Ứng xử kháng chọc thủng của liên kết cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép

Tuy nhiên, dạng liên kết hiệu quả giữa cột CFT và sàn phẳng BTCT cùng ứng xử kháng nén thủng của nó, là một yếu tố then chốt trong việc đảm bảo khả năng chịu lực của hệ, vẫn chưa được n

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐINH THỊ NHƯ THẢO

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐINH THỊ NHƯ THẢO

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGÔ HỮU CƯỜNG

PGS.TS TRƯƠNG HOÀI CHÍNH

Đà Nẵng − Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Đinh Thị Như Thảo

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi 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 thí nghiệm 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 số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Đà Nẵng, ngày 20 tháng 4 năm 2019

Tác giả luận án

Đinh Thị Như Thảo

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC i

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của luận án 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án 2

4 Nội dung nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

7 Bố cục luận án 4

8 Đóng góp chính của luận án 4

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFT VÀ LIÊN KẾT VỚI SÀN PHẲNG BTCT 6

1.1 Cột ống thép nhồi bê tông 6

1.2 Sàn phẳng bê tông cốt thép 11

1.3 Liên kết của sàn phẳng BTCT và cột CFT 19

1.4 Ưu nhược điểm của các liên kết đã công bố của các tác giả 40

1.5 Khả năng kháng nén thủng của sàn phẳng BTCT theo các tiêu chuẩn hiện hành 42

1.6 Kết luận 46 Chương 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM LIÊN KẾT SÀN PHẲNG BTCT

VÀ CỘT CFT 47 2.1 Mô hình thí nghiệm 47

2.2 Thiết bị thí nghiệm 56

2.3 Tiến hành thí nghiệm và xử lý kết quả 58

2.4 Kết luận 81

Chương 3 PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT SÀN PHẲNG BTCT VÀ CỘT CFT BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ 82

3.1 Đặt vấn đề 82

3.2 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS 82

3.3 Các bài toán mô phỏng số của tác giả đã thí nghiệm 94

3.4 Áp dụng tính toán khả năng nén thủng cực hạn của mẫu S-02-M-V theo các tiêu chuẩn TCVN 5574:2012, EC2 và ACI 318-11 118

3.5 Kết luận 122 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 124 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Thông số mẫu thí nghiệm chuỗi thứ 1 của Satoh và Shimazaki (2004)

[37] 21

Bảng 1.2: Thông số mẫu thí nghiệm chuỗi thứ 2 của Satoh và Shimazaki (2004) [37] 22

Bảng 1.3: Thông số mẫu thí nghiệm chuỗi thứ 3 của Satoh và Shimazaki (2004) [37] 23

Bảng 1.4: Thông số vật liệu mẫu thí nghiệm của Yan (2011) [44] 30

Bảng 2.1: Số liệu của mẫu S-C-V và S-02-M-V 51

Bảng 2.2: Danh mục các thiết bị thí nghiệm 57

Bảng 2.3: Cấp phối bê tông B30 58

Bảng 2.4: Cường độ nén trung bình 59

Bảng 2.5: Cường độ kéo chẻ trung bình 59

Bảng 2.6: Lực nén thủng cực hạn của liên kết sàn phẳng BTCT − cột CFT và liên kết sàn phẳng − cột BTCT toàn khối 80

Bảng 3.1: Các công thức xác định các thông số đặc trưng của vật liệu bê tông 84 Bảng 3.2: Các thông số đặc trưng của vật liệu bê tông mô phỏng 94

Bảng 3.3: Các dạng tương tác khi mô phỏng mẫu S-C-V 98

Bảng 3.4: So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng mẫu S-C-V 101

Bảng 3.5: Các dạng tương tác khi mô phỏng mẫu S-02-M-V 107

Bảng 3.6: So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng mẫu S-02-M-V 112

Bảng 3.7: So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng mẫu S-C-V và mẫu S-02-M-V 117

Bảng 3.8: Kết quả tính toán lực kháng nén thủng cực hạn theo các tiêu chuẩn của mẫu S-02-M-V 121

Bảng 3.9: Giá trị lực nén thủng mẫu S-C-V và S-02-M-V nghiên cứu thực nghiệm và tính toán theo các tiêu chuẩn 122

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Cấu tạo điển hình của cột ống thép nhồi bê tông 7

Hình 1.2: Cấu tạo cột CFT đặc [17] 7

Hình 1.3: Cấu tạo cột CFT mặt cắt rỗng [17] 8

Hình 1.4: Cấu tạo cột CFT được bọc BTCT [17] 8

Hình 1.5: Cấu tạo cột CFT được gia cường bằng cốt thép, cốt cứng (thép hình) và sườn tăng cứng [17] 9

Hình 1.6: Tòa nhà Fleet Place House [34] 10

Hình 1.7: Tòa nhà Queensberry House [34] 10

Hình 1.8: Tòa nhà Strong Building 11

Hình 1.9: Nén thủng sàn dạng hình côn với những góc 60o, 45o và 30o [31] 12

Hình 1.10: Dạng phá hoại mẫu thí nghiệm của Kinnuen và Nylander (1960) [25] 13

Hình 1.11: Sự hình thành tháp nén thủng theo thí nghiệm Kinnuen và Nylander [25] 13

Hình 1.12: Sự sụp đổ của cao ốc Sampoong-Hàn Quốc do phá hoại nén thủng [16] 14

Hình 1.13: Sự sụp đổ của chung cư 2000 Commonwealth Avenue, Boston, Massachusetts, Hoa kỳ do phá hoại nén thủng [24] 14

Hình 1.14: Sự sụp đổ của căn hộ cao tầng Skyline Plaza ở Bailey’s Crossroad, Virginia, Hoa Kỳ do phá hoại nén thủng [38] 15

Hình 1.15: Ba dạng phá hoại do nén thủng trong sàn phẳng BTCT − Menetrey (2002) [10] 16

Hình 1.16: Cốt thép chịu cắt tại liên kết cột − sàn phẳng BTCT [10], [32] 16

Hình 1.17: Hệ cốt cứng chịu cắt − Corley và Hawkins (1968) [11] 17

Hình 1.18: Sử dụng các chốt chịu cắt của Elgabry và Gali (1987) [14] 18

Hình 1.19: Hệ băng kháng cắt của Pilakoutas và Li (2003) [36] 18

Hình 1.20: Hệ liên kết chịu cắt “NUUL” của Subedi và Baglin (2003) [41] 18

Hình 1.21: Hình dạng phá hoại của liên kết “NUUL” khi bị nén thủng [41] 18

Hình 1.22: Chi tiết liên kết của Satoh và Shimazaki (2004) [37] 19

Hình 1.23: Mô hình thí nghiệm của Satoh và Shimazaki (2004) [37] 20

Hình 1.24: Mô hình thí nghiệm chuỗi số 2 của Satoh và Shimazaki (2004) [37] 21

Hình 1.25: Cấu hình vết nứt của mẫu Ps.8 [37] 22

Hình 1.26: Chi tiết mẫu thí nghiệm chuỗi số 3 của Satoh và Shimazaki (2004) [37] 23

