Nghiên cứu khả năng chịu cắt tại liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bẹt bê tông cốt thép

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN QUANG KHẢI NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU CẮT TẠI LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BẸT BÊ TÔNG CỐT THÉP Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình Dân dụng cơng nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Trần Quang Khải MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ANH MỤC C C ẢNG ANH MỤC C C H NH MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Kết dự kiến Bố cục đề tài CHƢƠNG TỔNG QUAN CỘT CFST, DẦM BẸT BTCT, LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI HỆ DẦM 1.1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFST 1.1.1 Khái niệm cột ống thép nhồi bê tông 1.1.2 Phân loại cột ống thép nhồi bê tông 1.1.3 Ƣu điểm, nhƣợc điểm cột ống thép nhồi bê tông 1.1.4 Khả áp ụng 1.2 TỔNG QUAN VỀ SÀN PHẲNG KẾT HỢP DẦM BẸT BTCT 1.2.1 Sàn phẳng có dầm bẹt 1.2.2 Ứng dụng sàn phẳng có dầm bẹt 10 1.3 TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP LIÊN KẾT CỘT CFST VỚI DẦM BẸT BTCT12 1.3.1 Nghiên cứu Nie (2008) Bai (2008) 12 1.3.2 Nghiên cứu Qing Jun Chen (2015) 14 1.3.3 Nghiên cứu H.Y.Yu (2013) 15 1.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG 17 CHƢƠNG NGHIÊN CỨU C C CƠ CHẾ TRUYỀN LỰC CẮT 18 2.1 C C CƠ CHẾ TRUYỀN LỰC CẮT QUA VẾT NỨT NGHIÊNG 18 2.2 SỰ CÀI KHÓA CỦA CÁC CỐT LIỆU 19 2.3 KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA BÊ TÔNG VÙNG NÉN 21 2.4 KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA CỐT ĐAI 22 2.5 ĐÓNG GÓP CỦA CỐT DỌC VÀO KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM 23 2.6 HOẠT ĐỘNG CHỊU CẮT CỦA SHEAR-KEY 25 2.7 KẾT LUẬN CHƢƠNG 26 CHƢƠNG KHẢO SÁT LIÊN KẾT BẰNG THỰC NGHIỆM 27 3.1 CHẾ TẠO MẪU, THIẾT BỊ VÀ THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM 27 3.1.1 Cấu tạo liên kết cột CFST – dầm bẹt BTCT thiết kế mẫu thí nghiệm 27 3.1.2 Chế tạo mẫu thí nghiệm 29 3.1.3 Tiến hành đổ bê tông mẫu 31 3.1.4 Thí nghiệm xác định cƣờng độ vật liệu 32 3.1.5 Thiết bị thí nghiệm 35 3.1.6 Thiết lập, bố trí thí nghiệm 39 3.1.7 Kết thí nghiệm quan sát 40 3.1.8 Tính tốn xác minh lý thuyết tính tốn 44 3.2 KẾT LUẬN CHƢƠNG 27 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ ( ẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU CẮT TẠI LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BẸT BÊ TÔNG CỐT THÉP Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 60.58.02.08, Khóa 33, Trƣờng Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Giải pháp kết cấu kết hợp cột ống thép nhồi bê tông (CFST) với dầm bẹt bê tông cốt thép đƣợc sử dụng hiệu cho cơng trình nhà cao tầng với kích thƣớc nhịp lớn nhằm tăng độ cứng ngang, giảm chiều dài tính tốn cho kết cấu sàn đồng thời hạn chế chiều cao tầng so với dầm thông thƣờng Đối với hệ kết cấu dầm bẹt - cột CFST, làm việc liên tục dầm cột đƣợc kết nối chốt thép chịu cắt (shear – key) Hiện nay, hầu hết tiêu chuẩn chƣa đề cập đến việc tính tốn khả chịu cắt vị trí liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bẹt bê tông cốt thép nghiên cứu vấn đề Cơ chế truyền lực cắt vị trí liên kết chƣa đƣợc hiểu rõ o đó, luận văn thực phân tích ảnh hƣởng chế truyền lực cắt khác đến khả chịu cắt dầm bẹt vị trí liên kết từ xác định đóng góp chế