neo vào thép bản (Hình 1.12) Tác giả thực hiện phân tích số trên 82 mẫu với các tham

số khảo sát bao gồm kích thước tiết diện và chiều dày của ống thép, chiều dài và chiều dày của bản thép, cường độ của thép bản và bước của cốt thép xuyên cột Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn BTCT – cột CFT tỉ lệ thuận với chiều dày của thành ống, chiều dài và chiều dày của chi tiết của thép bản và giới hạn chảy của nĩ; nhưng nĩ lại tỉ lệ nghịch với sự gia tăng của bước cốt thép dọc xuyên cột

Hình 1.13 Liên kết của Ju và cộng sự [16]

(c) Nghiên cứu của Đinh Thị Như Thảo [20]

Cũng với dạng thép bản hình vành khuyên đặt tại cao trình đáy sàn, tác giả chọn bản hình vành khuyên cĩ đường kính trong 400 mm, đường kính ngồi 650 mm, dày 16 mm Bản vành khuyên hàn vào cột thép ống trịn đường kính 400 mm, dày 9 mm, được khoan các lỗ để thép thanh chịu kéo xuyên qua (trong khi thép thanh vùng chịu nén uốn cong 900 và dừng tại mặt cột) Bản vành khuyên cịn được đỡ bởi tám sườn đứng kích thước 155×180(80)×8 mm Một phần của mỗi sườn đứng nằm bên trong cột thép để truyền lực

cắt từ sàn vào lõi bê tơng cột (Hình 1.13)

ed c ab

a - Thép xuyên cộtb - Thép bảnc - Bản cánhd - khớp nốie - Thép dọc

18

Mẫu sàn phẳng kích thước 2500×2500×200 mm, cường độ chịu nén mẫu trụ bê tơng 40,4 MPa, được bố trí hai lớp thép, lớp trên Ø14a120 và lớp dưới Ø14a240 (tương ứng với hàm lượng thép dọc là 0,38% và 0,77%) Tác giả khảo sát khả năng kháng nén thủng của liên kết sau khi liên kết chịu chuyển vị ngang cưỡng bức tuần hồn đến mức lệch tầng H/140 Kết quả thí nghiệm cho thấy quá trình gia tải ngang khơng gây hư hỏng cho mẫu Sau khi dỡ tải ngang hồn tồn và gia tải đứng với mức khoảng 30 kN/cấp tải, mẫu bị phá hoại do chọc thủng, lực phá hoại cao hơn 24% so với mẫu đối chứng và đều cao hơn giá trị lực nén thủng cực hạn theo các tiêu chuẩn [21]–[23] Ngồi ra, Kết quả mơ phỏng số bằng ứng dụng ABAQUS cho thấy lực gây nén thủng, chuyển vị và biến dạng chênh lệch so với kết quả nghiên cứu thực nghiệm khoảng dưới 10% Các đặc trưng kết cấu như độ cứng, độ dẻo dai, khả năng hấp thụ năng lượng chưa được tác giả đề cập

Hình 1.14 Liên kết của Đinh Thị Như Thảo [20]

đứng

19

1.3.1.3 Nhóm các nghiên cứu dùng các dạng chi tiết đinh tán

Hình 1.15 Chi tiết liên kết của Yu và Wang [6]

Nhằm rút ngắn thời gian thi công và giảm chi phí, một dạng liên kết đơn giản khác bằng cách dùng các đinh neo chống cắt hàn quanh mặt cột để liên kết với sàn BTCT được Yu

và Wang [6] đề xuất (Hình 1.14) Thông qua thí nghiệm đẩy tuột (push out test), bảy

mẫu thí nghiệm với sự thay đổi các thông số cấp độ bền của bê tông, vị trí, chiều dài và đường kính của đinh neo được khảo sát để đánh giá ứng xử và kiểm tra khả năng chịu chọc thủng của liên kết Sau đó, kết quả thực nghiệm được dùng để kiểm chứng các kết quả phân tích số bằng ứng dụng ABAQUS Các tác giả đưa ra được một số kết luận như sau: khả năng chịu chọc thủng tỷ lệ thuận với cấp độ bền của bê tông; chiều dày phần bê tông phía trên đinh chống cắt, chiều dài và đường kính của đinh chống cắt; cường độ chịu kéo của bê tông; và hàm lượng cốt thép dọc