Hình 1.27: Cấu hình vết nứt các mẫu chuỗi thí nghiệm thứ 3 [37] 24

Hình 1.28: Chi tiết liên kết của Su và Tian (2010) [40] 25

Hình 1.29: Cấu tạo mẫu thí nghiệm của Su và Tian (2010) [40] 26

Hình 1.30: Mô hình thí nghiệm của Su và Tian (2010) [40] 27

Hình 1.31: Quan hệ lực − chuyển vị đầu cột của mẫu SP1 [40] 27

Hình 1.32: Cấu tạo liên kết loại 1 của Yan (2011) [44] 28

Hình 1.33: Mẫu thí nghiệm liên kết loại 1 của Yan (2011) [44] 29

Hình 1.34: Cấu tạo liên kết loại 2 của Yan (2011) [44] 29

Hình 1.35: Mẫu thí nghiệm liên kết loại 2 của Yan (2011) [44] 30

Hình 1.36: Mô hình và công tác lắp đặt thí nghiệm của Yan (2011) [44] 30

Hình 1.37: Sơ đồ vị trí theo phương đứng của liên kết chịu cắt [44] 31

Hình 1.38: Mẫu thí nghiệm của Kim cùng cộng sự (2014) [23] 33

Hình 1.39: Mô hình thí nghiệm của Kim cùng cộng sự (2014) [23] 33

Hình 1.40: Hình dạng tháp nén thủng các mẫu thí nghiệm của Kim cùng cộng sự (2014) [23] 34

Hình 1.41: Chi tiết cấu tạo liên kết của Đào Ngọc Thế Lực cùng cộng sự (2017) [1], [3] 35

Hình 1.42: So sánh ứng xử bề mặt sàn ở cấp tải P=480 kN và đường cong tải trọng – chuyển vị từ ABAQUS và thí nghiệm của Đào Ngọc Thế Lực cùng cộng sự (2017) [1], [3] 35

Hình 1.43: Chi tiết cấu tạo liên kết của Nguyễn Quốc Nhật (2018) [2] 36

Hình 1.44: Vết nứt trên sàn tại cấp tải 400 kN mẫu thí nghiệm của Nguyễn Quốc Nhật [2] 37

Hình 1.45: Sự phá hoại sàn tại cấp tải 440 kN mẫu thí nghiệm của Nguyễn Quốc

Nhật [2] 37

Hình 1.46: Chi tiết cấu tạo liên kết của Trần Phan Nhật (2018) [5] 38

Hình 1.47: Vết nứt đầu tiên tại cấp tải 43 kN mẫu thí nghiệm của Trần Phan Nhật [5] 39

Hình 1.48: Sự phá hoại sàn tại cấp tải 226 kN mẫu thí nghiệm của Trần Phan Nhật [5] 39

Hình 1.49: Tháp nén thủng theo TCVN 5574:2012 [4] 42

Hình 1.50: Tháp nén thủng theo Tiêu chuẩn Châu Âu EC2 [13] 43

Hình 1.51: Tháp nén thủng theo Quy phạm Hoa Kỳ ACI 318-11 [8] 45

Hình 2.1: Cấu tạo chi tiết của liên kết 49

Hình 2.2: Hình ảnh thực cấu tạo chi tiết cột, sườn, thép sàn của liên kết 49

Hình 2.3: Mặt bằng bố trí lớp thép trên mẫu S-C-V 52

Hình 2.4: Mặt bằng bố trí lớp thép dưới mẫu S-C-V 52

Hình 2.5: Mặt cắt A-A mẫu S-C-V 53

Hình 2.6: Mặt bằng bố trí lớp thép trên mẫu S-02-M-V 53

Hình 2.7: Mặt bằng bố trí lớp thép dưới mẫu S-02-M-V 54

Hình 2.8: Mặt cắt A-A mẫu S-02-M-V 54

Hình 2.9: Sơ đồ thí nghiệm 55

Hình 2.10: Giai đoạn 1 − Cho liên kết chịu chuyển vị cưỡng bức đến giá trị mục tiêu H/140 55

Hình 2.11: Giai đoạn 2 − Tiến hành gia tải đứng cho đến khi liên kết phá hoại do nén thủng 56

Hình 2.12: Cấu tạo hệ khung gia tải 57

Hình 2.13: Thí nghiệm nén và kéo chẻ mẫu bê tông 59

Hình 2.14: Quan hệ ứng suất – biến dạng của thép tấm 60

Hình 2.15: Quan hệ ứng suất – biến dạng của cốt thép sàn  14 61

Hình 2.16: Mặt bằng lắp đặt chuyển vị kế cho mẫu S-C-V và S-02-M-V 61

Hình 2.17: Mặt đứng lắp đặt chuyển vị kế cho mẫu S-C-V và S-02-M-V 62

Hình 2.18: Sơ đồ lắp đặt cảm biến đo biến dạng của cốt thép lớp trên mẫu S-C-V

63

Hình 2.19: Sơ đồ lắp đặt cảm biến đo biến dạng của bê tông mẫu S-C-V 63

Hình 2.20: Sơ đồ lắp đặt cảm biến đo biến dạng của bê tông và cốt thép lớp trên mẫu S-02-M-V 64

Hình 2.21: Lắp đặt ván khuôn và cốt thép cho mẫu S-C-V 65

Hình 2.22: Đổ bê tông cho mẫu S-C-V 66

Hình 2.23: Lắp đặt ván khuôn và cốt thép cho mẫu S-02-M-V 66

Hình 2.24: Đổ bê tông cho mẫu S-02-M-V 66

Hình 2.25: Lắp đặt mẫu S-C-V vào khung gia tải 68

Hình 2.26: Lắp đặt mẫu S-02-M-V vào giá gia tải 68

Hình 2.27: Lắp đặt thiết bị gia tải cho mẫu S-C-V và S-02-M-V 69

Hình 2.28: Lắp đặt chuyển vị kế cho mẫu S-C-V 70

Hình 2.29: Lắp đặt chuyển vị kế cho mẫu S-02-M-V 70

Hình 2.30: Gắn cảm biến đo biến dạng của bê tông và cốt thép sàn cho mẫu S-C-V và mẫu S-02-M-S-C-V 70