đến khả chịu cắt dầm làm cho việc đánh giá đề xuất giải pháp nâng cao khả chịu cắt dầm Luận văn thực thí nghiệm ứng xử chịu cắt dầm liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bẹt bê tơng cốt thép kết tính toán từ chế truyền lực cắt đƣợc xác thực với kết thí nghiệm Từ khóa - Ống thép nhồi bê tông; bê tông cốt thép; cột, dầm bẹt, liên kết; chế truyền lực cắt Studying Shear Capacity In Concrete Filled Steel Tube To Reinforcement Concrete Band Beam Connection Abstract: The combination of concrete filled steel tube (CFST) column with reinforced concrete (RC) band beams is effectively used for tall buildings with large spans to increase the horizontal stiffness, to reduce the calculated length for the floor structure and to limit floor height compared to normal beams For band beam – CFST column structures, the continuous behavior between the beam and the column is performed by shear-keys At present, most of the standards not deal with the calculation of the cutting resistance at the CFST column - RC beam connection and the studies on this issue are very few The mechanism of cutting force at the linking site is not well understood This article analyzes the effect of different shear transfer mechanisms on the punching shear of the beam at the connection, thereby determining the contribution of each mechanism to the punching shear of the beam for evaluating and proposing solutions to improve the punching shear capacity of the beam This paper also conducts experiments for evaluate the shear behavior of the beam at the connection of CFST columns with RC band beam These test results will be used to validate the proposed analysis Key words - Concrete Filled Steel Tube; reinforced concrete; column, band beam; connection; shear transfer mechanisms DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CFST : Concr t ill st l tu (Ống th p nhồi ê tông Vagg : Khả kháng cắt chế cài khóa cốt liệu Vch : Khả kháng cắt vùng nén bê tông Vdow : Khả kháng cắt cốt dọc Vsw,i : Khả kháng cắt cốt đai Vv : Khả kháng cắt shear - key Vtot : Khả kháng cắt cấu kiện b : Bề rộng cấu kiện h : Chiều cao cấu kiện pu w : Cƣờng độ chịu nén vữa : Bề rộng vết nứt : Độ trƣợt vết nứt db : Đƣờng kính cốt thép Esw : Mơ đun đàn hồi cốt đai sw : Hệ số đàn hồi lcr : Chiều dài vết nứt f ys : Cƣờng độ chịu uốn cốt thép s ldow dow fct : Ứng suất cắt : Chiều ài đoạn cốt dọc bị võng : Độ võng cốt dọc : Cƣờng độ bám dính bê tơng c1 ch Vch ch : Chiều dài lớp bê tông bảo vệ : Ứng suất cắt vùng nén bê tông : Lực cắt vùng nén bê tông : Ứng suất pháp vùng nén bê tông Nch : Lực dọc vùng nén bê tông c : Chiều cao vùng nén bê tông : Hệ số ma sát b ,v : Hệ số DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng Trang 3.1 Kết thí nghiệm ê tơng 35 3.2 Kết thí nghiệm cốt th p 35 3.3 Các thông số vết nứt cắt 44 3.4 Các thông số cốt th p 44 3.5 Các thông số kích thƣớc mẫu thí nghiệm 45 3.6 Khả chịu cắt ầm th o chế truyền lực cắt (kN 45 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình Trang 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 Cấu tạo cột ống th p nhồi ê tơng Mặt cắt điển hình cột ống th p nhồi ê tông Cột ống th p nhồi ê tông với hai lớp ống th p Cột CFST đƣợc ao ê tông (Concr t -encased CFST) Cột CFST tăng cƣờng kết cấu th p cốt th p gia cƣờng CFST với sƣờn tăng cứng Một số tiết iện tổ hợp từ cột CFST