1.3.2 Các thực nghiệm ứng xử chọc thủng của liên kết sàn BTUST – cột CFT

(a) Nghiên cứu của Rafiee và cộng sự [18]

So với các nghiên cứu trên kết cấu sàn BTCT – cột CFT, các nghiên cứu về ứng xử chọc thủng của liên kết sàn BTUST – cột CFT rất hạn chế và mới chỉ bắt đầu trong một hai năm gần đây Rafiee và cộng sự [18] đề xuất chi tiết liên kết bằng tổ hợp các thép tấm hình chữ nhật ở cả mặt trên và dưới sàn có sườn đứng kết hợp bu-lông cường độ cao dùng cho liên kết sàn BTUST – cột CFT Các cặp bản thép (kích thước 310×180×140 mm, giới hạn chảy 326 MPa) và sườn cứng (kích thước 100×100×10 mm) được hàn vào ba mặt của một cột biên bằng thép (kích thước 180×180×15 mm) Giữa các bản thép

Hình 1.16 Chi tiết liên kết của Rafiee và cộng sự [18]

(b) Nghiên cứu của Trương Quang Hải [24]

Tác giả đề xuất giải pháp cấu tạo cải tiến liên kết cột ống thép vuông nhồi bê tông (CFST) với sàn BTCT và sàn BTUST chịu tải trọng đứng Liên kết gồm: (1) cốt kháng cắt bằng thép hình chữ H100 chèn và hàn vào cột vuông (kích thước 300×300×10 mm), phần chèn vào dài 50 mm, phần vươn ra dài 400 mm tính từ mặt cột; (2) cốt đai đường kính 10 mm uốn gập 60 mm bố trí quanh thép hình; (3) tấm thép bản rộng 50 mm dày

21

10 mm hàn quanh mặt cột tại cao trình đáy thép hình chữ H100; (4) cốt thép vòng Ø10a100; và (5) hai thanh thép lớp trên xuyên qua vỏ cột theo mỗi phương Thép thanh

trong sàn Ø14a85 cho lớp trên (thớ chịu kéo) và Ø10a100 cho lớp dưới (Hình 1.16a)

Đối với mẫu sàn BTUST, bố trí bốn bó cáp theo mỗi phương, mỗi bó gồm bốn cáp

đường kính danh định 12,7 mm, các bó cáp ứng lực trước cách nhau 400 mm (Hình 1.16b) Mẫu sàn có kích thước 3000×2700×200 mm đối với cột giữa (mẫu có cáp UST

và không có cáp), 1500×2700×200 mm đối với sàn cột biên và 1500×1500×200 đối với mẫu sàn cột góc (sàn không bố trí cáp ƯST) Tác giả cũng phân tích số bằng ứng dụng ABAQUS ứng xử của các mẫu và đề xuất cách xác định chu vi phá hoại làm cơ sở tính toán lực chọc thủng

(a) Chi tiết liên kết cột CFST – sàn BTCT

22

(b) Chi tiết liên kết cột CFST sàn ƯLT

Hình 1.17 Chi tiết liên kết của Trương Quang Hải [24]

Kết quả cho thấy mô hình phá hoại cuối cùng là cắt thủng đối với mẫu sàn cột giữa và phá hoại uốn đối với sàn cột biên và cột góc; có 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; 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 Sự phù hợp giữa kết quả tính toán 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

1.3.3 Một vài nhận xét về các nghiên cứu thực nghiệm đã có

Dựa trên kết quả nghiên cứu tổng quan ở trên, một số nhận xét chung có thể được rút ra như sau:

(1) Các nghiên cứu đa phần tập trung vào đề xuất các chi tiết liên kết dạng thép hình nhằm giúp kết cấu sàn BTCT – cột CFT có được khả năng chịu được tải trọng và biến dạng thiết kế cần thiết Các dạng chi tiết liên kết này có khả năng kháng chọc thủng tốt và chịu được mức chuyển vị lệch tầng theo yêu cầu của thiết kế Nhưng trong nhiều trường hợp, độ cứng lớn của hệ thép hình làm tăng hiện tượng tập trung ứng suất tại vị trí liên kết sàn BTCT  cột CFT và góp phần tăng mức độ giòn hóa của liên kết Một số trường hợp khác, khi cần tăng tiết diện để đảm bảo yêu cầu chịu lực theo thiết kế, sự

(3) Sự thiếu hụt lớn của các nghiên cứu liên quan đến ứng xử kết cấu của liên kết sàn BTUST – cột CFT, đặc biệt khi dùng chi tiết liên kết dạng thép bản, làm cho khả năng ứng dụng loại kết cấu này trong thực tiễn còn chưa được rõ ràng Ứng suất nén trước giúp cho kết cấu sàn kiểm soát võng tốt trong trường hợp sàn nhịp lớn Tuy nhiên, ứng suất nén trước còn được biết là nguyên nhân làm giòn hóa ứng xử của sàn; vì vậy, nó có thể ảnh hưởng đến ứng xử của liên kết sàn – cột CFT Việc thiếu vắng các hiểu biết thực nghiệm đầy đủ về ứng xử kết cấu của liên kết sàn BTUST – cột CFT còn khiến cho việc xây dựng mô hình dự đoán khả năng kháng chọc thủng của loại kết cấu tiềm năng này trở nên khó khăn hơn

1.3.4 Mô hình và các công thức dự đoán khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn – cột CFT

1.3.4.1 Mô hình của Satoh và Shimazaki [8]

[8] đề xuất xác định khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn BTCT – cột CFT sử dụng chi tiết liên kết thép hình dưới tác dụng của tải động đất theo tiêu chuẩn [25] Theo tiêu chuẩn [25], phá hoại chọc thủng xảy ra đối với liên kết sàn BTCT – cột CFT sử dụng chi tiết liên kết thép hình là do sự kết hợp của lực cắt quanh cột, mô-men uốn ở mặt trước và sau của cột và mô-men xoắn ở mặt bên cột Khả năng kháng chọc thủng

24

của liên kết được đảm bảo khi thỏa mãn điều kiện tương tác tuyến tính như trong công thức (1.1):

(1.1)

Trong đó, Vu và Mu lần lượt là lực cắt và mô-men do tải trọng thiết kế gây nên; Vo và Mo

lần lượt là khả năng kháng chọc thủng và kháng mô-men của liên kết sàn  cột CFT; và

α là hệ số kể đến ảnh hưởng của dao động sàn theo phương đứng

Khả năng kháng uốn của sàn  cột CFT, Mo, được xác định như sau:

tsm MMM

(1.2) với:

Mm : Khả năng chịu mô-men tại mặt trước và sau của cột;

Ms : Khả năng chịu mô-men ở trước và sau mặt cột do lực kháng cắt của bê tông;

Mt : Khả năng chịu mô-men xoắn ở hai mặt bên cột

Các tác giả đề xuất xác định khả năng chịu cắt Vo và khả năng chịu mô-men Mo của liên kết sàn – cột CFT theo phương pháp cộng tác dụng từ mô hình nguyên tắc do chính các tác giả đề xuất như sau:

V0 = sV+ cV + stV (1.3)

M0 = cMm + cMs + sMs + cMt (1.4) Trong đó:

sV; cV; stV: lần lượt là khả năng chịu cắt của tấm thép liên kết, của bê tông và đinh chống

cắt;

cMm; cMs; sMs; cMt: lần lượt là khả năng chịu mô-men tại mặt trước và sau của cột, khả năng chịu mô-men do bởi lực kháng cắt của bê tông tại mặt trước và sau của cột, khả