Hình 2.31: Kết nối các dây cảm biến và chuyển vị kế vào data logger 71

Hình 2.32: Đường quan hệ lực − chuyển vị mẫu S-C-V 72

Hình 2.33: Đường quan hệ lực − biến dạng của cốt thép sàn mẫu S-C-V 72

Hình 2.34: Đường quan hệ lực − biến dạng của cốt thép sàn mẫu S-C-V 73

Hình 2.35: Đường quan hệ lực − biến dạng của bê tông sàn mẫu S-C-V 73

Hình 2.36: Hình dạng tháp nén thủng của mẫu S-C-V 74

Hình 2.37: Đường cong trễ lực – chuyển vị ngang đầu cột 75

Hình 2.38: Quan hệ lực – chuyển vị ngang đầu cột mẫu S-02-M-V 76

Hình 2.39: Đường quan hệ lực – chuyển vị mẫu S-02-M-V 77

Hình 2.40: Đường quan hệ lực − biến dạng của cốt thép sàn mẫu S-02-M-V 77

Hình 2.41: Đường quan hệ lực − biến dạng của bê tông sàn mẫu S-02-M-V 78

Hình 2.42: Hình dạng tháp nén thủng của của mẫu S-02-M-V 79

Hình 3.1: Một số loại phần tử trong thư viện của ABAQUS [7] 83

Hình 3.2: Hệ tọa độ của phần tử C3D8 trong ABAQUS [7] 83

Hình 3.3: Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông khi chịu nén [6], [37] 85

Hình 3.4: Ảnh hưởng của chiều dài phần tử bê tông đến quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông khi chịu nén [22] 86

Hình 3.5: Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông khi chịu kéo [22], [43] 87

Hình 3.6: Quan hệ ứng suất – bề rộng vết nứt của bê tông trong giai đoạn giảm bền theo các mô hình [12] 88

Hình 3.7: (a) Mô phỏng vết nứt theo vùng nứt; (b) theo vết nứt rời rạc [22] 89

Hình 3.8: Ứng xử chịu nén của bê tông trong mô hình phá hoại dẻo [43] 89

Hình 3.9: Ứng xử chịu kéo của bê tông trong mô hình phá hoại dẻo [43] 90

Hình 3.10: Bề mặt chảy dẻo Lubliner và cộng sự (1989) [30] và Lee và Fenves (1998) của mô hình phá hoại dẻo [27] 91

Hình 3.11: Dạng tương tác “Tie” [7] 92

Hình 3.12: Sự hình thành điều kiện biên động học giữa các nút khi sử dụng tương tác “Embedded” với dung sai hình học giữa các nút [7] 92

Hình 3.13: Ràng buộc về động học “kinematic coupling” [7] 93

Hình 3.14: Ràng buộc dạng phân bố “distributing coupling” [7] 93

Hình 3.15: Sự tương tác “hard contact” giữa các nút của mặt phụ (slave surface) và mặt chính (master surface) [7] 94

Hình 3.16: Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông khi chịu nén 95

Hình 3.17: Quan hệ ứng suất – bề rộng vết nứt của bê tông khi chịu kéo 95

Hình 3.18: Hình dạng mô phỏng của mẫu S-C-V 96

Hình 3.19: Mô phỏng sàn cột bê tông của mẫu S-C-V 96

Hình 3.20: Mô phỏng cốt thép sàn và cột của mẫu S-C-V 97

Hình 3.21: Mô phỏng gối đệm trên, dưới của mẫu S-C-V 97

Hình 3.22: Mô phỏng sự làm việc đồng thời của bê tông và cốt thép mẫu S-C-V 98

Hình 3.23: Khai báo tương tác dạng “coupling” mẫu S-C-V 98

Hình 3.24: Mô phỏng điều kiện biên mặt trên của mẫu S-C-V 99

Hình 3.25: Mô phỏng điều kiện biên mặt dưới của mẫu S-C-V 99

Hình 3.26: Mô phỏng chia lưới tạo phần tử của mẫu S-C-V 100

Hình 3.27: Quan hệ lực – chuyển vị D1 mẫu S-C-V 100

Hình 3.28: Quan hệ lực – chuyển vị D3 mẫu S-C-V 101

Hình 3.29: Quan hệ lực – biến dạng S1 mẫu S-C-V 101

Hình 3.30: Quan hệ lực – biến dạng S3 mẫu S-C-V 102

Hình 3.31: Quan hệ lực – biến dạng C1 mẫu S-C-V 102

Hình 3.32: Các vết nứt tiếp tuyến đầu tiên xuất hiện mẫu S-C-V 103

Hình 3.33: Các vết nứt hướng tâm về phía 4 góc sàn mẫu S-C-V 103

Hình 3.34: Hình dạng tháp nén thủng mẫu S-C-V 103

Hình 3.35: Hình dạng mô phỏng của mẫu S-02-M-V 104

Hình 3.36: Mô phỏng sàn bê tông của mẫu S-02-M-V 105

Hình 3.37: Mô phỏng cốt thép sàn của mẫu S-02-M-V 105

Hình 3.38: Mô phỏng hệ sườn, bản thép đầu cột và cột thép mẫu S-02-M-V 106

Hình 3.39: Mô phỏng cột thép và lõi bê tông cột của mẫu S-02-M-V 106

Hình 3.40: Mô phỏng gối đệm trên, dưới, bên của mẫu S-02-M-V 107

Hình 3.41: Mô phỏng sự làm việc đồng thời của bê tông-cốt thép mẫu S-02-M-V 108

Hình 3.42: Khai báo tương tác dạng “coupling” mẫu S-02-M-V 108

Hình 3.43: Mô phỏng điều kiện biên mặt trên của mẫu S-02-M-V 109

Hình 3.44: Mô phỏng điều kiện biên mặt dưới của mẫu S-02-M-V 109

Hình 3.45: Mô phỏng chia lưới tạo phần tử của mẫu S-02-M-V 110

Hình 3.46: Hình dạng của liên kết S-02-M-V khi chuyển vị ngang đầu cột có giá trị 17 mm 110

Hình 3.47: Quan hệ lực – chuyển vị ngang đầu cột mẫu S-02-M-V 111

Hình 3.48: Ứng suất Mises trong sàn khi chuyển vị ngang đầu cột có giá trị 17 mm của mẫu S-02-M-V 111

Hình 3.49: Quan hệ lực – chuyển vị D1 mẫu S-02-M-V 112

Hình 3.50: Quan hệ lực – chuyển vị D3 mẫu S-02-M-V 112

Hình 3.51: Quan hệ lực – Biến dạng S1 mẫu S-02-M-V 113

Hình 3.52: Quan hệ lực – biến dạng S3 mẫu S-02-M-V 113

Hình 3.53: Quan hệ lực – biến dạng C1 mẫu S-02-M-V 113

Hình 3.54: Các vết nứt tiếp tuyến đầu tiên xuất hiện mẫu S-02-M-V 114

Hình 3.55: Các vết nứt hướng tâm về phía 4 góc sàn mẫu S-02-M-V 115

Hình 3.56: Hình dạng tháp nén thủng mẫu S-02-M-V 115

Hình 3.57: Hình dạng tháp nén thủng mẫu S-02-M-V bằng thực nghiệm và mô phỏng số 115