Ví ụ cầu đƣợc x y ựng ằng kết cấu CFST Sàn phẳng có ầm ẹt Cơng trình sử ụng sàn phẳng kết hợp ầm ẹt Hình ạng liên kết đề xuất ởi Ni Thí nghiệm xác minh khả chịu lực ọc liên kết Thí nghiệm xác định khả chịu động đất cột Thí nghiệm xác định khả chịu động đất cột biên Hệ thống ầm xuyên qua liên kết Thí nghiệm mẫu nguyên hình kiểm tra riêng vùng liên kết Cấu tạo liên kết thí nghiệm kiểm tra Hình ạng phá hoại liên kết ầm vòng Hình ạng vết nứt ị phá hoại vùng liên kết ầm vòng Cơ chế truyền lực cắt qua vết nứt nghiêng Cơ chế cài khóa cốt liệu Cơ chế chịu cắt vùng n n ê tông Cơ chế chịu cắt cốt đai Cơ chế chịu cắt cốt ọc Hoạt động chịu cắt sh ar - key Cấu tạo liên kết Chọn kích thƣớc ầm Chọn kích thƣớc ầm Cơng tác lắp đặt cốt th p cho mẫu thí nghiệm Công tác lắp đặt strain gaug vào cốt đai ố trí cốt th p cho mẫu vị trí, kí hiệu Strain gaug 4 5 6 11 12 13 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 13 14 14 15 16 16 17 18 20 21 23 24 25 27 28 29 29 30 30 Số hiệu 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.20 3.21 3.22 3.23 3.24 3.25 3.26 3.27 3.28 3.29 3.30 Tên hình Mẫu thí nghiệm sau hồn thành cơng tác chế tạo Đổ ê tơng cho mẫu thí nghiệm Mẫu thí nghiệm sau hồn thành cơng tác đổ ê tơng Cơng tác lấy mẫu ê tơng 150x150mm để thí nghiệm Cơng tác lấy mẫu ê tơng 150x300mm để thí nghiệm Thí nghiệm mẫu ê tơng 150x300mm Thí nghiệm mẫu ê tơng 150x150mm Thí nghiệm cƣờng độ cốt th p Cảm iến đo iến ạng (strain gaug s Cảm iến đo chuyển vị LV T Máy ơm ầu ùng cho thí nghiệm Kích thủy lực 250 (tấn Sơ đồ ố trí thí nghiệm Thiết lập thí nghiệm Hệ thống thu ữ liệu từ cảm iến Sự phát triển vết nứt cấp tải 300kN Sự phát triển vết nứt cấp tải 400kN Sự phát triển vết nứt cấp tải 500kN Sự phát triển vết nứt cấp tải 628kN Đồ thị tải trọng – chuyển vị Đồ thị iến ạng cốt đai Sự ph n ố vết nứt ầm ị phá hoại iểu đồ thể đóng góp chế iểu đồ thể khả kháng cắt th o lý thuyết thí nghiệm Trang 31 31 32 32 33 33 34 34 36 37 38 38 39 39 40 41 41 42 42 43 43 44 45 46 2.3 Thí nghiệm xác định cường độ vật liệu Bảng Kết thí nghiệm bê tơng STT Kích thước mẫu Thí nghiệm ngày uốn mẫu dầm fc test (MPa) ft, test (MPa) 150×300 29.70 3.00 150×150 36.23 - Bảng Kết thí nghiệm kéo cốt thép STT (mm) A(mm2) fy(MPa) 50.24 300 20 314.0 454 22 379.9 454 Cấp tải P = 400 kN vết nứt phát triển thêm, vài vết nứt phát triển Bề rộng vết nứt nghiêng lớn đo wcr = 0.1mm, góc nghiêng vết nứt cr = 50o, chiều cao bê tông vùng nén đỉnh vết nứt nghiêng c = 120mm Tại P = 500 kN vết nứt nghiêng từ đặt tải phát triển cánh shear-head với góc nghiêng 45o, chiều cao bê tơng vùng nén đỉnh vết nứt nghiêng c = 10cm, Bề rộng vết nứt nghiêng lớn đo wcr = 0.5mm Cấp tải Pu = 628 kN, vết nứt uốn lớn cạnh cột wcr = 2mm, vết nứt nghiêng lan nhanh đỉnh Shear-head, bề rộng vết nứt không phát triển đáng kể với wcr,max = 1.0mm, dầm chuyển vị nhanh không tiếp nhận thêm tải trọng, bê tông vùng nén mặt dầm gần mặt cột bị ép vỡ, dầm phá hoại Qua quan sát trạng thái vết nứt cho thấy dầm bị phá hoại uốn, vết nứt nghiêng chưa phát triển hết Như khả chịu cắt dầm lớn so với khả chịu uốn Kết cường độ vật liệu bảng giá trị trung bình tổ mẫu thí nghiệm 2.4 Thiết lập thí nghiệm Cách bố trí, xếp thí nghiệm thể sơ đồ Hình 5, Hình hình ảnh thực tế thiết lập mẫu phòng thí nghiệm Mẫu thí nghiệm bố trí hệ khung gia tải gồm hệ hai neo có đường kính 36mm chế tạo thép cường