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

TÓM TẮT Trong luận văn này, ứng xử cắt thủng của liên kết giữa sàn phẳng bê tông cốt thép và cột ống thép nhồi bê tông được nghiên cứu dựa trên phương pháp mô phỏng số.. Trong nghiên cứu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-CHÂU LẢNH

ỨNG XỬ CẮT THỦNG CỦA LIÊN KẾT GIỮA SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

VÀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số ngành: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2020

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS THÁI SƠN

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: PGS TS NGÔ HỮU CƯỜNG

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS NGUYỄN MINH LONG

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS NGUYỄN DUY LIÊM

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày 13 tháng 01 năm 2020

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch hội đồng: PGS TS Hồ Đức Duy

2 Thư ký: TS Đoàn Ngọc Tịnh Nghiêm

3 Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Minh Long

4 Phản biện 2: TS Nguyễn Duy Liêm

5 Ủy viên: PGS TS Lê Anh Thắng

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS HỒ ĐỨC DUY PGS.TS LÊ ANH TUẤN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 28/07/1993 Nơi sinh: Phú Yên

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN Mã số: 60580208

I TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG XỬ CẮT THỦNG CỦA LIÊN KẾT GIỮA SÀN PHẲNG

BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Xây dựng mô hình số bằng phần mềm phần tử hữu hạn ABAQUS cho phép dự đoán tin cậy ứng xử cắt thủng của liên kết giữa sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) và cột ống thép nhồi bê tông (Concrete-Filled Steel Tube (CFT))

2 So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thí nghiệm để chứng tỏ sự hợp lý, tính hiệu quả và độ tin cậy của phương pháp và quy trình mô phỏng

3 Khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số thiết kế (chiều dài chi tiết chống cắt, chiều dày sàn, cường độ bê tông) đến ứng xử và khả năng kháng cắt thủng của liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT

4 Đề xuất công thức dự đoán lực cắt thủng của liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT Xây dựng quan hệ lực cắt-chuyển vị đứng của liên kết theo mô hình đề xuất

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Tháng 08 năm 2019

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Tháng 12 năm 2019

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1: TS THÁI SƠN

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2: PGS.TS NGÔ HỮU CƯỜNG

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGÀNH

TS THÁI SƠN PGS.TS NGÔ HỮU CƯỜNG PGS.TS LƯƠNG VĂN HẢI

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời chân thành biết ơn đến Thầy TS Thái Sơn và Thầy PGS.TS Ngô Hữu Cường, người đã hướng dẫn tận tình để tôi hoàn thành luận văn này Hai Thầy đã truyền đạt nhiều kiến thức quý báu cũng như những kinh nghiệm nghiên cứu khoa học, đã tận tình dìu dắt chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM

Tôi cũng xin tỏ lòng biết ơn đến tất cả các Thầy Cô đã từng tham gia giảng dạy lớp cao học ngành Kỹ thuật xây dựng dân dụng và công nghiệp khoá 2017 Các Thầy Cô

đã trang bị cho tôi những kiến thức, nhận xét, góp ý quý báu để tôi có thể phát triển trong con đường nghiên cứu khoa học và phát triển nghề nghiệp

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Công ty Cổ phần Tư vấn đầu tư và Thiết kế xây dựng CDCo, đặc biệt là anh Trưởng phòng thiết kế kết cấu ThS.KS Huỳnh Tấn Kiệt đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành chương trình học tập

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến sự động viên, chia sẻ, khích lệ của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp để tôi luôn nỗ lực học tập và nghiên cứu

Luận văn này đã được hoàn thành với sự nỗ lực của bản thân trong thời gian quy định, tuy vậy khó có thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định, kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi có thể hoàn thiện hơn

Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn!

Trân trọng

TP HCM, ngày 13 tháng 01 năm 2020

Châu Lảnh

TÓM TẮT

Trong luận văn này, ứng xử cắt thủng của liên kết giữa sàn phẳng bê tông cốt thép và cột ống thép nhồi bê tông được nghiên cứu dựa trên phương pháp mô phỏng số Liên kết được mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn với việc sử dụng phần mềm ABAQUS Thông số chi tiết của liên kết chịu tác dụng của lực cắt thủng được lấy từ thí nghiệm được công bố gần đây trên các tạp chí chuyên ngành quốc tế Độ tin cậy của mô hình số được kiểm chứng thông qua việc so sánh các kết quả đạt được về quan hệ lực  chuyển vị, hình dạng và kích thước tháp xuyên thủng và cơ chế phá hoại của liên kết với các dữ liệu từ kết quả thực nghiệm Từ các mô hình đã được kiểm chứng độ tin cậy, các thông số của mô hình như cường độ bê tông, chiều dài chi tiết chống cắt, chiều dày sàn được thay đổi để khảo sát sự ảnh hưởng của chúng đến ứng xử và khả năng kháng cắt thủng của liên kết Từ đó, một công thức được đề xuất

để dự đoán lực cắt thủng với các dạng liên kết điển hình Ngoài ra, quan hệ giữa lực cắt thủng và chuyển vị đứng của liên kết thông qua một công thức đơn giản cũng được đề xuất trong luận văn này

ABSTRACT

In this thesis, the punching shear response of connections between reinforced concrete flat slab and concrete-filled steel tube columns are investigated by using the numerical simulation approach The connections are modeled by the finite element method with the use of ABAQUS software The details of the connections under punching shear are retrieved from experimental studies recently published in literature The reliability of the numerical simulation is verified through the comparison of obtained results of load-displacement relations, size and shape of cracking patterns and failure modes to those observed in experimental studies Based

on the verified models, parametric studies are conducted to examine the influence of concrete strength, length of shearhead, slab thickness on the punching shear response

of the connections From that point, a formula is proposed to predict punching shear strength of some typical connection types In addition, a simplified expression consisting of two linear equations is also proposed to predict the relation between punching shear and vertical displacement of the connections