Hình 3.58: Quan hệ lực – chuyển vị D1 mẫu S-C-V và mẫu S-02-M-V 116

Hình 3.59: Nghiên cứu của Winkler và Stangenberg (2008) [43] 117

Hình 3.60: Kết quả nghiên cứu của Islam (2014) [20] 118

Hình 3.61: Hình ảnh chuyển vị của mẫu S-02-M-V 119

Hình 3.62: Tháp nén thủng của mẫu S-02-M-V theo TCVN 5574:2012 119

Hình 3.63: Tháp nén thủng của mẫu S-02-M-V theo EC2 120

Hình 3.64: Tháp nén thủng của mẫu S-02-M-V theo ACI 318-11 120

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Trong những thập niên qua, kết cấu thép – bê tông liên hợp đã được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp ở nhiều nước trên thế giới do có các ưu điểm nổi trội về mặt kết cấu và thi công của cả hai loại vật liệu thép kết cấu và bê tông truyền thống Công trình sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp có khả năng chịu lực, độ cứng và độ dẻo dai cao, đáp ứng tốt công năng

sử dụng, có hiệu quả về kinh tế và đảm bảo tính thẩm mỹ, đồng thời tăng cường khả năng chống cháy so với kết cấu thép truyền thống

Trong nhà nhiều tầng, chiều cao tầng, kích thước cột và nhịp của cấu kiện là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế và công năng sử dụng của công trình Do đó, nhu cầu cần có một hệ kết cấu mới có thể giảm chiều cao tầng, giảm kích thước cột, tăng nhịp cấu kiện, rút ngắn thời gian thi công và tiết kiệm chi phí xây dựng là một điều hết sức cần thiết Hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFT

− Concrete Filled steel Tube) và sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) là hệ kết cấu tương đối mới, phù hợp với các tiêu chí trên và được mong đợi sẽ được áp dụng rộng rãi trên thế giới trong tương lai gần Tuy nhiên, dạng liên kết hiệu quả giữa cột CFT

và sàn phẳng BTCT cùng ứng xử kháng nén thủng của nó, là một yếu tố then chốt trong việc đảm bảo khả năng chịu lực của hệ, vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ và đang thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu

Qua việc tham khảo và phân tích ưu nhược điểm của các chi tiết liên kết đã được công bố trên thế giới, luận án đề xuất một chi tiết liên kết mới giữa sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo và phù hợp với điều kiện thi công ở Việt Nam Thông qua tính toán và mô phỏng sơ bộ, kích thước và cấu tạo chi tiết của liên kết sẽ được đề xuất Ứng xử chịu cắt và khả năng kháng nén thủng của liên kết kích thước thật sẽ được khảo sát thông qua nghiên cứu thực nghiệm Thêm nữa, liên kết cũng sẽ được mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS và độ tin cậy của kỹ thuật mô phỏng sẽ được kiểm chứng qua việc so sánh với kết quả thực nghiệm

2 Mục tiêu nghiên cứu

− Nghiên cứu đề xuất loại liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT phù hợp và hiệu quả với điều kiện thi công của Việt Nam

− Nghiên cứu ứng xử và khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT được đề xuất bằng thực nghiệm và mô phỏng số

− Đề xuất công thức dự đoán khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT

3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học

Ở Việt Nam, việc sử dụng cột CFT trong các công trình xây dựng còn khá mới

mẻ và chưa được phổ biến Những kết quả thu được từ thí nghiệm và mô phỏng số trong nghiên cứu này sẽ góp phần bổ sung thêm những luận điểm, kiến thức mới và

là nguồn dữ liệu bổ ích phục vụ cho những nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này

Ý nghĩa thực tiễn

Hiện nay liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT đã được nhiều tác giả đề xuất và khảo sát để tìm hiểu ứng xử kết cấu và sự hiệu quả nhằm phục vụ cho việc ứng dụng vào thực tiễn Việc đề xuất một chi tiết liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT có cấu tạo đơn giản nhưng hiệu quả, phù hợp với điều kiện thi công tại Việt Nam sẽ là bước khởi đầu cho việc nghiên cứu thêm các dạng liên kết khác để có thể phát triển giải pháp kết cấu cột CFT – sàn phẳng BTCT cho công trình xây dựng Đặc biệt, việc xây dựng một mô hình số cho phép dự đoán khả năng chịu lực của liên kết phù hợp với kết quả thực nghiệm là một điều cần thiết để có được kết quả tin cậy trong việc áp dụng cho công tác thiết kế loại liên kết này trong thực tiễn mà không cần thực hiện các thí nghiệm tốn kém và mất thời gian

4 Nội dung nghiên cứu

− Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài

− Đề xuất chi tiết liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT

− Chế tạo liên kết và tiến hành đúc mẫu thí nghiệm

− Thiết lập quy trình thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm

− Xử lý, phân tích số liệu và đánh giá kết quả thí nghiệm

− Mô phỏng số ứng xử của liên kết bằng phần mềm PTHH ABAQUS có xét tác động phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu

− Kiểm chứng độ tin cậy của kỹ thuật mô phỏng qua việc so sánh kết quả phân tích với kết quả thực nghiệm

− Rút ra những kết luận, kiến nghị

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của đề tài là phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với mô phỏng số Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để phân tích ứng xử

và khả năng chịu lực cũng như để đánh giá tính khả thi và sự hiệu quả của việc ứng dụng liên kết đề xuất mới cho giải pháp kết cấu cột CFT – sàn phẳng BTCT Bên cạnh đó, một quy trình và kỹ thuật mô phỏng số liên kết bằng phần mềm PTHH ABAQUS cũng được thiết lập để dự đoán ứng xử của liên kết

6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Ứng xử cắt thủng của liên kết sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT

Phạm vi nghiên cứu

− Nghiên cứu ứng xử nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT thường (không có tác động ứng suất trước, không có lỗ mở gần liên kết) - cột giữa CFT (không phải cột ở biên hoặc góc);

− Nghiên cứu khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT – cột giữa CFT mà không xét đến ứng xử chịu mômen đồng thời của liên kết;

− Nghiên cứu khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT – cột giữa CFT chỉ chịu tác động tải tĩnh đẩy dần, không phải là tải lặp lại hoặc tải động