độ cao, đầu neo vào dầm đầu neo vào hệ móng bên Tải trọng thí nghiệm thực qua kích thủy lực với sức nâng 2500kN đặt chân cột Cảm biến đo áp lực dầu xác định lực tác dụng kích, LVDT đo chuyển vị đầu cột bố trí Hình P=300kN P=400kN P=500kN P=628kN Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm Hình Diến biến trình phát triển vết nứt Trên Hình đồ thị quan hệ tải trọng chuyển vị dầm thí nghiệm, cho thấy từ cấp tải P = 550kN tải trọng tăng chậm biến dạng phát triển nhanh, điều phù hợp với quan sát từ mơ hình vết nứt thẳng góc cạnh cột phát triển nhanh hơn, chuyển vị đứng cột tăng nhanh vết nứt cắt không phát triển Dầm bị phá hoại uốn Hình Thiết lập thí nghiệm 2.5 Kết thí nghiệm quan sát Thực gia tải cho mẫu với cấp tải Pi=50kN, giữ tải chuyển vị LVDT biến dạng Strain gauges ổn định, thời gian giữ tải cấp phút quan sát ứng xử mẫu Hình thấy được: Tại cấp tải P = 200 kN xuất vết nứt nhỏ mặt dầm vị trí gần cạnh cột; Tiếp tục tăng tải trọng đến cấp tải P=300 kN vết nứt uốn lan bề mặt xuống mặt bên dầm, xu hướng vết nứt thẳng góc xiên dần xuống bụng dầm 106 04.2018 Hình Đồ thị tải trọng – chuyển vị Hình Đồ thị biến dạng cốt đai Trong thí nghiệm khảo sát biến dạng cốt đai cách bố trí Strain gauge nhánh cốt đai Kết thu Hình cho thấy ứng xử cốt đai tương đối phức tạp biến dạng cốt đai phụ thuộc lớn vào số lượng vết nứt bề rộng vết nứt cắt qua cốt đai Kết luận Hệ kết cấu sử dụng cột CFST – dầm bẹt BTCT nhà cao tầng giải pháp kết cấu với nhiều tiềm ứng dụng cần khai thác sử dụng kết cấu cơng trình hiệu kinh tế - kỹ thuật mang lại Bài báo đã giới thiệu kiểu cấu tạo liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bẹt BTCT sử dụng Shear-key dạng thép hình chữ H hàn trực tiếp vào mặt cột đóng vai trò tiếp nhận tải trọng đảm bảo làm việc chung dầm - cột Bài báo trình bày thí nghiệm thực với mẫu có kích thước lớn để khảo sát ứng xử nứt dầm qua giai đoạn tải trọng biến dạng cốt đai quan sát Những kết cung cấp hiểu biết rõ trạng thái làm việc dầm liên kết cột CFST - dầm bẹt BTCT sở để vận dụng điều chỉnh tính tốn thiết kế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nie J., Bai Y and Cai C S., "New Connection System for Confined Concrete Columns and Beams I: Experimental Study", J Struct Eng., 2008, 2008 [2] Bai Y., Nie J and Cai C S., "New Connection System for Confined Concrete Columns and Beams II: Theoretical Modeling", J Struct Eng.2008, 2008 [3] Chen; Q., Cai; J., ; M A B., Dist.M.ASCE, Liu; X and Y W., "Axial Compressive Behavior of Through-Beam Connections between Concrete-Filled Steel Tubular Columns and Reinforced Concrete Beams", J Struct Eng, 2015 [4] Yu; H Y., Zhou; Y., Qu; G., Zhang; L., Chen; Y and Hu; K., "Experimental Study on LargeScale Joints of Ring Beams and RC-CFSTL Columns for Tall Buildings", 5th International Conference on Advances in Experimental Structural Engineering, 2013 04.2018 107 Khả chịu cắt liên kết cột ống thép nhồi bêtông với dầm bẹt bêtông cốt thép: Phần – Cơ chế truyền lực cắt Shear capacity in concrete filled steel tube to reinforcement concrete band beam connection – Part 2: Shear transfer mechanisms Ngày nhận bài: 9/01/2018 Ngày sửa bài: 15/02/2018 Ngày chấp nhận đăng: 25/03/2018 TÓM TẮT: Hiện nay, hầu hết tiêu chuẩn chưa đề cập đến việc tính tốn khả chịu cắt vị trí liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bẹt bê tông cốt thép nghiên cứu vấn đề hạn chế Cơ chế truyền lực cắt vị trí liên kết chưa hiểu rõ Bài báo phân tích ảnh hưởng chế truyền lực cắt khác đến khả chịu cắt dầm bẹt vị trí liên kết từ xác định đóng góp chế đến khả chịu cắt dầm làm cho việc đánh giá đề xuất giải pháp nâng cao khả chịu cắt dầm Các chế xác thực với kết thí nghiệm Từ khóa: Ống thép nhồi bê tơng, Dầm bẹt, Liên kết, Bê tông cốt thép (BTCT), Cơ chế truyền lực cắt ABSTRACT: At present, most of the standards not mention the calculation of shear capacity at the connection of concrete filled steel tube column with reinforced concrete beams and the researches on this issue are still limited The mechanisms of shear transfer at the connecton is not well understood This article analyzes the effect of different shear transfer mechanisms on the shear capacity of the beam at the connection, thereby determining the contribution of each mechanism to the shear capacity of the beam Based on the above understandings, solutions can be proposed to improve the shear capacity of the beam These mechanisms will be validated with test result Keywords: Ống thép nhồi bê tông, Dầm bẹt, Liên kết, Bê tông cốt thép, Shear transfer mechanism Đào Ngọc Thế Lực1, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng Trương Quang Hải2, ,4 Trường Đại học Xây Dựng Miền Trung Trần Quang Khải3, Trung tâm Quy hoạch Kiểm định Xây dựng Khánh Hòa Nguyễn Minh Tuấn Anh4 ,4 Trường Đại học Xây Dựng Miền Trung Đào Ngọc Thế Lực, Trương Quang Hải, Trần Quang Khải, Nguyễn Minh Tuấn Anh Giới thiệu Hiện nay, kết cấu nhà cao tầng chủ yếu sử dụng cột BTCT truyền thống Cột ống thép nhồi bêtông (CFST) được biết đến một loại kết cấu có ứng xử tốt với khả chịu lực, khả thi công nhanh, không tốn kém các chi phí và thời gian cho cơng tác ván khn, đó, giải pháp kết cấu kết hợp cột ống thép nhồi bê tông với dầm bẹt bê tông cốt thép sử dụng mang lại hiệu cho cơng trình nhà cao tầng với kích thước nhịp lớn nhằm tăng độ cứng ngang, giảm chiều dài tính tốn cho kết cấu sàn đồng thời hạn chế chiều cao tầng so với dầm cao Đối với hệ kết cấu dầm bẹt - cột CFST, làm việc liên tục sàn cột kết nối chốt thép chịu cắt (shear – key) Do đó, cần đánh giá khả chịu cắt dầm liên kết Hiện nay, hầu hết tiêu chuẩn chưa đề cập đến việc tính tốn khả chịu cắt dầm vị trí liên kết, nghiên cứu vấn đề hạn chế Cơ chế truyền lực cắt vị trí liên kết chưa hiểu rõ Bài báo phân tích ảnh hưởng chế truyền lực cắt khác đến khả chịu cắt dầm bẹt vị trí liên kết từ xác định khả chịu cắt cho dầm Các chế truyền lực cắt tính tốn so sánh với kết thí nghiệm Đối với kết cấu bê tông cốt thép thông thường kết cấu bê tông cốt thép hỗn hợp chịu tác dụng lực cắt dầm xuất vết nứt nghiêng Theo vị trí vết nứt nghiêng hình thành xuất thành phần lực để chống lại lực cắt Các thành phần lực kháng cắt bao gồm: Sự cài khóa cốt liệu, Vagg - Aggregate interlock; Sự kháng cắt bê tông vùng nén, Vch - Concrete compressive zone; Sự kháng cắt cốt dọc, Vdow - Dowel action ; Sự làm việc cốt đai, Vsw,i - Transverse reinforcement ; Sự làm việc Shear – key, V (Hình 1) Hình Cơ chế chuyển lực cắt qua khe nứt nghiêng Như vậy, khả chịu cắt dầm tổng kháng cắt chế thể qua công thức tổng quát sau: Vtot  Vch  V  Vagg  Vdow   Vsw,i (1) Các chế truyền lực cắt qua vết nứt nghiêng 2.1 Sự cài khóa cổt liệu (Aggregate interlock) 108 04.2018 Khi chịu tác dụng