7 Bố cục luận án

Trên cơ sở các nội dung nghiên cứu để đạt mục tiêu đề ra và đảm bảo tính logic và hoàn thiện của vấn đề nghiên cứu, cấu trúc của luận án gồm các phần và các chương như sau:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan về cột CFT và liên kết với sàn phẳng BTCT

Giới thiệu tổng quan về cột CFT và sàn phẳng BTCT; các phương pháp liên kết nhằm đảm bảo khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT – cột giữa CFT và các kết quả nghiên cứu liên quan của các tác giả khác đã công bố Trình bày cách tính toán khả năng kháng nén thủng của sàn phẳng BTCT trong các tiêu chuẩn hiện hành

Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm liên kết sàn phẳng BTCT và cột CFT

Đề xuất chi tiết liên kết phù hợp và hiệu quả; Đề xuất quy trình thí nghiệm; Trình bày quá trình thí nghiệm và kết quả ứng xử nén thủng của liên kết đề xuất khi chịu tải; So sánh kết quả thí nghiệm của liên kết đề xuất với liên kết sàn phẳng – cột BTCT toàn khối để làm rõ sự hiệu quả

Chương 3: Phân tích sự làm việc của liên kết sàn phẳng BTCT và cột CFT

bằng phương pháp số

Trình bày cơ sở lý thuyết của phần mềm ABAQUS và thiết lập quy trình mô phỏng số cho liên kết đề xuất và liên kết đối chứng; So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thí nghiệm để làm rõ độ tin cậy của mô hình số; Đề xuất hướng dẫn tính toán

để dự đoán khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT theo các tiêu chuẩn TCVN 5574:2012, EC2 và ACI 318-11

Kết luận – Hướng phát triển

8 Đóng góp chính của luận án

− Qua việc tham khảo và phân tích ưu nhược điểm của các chi tiết liên kết đã được công bố trên thế giới, luận án đã đề xuất một chi tiết liên kết mới giữa sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT khá đơn giản và phù hợp với điều kiện thi công trong nước

− Thiết lập quy trình thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm để khảo sát ứng xử chịu cắt và khả năng kháng nén thủng của liên kết

− Mô phỏng số phân tích ứng xử kháng nén thủng của liên kết bằng phần mềm ABAQUS và so sánh với kết quả thực nghiệm

− Đề xuất hướng dẫn tính toán để dự đoán khả năng kháng nén thủng của liên kết theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012, Tiêu chuẩn Châu Âu EC2, Quy phạm Hoa Kỳ ACI 318-11

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFT VÀ LIÊN KẾT

− Hiệu quả về mặt kết cấu:

+ Sự tương tác giữa ống thép và lõi bê tông: Lõi bê tông giúp giảm nguy cơ xảy ra mất ổn định cục bộ và hạn chế sự suy giảm cường độ sau khi mất ổn định cục bộ của ống thép; Cường độ chịu nén của bê tông được tăng lên do hiệu ứng bó lõi bê tông của ống thép và sự suy giảm cường độ của lõi bê tông cũng không xảy

ra đột ngột do có vỏ thép ngăn sự nứt tách của bê tông; Những điều trên làm tăng cường độ, độ dẻo dai và khả năng hấp thu năng lượng khi chịu động đất của cấu kiện;

+ Sự co ngót và từ biến của bê tông nhỏ hơn nhiều so với BTCT thông thường;

+ Khả năng chống va đập của bề mặt cột cao

− Hiệu quả về mặt thi công: Ống thép làm kiêm nhiệm vụ cốp pha và thường không cần cốt thép; Thông thường cột ống thép được thi công trước để tạo hệ kết cấu chắc chắn và ổn định thì bê tông mới được bơm nhồi vào nên có thể đẩy nhanh tốc

độ thi công và giảm chi phí làm sạch công trường

− Khả năng chống cháy: Tốt hơn cột thép do có lõi bê tông ngăn cản sự tăng nhiệt của vỏ thép khi chịu lửa

− Cột CFT tiết diện nhỏ gọn nên tiết kiệm không gian sử dụng và cấu kiện thanh mảnh nên có tính thẩm mỹ cao

Hình 1.2: Cấu tạo cột CFT đặc [17]

Trong các trường hợp trên, cột tròn có tác động bó lõi bê tông tốt nhất trong

Lõi bê tông

khi sự mất ổn định cục bộ dễ xảy ra đối với cột tiết diện vuông hoặc chữ nhật

Cột CFT mặt cắt rỗng

Cột CFT mặt cắt rỗng có 2 lớp vỏ thép bọc mặt ngoài và mặt trong, kẹp ở giữa

là lớp lõi bê tông (Hình 1.3) Dạng cột này có khả năng chịu lực, độ cứng kháng uốn,

độ dẻo dai và khả năng chống cháy cao hơn so với cột CFT đặc, phù hợp với dạng cột có tiết diện ngang lớn Chiều dày vỏ và trọng lượng bản thân của cấu kiện loại này cũng nhỏ hơn so với cột CFT đặc Thêm nữa, các loại vật liệu khác nhau có thể được sử dụng cho loại cột này để đảm bảo tính thẩm mỹ và khả năng chống ăn mòn,

ví dụ ống thép ngoài có thể dùng thép không gỉ trong khi ống thép trong vẫn dùng thép thông thường [17]

Hình 1.4: Cấu tạo cột CFT được bọc BTCT [17]

Ống thép

Cột CFT có gia cường bằng cốt thép, cốt cứng và sườn tăng cứng

Việc gia cường cốt thép và cốt cứng nằm bên trong ống thép (Hình 1.5) làm tăng khả năng chịu lực của cột mà không làm thay đổi dạng tiết diện của cột Trường hợp cột có tiết diện lớn hoặc có vỏ thép thành mỏng làm bằng thép cường độ cao cần

bố trí các sườn tăng cứng, có thể hàn bên trong ống theo phương dọc trục hoặc hàn vuông góc tiết diện ống, giúp giảm nguy cơ ổn định cục bộ của ống thép và làm tăng thêm độ dẻo dai của cột [17]

Hình 1.5: Cấu tạo cột CFT được gia cường bằng cốt thép,

cốt cứng (thép hình) và sườn tăng cứng [17]

Một số công trình sử dụng cột CFT

Cột CFT có nhiều ưu điểm nên được sử dụng thay thế cho cột BTCT và cột thép truyền thống trong giải pháp kết cấu công trình ở các nước như Anh, Nhật Bản, Trung Quốc, Việt Nam… cho nhà dân dụng và công nghiệp, ga điện ngầm, tháp điện cao thế, cột điện, cầu… Sau đây sẽ trình bày một số công trình nhà tiêu biểu

Tòa nhà Fleet Place House (Anh)