lực cắt dầm xuất vết nứt nghiêng gây kéo tách trượt hai phần dầm Vì cường độ viên đá lớn so với bê tông nên vết nứt phá hoại mạch vữa làm cho cạnh viên đá thò mặt đối diện bề mặt vết nứt tạo nên cài khóa lẫn cốt liệu (Hình 2) Sự đóng góp chế vào khả chịu cắt dầm phụ thuộc vào thô ráp bề mặt vết nứt, loại cốt liệu, chiều sâu nhúng đá vào vữa xi măng, độ lớn trượt mở rộng vết nứt Hình Cơ chế chịu cắt bê tơng vùng nén Hình Ảnh hưởng cốt đai Ứng suất cắt vùng bêtơng chịu nén có dạng hình parabol giai đoạn đầu gia tải (vùng đàn hồi) giai đoạn phá hoại, ứng suất cắt cực đại nằm vị trí trục trung hòa vùng bê tơng chịu nén [3] Để đơn giản tính tốn, phân bố ứng suất cắt vch ứng suất pháp σch bê tông vùng nén tính theo cơng thức (6): V N (6) v ch  ch  ch ch b.c b.c Dưới lực tác dụng tải trọng Pi, ứng suất cắt ứng suất pháp vùng bêtông chịu nén gia tăng theo tỷ lệ thuận với số λk σch = λk v ch (7) Hình Cơ chế Aggregate interlock Như phân tích, vết nứt xuất cấu kiện bêtơng phá hoại lực bám dính hay nói cách khác tách rời liên kết vữa xi măng cốt liệu không phá hoại cốt liệu lớn Khi bề mặt vết nứt xuất ứng suất ứng suất tiếp τagg ứng suất pháp σagg Ứng suất tiếp τagg xuất cốt liệu trượt lên tạo lực ma sát để kháng cắt Ứng suất pháp σagg xuất vết nứt chưa phá vỡ liên kết hạt xi măng cốt liệu lực dính hạt xi măng cốt liệu để chống lại lực cắt Các ứng suất tính theo công thức (2) (3): (2) σ agg = σpu (A s - μA w ) τ agg = σpu (A w + μA s ) (3) Cường độ chịu nén vữa σpu phụ thuộc vào khả chịu nén bê tông fc hệ số ma sát μ = 0.5 (Hình 2) xác định theo biểu thức (4): σpu = 5.83fc0.63 (4) Diện tích tiếp xúc Aw As phụ thuộc vào bề rộng vết nứt w, độ trượt vết nứt s, đường kính cốt liệu lớn dg tỷ lệ cốt liệu đơn vị thể tích bê tơng ρk Từ mơ hình mơ vết nứt cắt Hình [1], [2], diện tích tiếp xúc Aw As xác định theo công thức tổng quát (5): d2 D (5) Ai  d k  F  dg  Gk (  s , w, D).dD (i = w, s)   Sự đóng góp chế truyền lực cắt xác định cách tính tốn ứng suất trung bình xảy vị trí vết nứt cắt từ giai đoạn bắt đầu gia tải đến giai đoạn phá hoại Vì bề rộng độ trượt vết nứt tăng dần theo mức độ tăng tải nên đóng góp chế vào khả kháng cắt giảm dần từ giai đoạn bắt đầu gia tải đến giai đoạn cực hạn 2.2 Khả chịu cắt bê tông vùng nén (Concrete compressive zone) Cơ chế khả chịu cắt cấu kiện vùng bêtông chịu nén Khi cấu kiện bêtông chịu mô men, tiết diện bê tơng hình thành vùng kéo nén Tác dụng lực nén làm tăng khả chịu cắt bê tông hạn chế phát triển vết nứt cắt Khả kháng cắt vùng bêtông chịu nén phụ thuộc vào cường độ chịu nén bêtơng, kích thước cấu kiện, vị trí trục trung hòa phân bố lực nén (8) Trong đó: λ k  lx ,cr / c lx,cr chiều dài vết nứt cắt chiếu lên trục dầm, c chiều cao bê tông vùng nén, b bề rộng dầm 2.3 Khả chịu cắt cốt đai (Transverse reinforcement) Đối với cấu kiện bê tông cốt thép, cốt đai khơng đóng vai trò việc tạo hình cho cấu kiện mà đóng vai trò quan trọng việc tham gia vào khả chịu cắt cấu kiện Khi cấu kiện chịu lực cắt bề mặt xuất vết nứt nghiêng, lúc cốt đai đóng vài trò ngăn cản tách hai phần dầm vết nứt phát triển, tạo lực để ngăn cản phát triển vết nứt Khi dầm chịu cắt, dầm xuất nhiều vết nứt nghiêng với chiều dài bề rộng khác Tuy nhiên, khả chịu cắt lớn cốt đai tính tốn dựa vào vết nứt hay nói cách khác vết nứt có chiều dài bề rộng vết nứt lớn Khả đóng góp chế vào khả kháng cắt cấu kiện phụ thuộc lớn vào mô đun đàn hồi cốt đai, đường kính cốt đai, chiều dài, bề rộng vết nứt chính, chiều dài neo cốt đai xác định theo công thức (9) w π (9) Vsw =  db2E sw εsw,i ; εsw,i =  cr lsw Trong đó: wcr: bề rộng vết nứt; lsw: chiều dài cốt đai; Esw: mô đun đàn hồi cốt đai; db: đường kính cốt đai (Hình 4) Cơng thức (9) cho thấy hình dáng vết nứt đóng vai trò quan trọng khả kháng cắt cốt đai tạo Vết nứt phát triển qua nhiều cốt đai khả đóng góp chế lớn Bề rộng vết nứt lớn làm cho cốt đai giãn dài lớn gây ứng suất lớn cốt đai, nhiên độ giãn dài cốt đai thiết kế không nên vượt miền đàn hồi 2.4 Đóng góp cốt dọc vào khả kháng cắt dầm (Dowel action) Đối với chế truyền lực cắt cốt dọc đóng vài trò “chốt” (dowel) để ngăn cản tách bêtông theo phương ngang vết nứt nghiêng cắt qua Việc kích hoạt hoạt động chịu cắt cốt thép dọc đòi hỏi mức độ chuyển vị cốt dọc dow (Hình 5) liên quan đến chuỗi hiệu ứng vùng nứt, chẳng hạn uốn cốt dọc hiệu ứng thứ cấp bê tông breakout concrete spalling concrete trạng thái tới hạn Sự hoạt động chịu cắt cốt dọc tóm tắt qua 02 giai đoạn: + Giai đoạn 1: Vết nứt cắt ngang cốt dọc chưa tách rời bêtơng 04.2018 109 Hình Cơ chế chịu cắt cốt dọc Hình Hoạt động chịu cắt Shear-key (Dowel action) + Giai đoạn 2: Vết nứt phá hoại bêtông lớp bêtông bảo vệ tách rời khỏi cốt dọc đồng thời gây chuyển vị cốt dọc dow Khả kháng cắt chế phụ thuộc vào: đường kính cốt dọc, cách bố trí cốt dọc, bề rộng mặt tiếp xúc bêtông cốt thép vị trí phá hoại cường độ chịu cắt bêtông Theo [5] lực cắt thành phần hoạt động dowel gồm lực cắt uốn Vdow,u (10), lực cắt Vdow,br (11) đóng góp Vdow,sp (12) Vdow,u = db3 fys 1- σ y fys  cos  ldow Δ dow  (10) 3.ldow   π Vdow,br = db2 0.5+ 2.75 fct Vdow,sp = c1.cotg.fct (11) (12) Trong đó: db đường kính cốt dọc; fys giới hạn chảy cốt dọc; fct cường độ chịu kéo bê tông; c1 chiều dày lớp bê tơng bảo vệ;  góc nghiên vết nứt; dow chuyển vị đứng cốt dọc; ldow nhịp hoạt động dowel Tổng kháng cắt hoạt động dowel xác định công thức (13) (13) Vdow = Vdow,u  Vdow,br  Vdow,sp Các nghiên cứu cho thấy chế đóng góp khơng đáng kể đến khả kháng cắt dầm 2.5 Hoạt động chịu cắt Shear-key Shear key đoạn thép hình tiết diện H hàn cứng vào thành ống thép dùng để kết nối dầm cột đảm bảo làm việc liên tục nút Cánh Shear - key đóng vai trò gối đỡ cho chống phát triển Trong trường hợp cụ thể, độ dài shear-key ảnh hưởng đến hình dáng chống Khi lực tác dụng tăng lên tạo ứng suất lớn chịu nén gây vết nứt nghiêng Vết nứt cắt qua shear-key phát triển bên shear-key Tại trạng thái tới hạn, hai phần dầm xoay quanh trục bên cánh shear-key, xoay gây trượt dầm khỏi shear-key Độ lớn lực xoay cần thiết để tạo trượt liên quan trực tiếp đến bề rộng vết nứt cắt Như vậy, đóng góp shear-key vào khả chịu cắt dầm lực dính phần bê tơng với bề mặt shear key phân chia vết nứt nghiêng cắt qua Theo [5] độ lớn lực cắt tính theo cơng thức (14) (14) Vν  2.b,v b v c v cot  ; b,v ,max  0.5Mpa;  v ( b,v ,max )  0.1mm Trong đó: bv, cv bề rộng chiều cao shear - key; hệ số ma sát  = 0.8 Lực cắt ma sát tổng hợp shear-key phần bê tơng bị tách rời tính tốn dựa toàn vết nứt cắt ngang qua phần cánh shear- key Tuy nhiên,với vết nứt không cắt ngang Shear- key khơng tham gia chịu cắt Xác định khả chịu cắt dầm bẹt P=628kN Hình Sự phân bố vết nứt dầm lúc phá hoại 110 04.2018 Từ kết thí nghiệm liên kết dầm bẹt cột