Tòa nhà phức hợp Fleet Place House ở nước Anh gồm 8 tầng (Hình 1.6) sử dụng cột ống thép tròn nhồi bê tông với đường kính ngoài của ống thép là 323.9 mm

Độ dày của thành ống thép của tầng 1 là 30 mm, tầng 2 đến tầng 6 là 16 mm và các

tầng còn lại là 12.5 mm Bê tông được sử dụng có cấp độ bền từ B40 đến B60 [34]

Hình 1.6: Tòa nhà Fleet Place House [34]

Tòa nhà Queensberry House (Anh)

Tòa nhà văn phòng thương mại Queensberry House ở nước Anh gồm 6 tầng (Hình 1.7) với bước cột 6 m và nhịp của công trình là 12 m Tòa nhà sử dụng cột ống thép tròn nhồi bê tông mặt cắt rỗng với ống thép ngoài có đường kính ngoài là 457

mm và chiều dày là 10 mm, ống thép trong có đường kính ngoài là 323.9 mm và chiều dày là 6.3 mm [34]

Hình 1.7: Tòa nhà Queensberry House [34]

Tòa nhà Strong Building (Nhật)

Tòa nhà Strong Building gồm 8 tầng (Hình 1.8) sử dụng giải pháp kết cấu gồm cột tròn ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng BTCT được xây dựng ở thành phố Kobe của Nhật với diện tích sàn là 6593 m2

Hình 1.8: Tòa nhà Strong Building

(Nguồn http://www.takenaka.co.jp/takenaka_e/projects/retail/a43500142005.html)

1.2 Sàn phẳng bê tông cốt thép

Sàn phẳng BTCT được sử dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng vì có những ưu điểm vượt trội hơn so với hệ sàn dầm như sau [15]:

− Phù hợp với công trình có hệ lưới cột phức tạp

− Thỏa mãn những yêu cầu về kiến trúc: Thuận lợi cho việc chiếu sáng, thông gió và thoát nhiệt; không cần sử dụng trần giả, việc ngăn chia các phòng trên mặt sàn linh hoạt, rất thích hợp với việc sử dụng vách ngăn nhẹ di động

− Giảm được chiều cao tầng nên giảm được chiều cao toàn bộ công trình

− Giảm thiểu năng lượng cần làm mát hoặc sưởi ấm công trình

− Không có những góc cạnh lồi ra như sàn dầm nên có khả năng chống cháy cao hơn

− Thuận lợi cho thi công: Công tác ván khuôn đơn giản, tiết kiệm và dễ dàng trong việc bố trí cốt thép

− Giảm chi phí xây dựng và vận hành công trình và rút ngắn thời gian thi công

công trình

Với các ưu điểm nêu trên, hệ sàn phẳng BTCT hiện nay rất được ưa chuộng

và được sử dụng rộng rãi trong nhà nhiều tầng ở nhiều quốc gia như các tòa cao ốc văn phòng và chung cư, nhà để xe

Khi thiết kế sàn phẳng BTCT, vấn đề quan trọng là liên kết sàn − cột rất dễ bị phá hoại do hiện tượng nén thủng và đó là bộ phận duy nhất truyền lực từ sàn vào cột

Khái niệm về hiện tượng nén thủng

Nén thủng của liên kết sàn phẳng − cột BTCT là hiện tượng phá hoại do cắt cục bộ thường có dạng hình chóp cụt tại liên kết đầu cột và sàn (Hình 1.9) [31] Đây

là dạng phá hoại giòn, xảy ra đột ngột và thường khó phát hiện dấu hiệu báo trước, làm mất đi hoàn toàn khả năng truyền lực của các ô sàn xung quanh vào cột tại vị trí

bị nén thủng, gây ra sự quá tải của các liên kết lân cận khác, làm phá hoại chúng và cuối cùng có thể dẫn đến phá hoại toàn bộ kết cấu công trình

Kinnuen và Nylander (1960) [25] đã tiến hành các thí nghiệm nén thủng của liên kết sàn phẳng tròn - cột giữa tròn BTCT Kết quả thí nghiệm cho thấy có 2 dạng phá hoại chính gồm sự chảy dẻo của cốt thép chịu uốn khi có hàm lượng nhỏ và sự phá hoại của sàn do hiện tượng nén thủng (Hình 1.10)

Tháp nén thủng trong thí nghiệm của Kinnuen và Nylander (1960) [25] được hình thành qua 5 giai đoạn như sau:

(1) Các vết nứt do uốn theo phương tiếp tuyến xuất hiện đầu tiên tại mặt trên

của sàn xung quanh chu vi cột do mô men âm

(2) Sự lan truyền nứt sẽ tiếp tục xảy ra với sự hình thành các vết nứt hướng tâm từ các vết nứt tiếp tuyến (1)

Hình 1.10: Dạng phá hoại mẫu thí nghiệm của Kinnuen và Nylander (1960) [25]

(3) Sau đó các vết nứt tiếp tuyến khác sẽ xuất hiện bên ngoài chu vi cột

(4) Khi tiếp tục gia tải, các vết nứt tiếp tuyến (3) phát triển lệch khỏi phương thẳng đứng ban đầu và hướng xiên về phía mặt cột ở mặt dưới sàn

(5) Với sự gia tăng chuyển vị đứng, vết nứt mở rộng đến mép cột Vết nứt cắt cuối cùng hoặc trùng hoặc nằm ngoài vết nứt tiếp tuyến ngoài cùng mà đã xuất hiện trước khi phá hoại

(1) (2) (3)

(4) (5)

Hình 1.11: Sự hình thành tháp nén thủng theo thí nghiệm Kinnuen và Nylander [25]

Trong thời gian qua, nhiều tai nạn thảm khốc đã xảy ra do dạng phá hoại nén thủng tại liên kết sàn phẳng – cột BTCT (Hình 1.12 [16] và Hình 1.13 [24]) được

phân tích và mô tả trong các tài liệu [16], [24] và [38].