ống thép nhồi bê tông cho thấy mơ hình vết nứt dầm Hình kết đo đạc vết nứt cắt Bảng 1, với chế truyền lực cắt phân tích, thực tính tốn đóng góp chế vào khả chịu cắt dầm Kết cho Bảng Bảng Các thơng số vết nứt cắt Góc nghiêng Bề rộng Số cốt đai vết Chiều cao Cấp tải Pi(kN) vết nứt nứt nghiêng vùng bê tông vết nứt cr w(mm) cắt qua chịu nén (mm) (độ) P =100%Pu = 628 1.0 400 lớp/ nhánh 60 Bảng Khả chịu cắt dầm theo chế truyền lực cắt (kN) Shear Lực Aggregate Dowel Shear Compressive reinforcement ΣVi Vtest cắt Interlock action key zone Vsw1 Vsw2 Vi(kN) 15.16 0.14 0.0 189.2 131.95 336.5 314.0 Qua kết tính tốn thấy rằng: - Khả kháng cắt chế Aggregate Interlock đóng góp khơng đáng kể vào khả chịu cắt giai đoạn phá hoại dầm; - Hoạt động dowel bé, nên tính tốn khả chịu cắt cốt dọc bỏ qua; - Vết nứt nghiêng chủ đạo (có bề rộng vết nứt lớn nhất) khơng cắt qua Shear – key, nên không tồn lực cắt Shear key gây ra; - Lực cắt bê tông vùng nén cốt đai chiếm tỉ lệ lớn tổng khả chịu cắt dầm; - Và tổng lực cắt tính tốn theo chế chênh lệch khơng đáng kể so với kết thí nghiệm chứng tỏ độ tin cậy mơ hình tính tính hợp lý đóng góp chế Hình Sự đóng góp khả chịu cắt chế đến khả chịu cắt dầm Từ kết tính đối chiếu với thực nghiệm cho thấy, lực cắt bê tông vùng nén cốt thép đai đóng vai trò quan trọng chiếm phần lớn khả chịu cắt dầm Do đó, tính tốn thiết kế cần kể đến hai thành phần khả chịu cắt dầm, chế lại đóng góp khơng đáng kể xem tăng độ an toàn cho dầm chịu cắt Kết luận: Bài báo thực phân tích ứng xử chịu cắt liên kết cột CFSTdầm bẹt BTCT nhằm thực phân tích chế chuyển lực cắt đề xuất tính tốn đóng góp chế đến khả chịu cắt tổng thể dầm Kết tổng lực cắt theo mơ hình tính tốn trình bày báo tương đồng với kết thí nghiệm chứng tỏ độ tin cậy mơ hình tính Kết tính cho thấy lực cắt bê tơng vùng nén cốt thép đai chiếm phần lớn khả chịu cắt dầm, tính tốn thiết kế người thiết kế chủ yếu tập trung nâng cao khả chịu cắt bê tông cốt đai TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Walraven JC Aggregate interlock: a theoretical and experimental analysis,Technical Report 1628-481-7 Delft University Press; 1980 [2] Paulay T, Loeber PJ Shear transfer by aggregate interlock, ACI Special Publication SP-42, vol 42, p 1–16, http://dx.doi.org/10.14359/17277 [3] Taylor HPJ Further tests to determine shear stresses in reinforced concrete beams Technical Report, TRA 438 Cement and Concrete Association UK; February 1970 [4] Chana PS Investigation of the mechanism of shear failure of reinforced concrete beams Mag Concr Res 1987;39(141) [December] [5] Bompa, D V and Elghazouli, A Y (2015), "Ultimate shear behaviour of hybrid reinforced concrete beam-to-steel column assemblages", Engineering Structures, 101, pp 318-336 ... chống ăn mòn ống thép tốt dễ liên kết với dầm bê tông cốt thép dầm thép hệ kết cấu công trình Ống thép B tông Ống thép Cốt thép mềm B tông Ống thép Cốt thép mềm B tông Cốt thép mềm Hình 1.4 Cột. .. chịu cắt dầm liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bẹt bê tơng cốt thép kết tính tốn từ chế truyền lực cắt đƣợc xác thực với kết thí nghiệm Từ khóa - Ống thép nhồi bê tông; bê tông cốt thép; ... cột Sự đóng góp đến khả chịu lực cột đƣợc x m x t nhƣ khả kết hợp kết cấu thép với phần cột CFST Cốt thép hình Ống thép Lõi b tông Ống thép Lõi b tông Ống thép Lõi b tông Cốt thép mềm Lõi bêtông