Hình 1.12: Sự sụp đổ của cao ốc Sampoong-Hàn Quốc do phá hoại nén thủng [16]

Hình 1.13: Sự sụp đổ của chung cư 2000 Commonwealth Avenue, Boston,

Massachusetts, Hoa kỳ do phá hoại nén thủng [24]

Hiện tượng phá hoại do chọc thủng cũng có thể xảy ra trong quá trình thi công khi trọng lượng của bê tông và hệ cột chống ván khuôn truyền vào những tầng kế tiếp bên dưới không được chống đỡ đầy đủ Nếu hệ cột chống được dỡ bỏ quá sớm, cường

độ bê tông của những tầng bên dưới chưa đạt cường độ để chịu tải trọng dẫn đến lực cắt trong sàn tại gối tựa cột vượt quá khả năng kháng nén thủng của sàn bê tông làm

cho một phần hay toàn bộ kết cấu công trình bị phá hoại

Hình 1.14: Sự sụp đổ của căn hộ cao tầng Skyline Plaza ở Bailey’s Crossroad,

Virginia, Hoa Kỳ do phá hoại nén thủng [38]

Một trường hợp điển hình cho trường hợp này là căn hộ cao tầng Skyline Plaza ở Bailey’s Crossroad, Virginia, Hoa Kỳ, năm 1973 bị sụp đổ khi đang thi công Hình 1.14) [38] Sự sụp đổ phát triển theo phương thẳng đứng từ tầng thứ 24 đến tầng hầm làm 14 công nhân thiệt mạng và 34 công nhân bị thương Qua khảo sát đã phát hiện

sự sụp đổ bắt đầu từ sàn thứ 23 bởi phá hoại nén thủng của sàn ở những vị trí đầu cột Nguyên nhân là do việc tháo dỡ hệ cột chống quá sớm trong khi cường độ của bê tông còn thấp làm sinh ra ứng suất cắt vượt quá khả năng chịu lực của bê tông sàn tại các vị trí gối tựa

Các phương pháp gia tăng khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng – cột BTCT toàn khối

Có nhiều giải pháp đã được đề xuất để gia tăng khả năng kháng nén thủng, trong đó việc tăng cường các thành phần chịu cắt của liên kết là một phương pháp tối

ưu vì có khả năng ứng dụng hiệu quả mà không cần tăng chiều cao của sàn hoặc tiết diện của cột Trong các biện pháp gia tăng khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng – cột BTCT, biện pháp lắp đặt cốt thép chịu cắt trong sàn là phổ biến và hiệu

quả nhất Các cốt thép chịu cắt này làm tăng khả năng chịu nén thủng và tránh sự phá hoại đột ngột của liên kết

Theo Menetrey (2002) [10] có 3 dạng phá hoại do nén thủng (Hình 1.15):

(1) Nhóm cốt thép chịu cắt bằng cốt thép thanh như cốt đai một nhánh, đai

vòng (closed-tie), các thanh thép uốn phối hợp từ hai bên nhịp lên gối (bent-up bars)

Lips cùng cộng sự (2012) [28] đã tiến hành thí nghiệm sử dụng cốt thép chịu cắt cho liên kết Kết quả chỉ ra rằng khi sử dụng hàm lượng cốt thép chịu cắt cao, khả năng chống nén thủng của liên kết có thể tăng từ 7% đến 40% tùy thuộc vào hàm lượng và chiều dày sàn so với liên kết không sử dụng cốt thép chịu cắt

(2) Nhóm cốt thép chịu cắt bởi các đinh tán đóng vai trò như các chốt neo

Hệ chịu cắt được cấu tạo từ các chốt được hàn vào các tấm kim loại cũng được

đề xuất để tăng cường khả năng kháng nén thủng của liên kết Mokhtar cùng cộng sự (1985) [33] và Elgabry và Ghali (1990) [14] (Hình 1.16) đã kết luận rằng việc sử dụng liên kết dạng chốt sẽ làm tăng khả năng kháng nén thủng của liên kết hiệu quả hơn so với sử dụng các thanh cốt cứng chịu cắt

(3) Nhóm cốt thép chịu cắt sử dụng chi tiết cốt cứng

Các phương pháp điển hình khác với khả năng chịu lực lớn hơn có thể kể đến như việc dùng các đoạn thép hình trực giao chịu cắt đi xuyên qua liên kết của Corley

và Hawkins (1968) (Hình 1.17) [11], dùng các chốt chịu cắt của Mokhtar cùng cộng

sự (1985) [33], Elgabry và Gali (1987) (Hình 1.18) [14], dùng tấm thép của Subedi

và Baglin (2003) (Hình 1.20 và Hình 1.21) [41], dùng hệ băng kháng cắt của Pilakoutas và Li (2003) (Hình 1.19) [36] và gia cường bê tông vùng liên kết bằng cốt thép sợi của Nguyễn Minh Long cùng cộng sự [35]

(a) Tiết diện chữ C

(b) Tiết diện chữ I

Hình 1.18: Sử dụng các chốt chịu cắt của Elgabry và Gali (1987) [14]

Hình 1.19: Hệ băng kháng cắt của Pilakoutas và Li (2003) [36]

Hình 1.20: Hệ liên kết chịu cắt “NUUL” của Subedi và Baglin (2003) [41]

Hình 1.21: Hình dạng phá hoại của liên kết “NUUL” khi bị nén thủng [41]

Kết quả thí nghiệm cho thấy liên kết chịu cắt “NUUL” có khả năng kháng nén thủng tốt nhưng các thớ trong tấm thép chưa đạt đến giới hạn chảy khi liên kết bị phá

hoại do đó không có tính kinh tế cao Tuy nhiên dạng liên kết này có khả năng liên kết được với cột CFT thông qua các đường hàn

1.3 Liên kết của sàn phẳng BTCT và cột CFT

Với những ưu điểm của kết cấu cột CFT và sàn phẳng BTCT, gần đây nhiều nhà khoa học đã đề xuất việc sử dụng cột CFT thay thế cột BTCT thông thường trong giải pháp kết cấu sàn phẳng BTCT Tuy nhiên, do tính không toàn khối của sàn BTCT

và cột CFT, nhiều tác giả đã nghiên cứu các phương pháp dùng các chi tiết chịu cắt được gắn cứng vào cột CFT để liên kết với sàn BTCT nhằm đảm bảo khả năng chịu nén thủng của liên kết Điều này đòi hỏi việc nghiên cứu và đề xuất loại liên kết kháng cắt đảm bảo khả năng chịu lực, dễ chế tạo, dễ thi công và tiết kiệm chi phí nhất Các liên kết mà các nhà nghiên cứu trên thế giới đề xuất cho loại kết cấu này đều có một điểm chung là sử dụng chi tiết thép hình chịu cắt (shear head) hoặc sườn chịu cắt (shear key) hàn tại phần cột CFT trong phạm vi sàn Chi tiết này sẽ liên kết với sàn phẳng BTCT để có thể truyền lực cắt do tải trọng đứng từ sàn truyền vào cột, điển hình là các liên kết của Satoh và Shimazak (2004) [37] (Hình 1.22), Su và Tian (2010) [40] (Hình 1.30 và Hình 1.31), Yan (2011) [44] (Hình 1.34 và Hình 1.36), Ju cùng cộng sự (2013) [21], Kim cùng cộng sự (2014) [23] (Hình 1.40), Đào Ngọc Thế Lực cùng cộng sự (2017) [1] (Hình 1.41), Nguyễn Quốc Nhật (2018) [2] (Hình 1.43) và Trần Phan Nhật (2018) [5] (Hình 1.46)…

Nghiên cứu của Satoh và Shimazaki (2004)

Satoh và Shimazaki (2004) [37] đã đề xuất một chi tiết liên kết mới giữa sàn phẳng BTCT với cột vuông CFT và tiến hành khảo sát thực nghiệm cũng như thiết lập công thức dự đoán khả năng chịu lực của liên kết

Hình 1.22: Chi tiết liên kết của Satoh và Shimazaki (2004) [37]

Vành cứng

Tấm thép liên kết

Các tấm thép liên kết được hàn vào các vành cứng và vỏ thép của cột CFT và liên kết với 4 đoạn thép tiết diện chữ H ở 4 phía mặt cột bằng liên kết bu-lông cường

độ cao (Hình 1.22) Cốt thép sàn không đi xuyên qua thân cột mà được uốn cong và dừng tại mặt cột

Tổng cộng có 3 chuỗi thí nghiệm được tác giả thực hiện để khảo sát ứng xử của liên kết: Chuỗi Fp cho khung, chuỗi Ps cho phần tử chịu cắt thủng và chuỗi Ts cho phần tử chịu xoắn (Hình 1.23) Các chuỗi thí nghiệm được miêu tả như sau:

(1) Chuỗi thí nghiệm thứ 1, Fp: Thiết kế của kết cấu khung mẫu dựa trên tiêu chuẩn AIJ-RC (1999) [9], từ kết quả phân tích sơ bộ, khung cột – tấm phẳng được giả thiết chịu khoảng 20% lực cắt tầng sinh ra trong động đất Mẫu thí nghiệm được

đỡ bởi gối tựa khớp ở biên sàn và chân cột Tải trọng đứng được tác động liên tục tại sàn cho mẫu Fp.1 và Fp.2; Tải ngang lặp với biên độ tăng dần được tác động tại đầu cột cho đến khi mẫu phá hoại

Hình 1.23: Mô hình thí nghiệm của Satoh và Shimazaki (2004) [37]

Kết quả thí nghiệm của chuỗi 1 cho thấy các mẫu Fp.1, Fp.2 và Fp.3 không bị phá hoại do cắt và cốt thép trong sàn bị chảy dẻo, khả năng chịu lực ngang lớn nhất

đo được bằng khả năng chịu uốn của sàn Đối với mẫu Fp.4, vết nứt cắt nghiêng 450

so với mặt cột xuất hiện với một phần bê tông bị ép vỡ Đối với mẫu Fp.5, khả năng

chịu lực lớn nhất phát triển từ cơ chế dẻo xoắn ở cạnh cột Kết quả đường quan hệ tải ngang – chuyển vị đầu cột cho thấy khả năng chịu lực của mẫu Fp.1 xấp xỉ mẫu Fp.3

và nhỏ hơn khoảng 25% so với khả năng chịu lực của mẫu Fp.2

Bảng 1.1: Thông số mẫu thí nghiệm chuỗi thứ 1 của Satoh và Shimazaki (2004) [37]

Mẫu thí

nghiệm Tấm thép liên kết

Thép chịu cắt liên kết Bề mặt

Tải trọng đứng

Tất cả các mặt 15 kN/m2 Fp.2 665

(Hình chữ thập) D6 @90 Fp.3

Hình 1.24: Mô hình thí nghiệm chuỗi số 2 của Satoh và Shimazaki (2004) [37]

Bảng 1.2: Thông số mẫu thí nghiệm chuỗi thứ 2 của Satoh và Shimazaki (2004) [37]

Mẫu thí

nghiệm Bê tông

Thép hình chữ H

Chốt chống cắt

Vết nứt ban đầu

do uốn

Cốt thép thanh

D6 @40

Ps.3 Fc 24

60×60×4×4 Ps.4 Fc 36

(* Chỉ có bụng đoạn thép hình H được liên kết)

Kết quả thí nghiệm cho thấy đối với các mẫu Ps.3, 4, 5, 6, 8, 9, 10 và 11 có đoạn thép hình chữ H liên kết, các vết nứt đầu tiên xuất hiện ở phần bên trên của thép hình H và các vết nứt hướng tâm xuất hiện như các vết nứt uốn Các vết nứt hướng tâm tiếp tục phát triển thành các vết nứt cắt − uốn khi tải gia tăng Các vết nứt do cắt phát triển từ cánh dưới của thép hình chữ H hướng xiên lên mặt trên của sàn (Hình 1.25) Đối với các mẫu Ps.1, 2, 7 và 13, vết nứt uốn đầu tiên xuất hiện từ tâm vành cứng và lan dần theo hướng xiên góc, sau đó các vết nứt hướng tâm xuất hiện

(c) Mặt cắt

Hình 1.25: Cấu hình vết nứt của mẫu Ps.8 [37]

(3) Chuỗi thí nghiệm thứ 3, Ts: Mẫu thí nghiệm được thiết kế với tỷ lệ khoảng

1/2.24 so với công trình mẫu, như trình bày trên Hình 1.26 Sàn có kích thước 600×600×135 mm có bề rộng lớn hơn khoảng 2.2 lần bề rộng cột Có tổng cộng 12 mẫu thí nghiệm được khảo sát với sự thay đổi các thông số gồm cường độ bê tông,

sự hiện hữu của chốt kháng cắt, sự hiện hữu của cốt thép gia cường theo phương dọc trục và phương uốn, sự hiện hữu của thép hình chữ H, sự tồn tại của vết nứt uốn ban đầu và bề rộng cột CFT (Bảng 1.3) Phần tiết diện CFT của các mẫu được ngàm chặt

và mô-men xoắn được tác động vào mép đối diện cột cho đến khi mẫu bị phá hoại

Hình 1.26: Chi tiết mẫu thí nghiệm chuỗi số 3 của Satoh và Shimazaki (2004) [37] Bảng 1.3: Thông số mẫu thí nghiệm chuỗi thứ 3 của Satoh và Shimazaki (2004) [37]

Thép thanh Thép hình

chữ H ban đầu Vết nứt

do uốn

Bề rộng của cột CFT (mm)

Theo phương dọc trục

Theo phương mô-men

fi9@90 D10@45 85x85x6x6 Ts.9

Theo phương dọc trục

Ts.10

Theo phương chịu uốn

Mẫu Ts.2

Hình 1.27: Cấu hình vết nứt các mẫu chuỗi thí nghiệm thứ 3 [37]

Nghiên cứu của Su và Tian (2010)

Su và Tian (2010) [40] đề xuất chi tiết liên kết bằng tấm thép tròn hàn vào cột tròn CFT để đỡ sàn tấm phẳng BTCT cho công trình nhà nhiều tầng chịu tác dụng