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Châu Lảnh, học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp, khóa 2017, Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Tôi xin cam đoan rằng đây là luận văn do bản thân tự thực hiện Các số liệu, kết quả trong luận văn này hoàn toàn trung thực Việc tham khảo các nguồn thông tin, tài liệu trong luận văn này đã được trích dẫn và ghi rõ nguồn gốc Tôi xin chịu trách nhiệm

về kết quả nghiên cứu trong luận văn của mình

TP HCM, ngày 13 tháng 01 năm 2020

Châu Lảnh

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 3

1.3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 4

1.4 Các chương của luận văn 4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 6

2.1 Ứng xử của phá hoại cắt thủng của hệ cột-sàn phẳng BTCT 8

2.2 Tổng quan các nghiên cứu về sự cắt thủng của liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT 12

2.2.1 Liên kết của Cheol-Ho Lee và cộng sự [16] 12

Cheol-Ho Lee và c 12

2.2.2 Liên kết của Pinyu-Yan [2] 15

2.2.3 Liên kết của Jin-Won Kim và cộng sự [3] 18

2.3 Kết luận 20

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN LỰC CẮT THỦNG 21

3.1 Công thức tính toán cắt thủng của cột-sàn phẳng BTCT trong các tiêu chuẩn thiết kế 21

3.1.1 Tiêu chuẩn Eurocode 2 - EC2 [17] 22

3.1.2 Tiêu chuẩn ACI 318-14 [18] 24

3.1.3 Tiêu chuẩn BS 8110 [19] 25

3.2 Công thức thực nghiệm của các nghiên cứu gần đây 26

3.2.1 Công thức của Cheol-Ho Lee và cộng sự [16] 26

3.2.2 Công thức của Pinyu-Yan và cộng sự [20] 27

3.2.3 Công thức của Jin-Won Kim và cộng sự [3] 30

3.3 Kết luận 32

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG LIÊN KẾT GIỮA SÀN PHẲNG BTCT VÀ CỘT CFT BẰNG PHẦN MỀM ABAQUS 33

4.1 Cách thức xây dựng mô hình liên kết trong Abaqus 33

4.1.1 Loại phần tử và tương tác 33

4.1.2 Mô phỏng điều kiện biên 36

4.1.3 Tải trọng 37

4.1.4 Chia lưới 37

4.2 Mô hình phá hoại dẻo (Concrete Damage Plasticity (CDP)) của bê tông trong ABAQUS 38

4.3 Các thông số cho mô hình vật liệu bê tông, cốt thép và thép hình được dùng trong mô phỏng ABAQUS 42

4.4 Kết quả mô phỏng thí nghiệm của Pinyu-Yan 46

4.4.1 Mô tả thí nghiệm 46

4.4.2 Kết quả mô phỏng 50

4.5 Kết quả mô phỏng thí nghiệm của Jin-Won Kim 55

4.5.1 Mô tả thí nghiệm 55

4.5.2 Kết quả mô phỏng 58

4.6 Kết luận 62

CHƯƠNG 5: PHÁT TRIỂN PHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CẮT THỦNG CỦA LIÊN KẾT 63

5.1 Khảo sát các thông số vật liệu và hình học 63

5.1.1 Kết quả khảo sát dạng liên kết 1 64

5.1.2 Kết quả khảo sát dạng liên kết 2 68

5.2 Xây dựng công thức xác định khả năng chịu cắt của liên kết 72

5.2.1 So sánh lực cắt thủng giữa các công thức tiêu chuẩn, thực nghiệm gần đây và kết quả mô phỏng số Abaqus 72

5.2.2 Xây dựng công thức xác định cường độ cắt thủng 83

5.2.3 Xây dựng quan hệ lực cắt-chuyển vị đứng 88

5.3 Kết luận 96

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 97

6.1 Kết luận 97

6.2 Hướng phát triển 99

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

PHỤ LỤC 104

1 Kết quả khảo sát dạng liên kết 1 104

1.1 Chiều dài chi tiết chống cắt (lv) 104

1.2 Chiều dày sàn (h) 107

1.3 Cường độ bê tông (fc) 110

2 Kết quả khảo sát dạng liên kết 2 113

2.1 Chiều dài chi tiết chống cắt (lv) 113

2.2 Chiều dày sàn (h) 116

2.3 Cường độ bê tông (fc) 119

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Hệ kết cấu liên hợp giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT 2

Hình 1.2: Phá hoại xuyên thủng của mẫu sàn phẳng [1] 2

Hình 2.1: Sự sụp đổ của tòa nhà 2000 Commonwealth Avenue, Boston, US, 1971 [4] 6

Hình 2.2: Sự sụp đổ của cửa hàng bách hóa Sampoong, Seoul, Hàn Quốc 1995 [5] 6 Hình 2.3: Sự sụp đổ tầng 4 của nhà đỗ ô tô Piper Rows, Wolverhampton, Anh 1997 [5] 7

Hình 2.3: So sánh giữa phá hoại giòn và phá hoại dẻo [6] 8

Hình 2.4: Dạng phá hoại cắt thủng trong sàn phẳng 8

Hình 2.6: Hệ cốt thép chịu cắt theo đề xuất của Lips và cộng sự [10] 10

Hình 2.7: So sánh khả năng kháng cắt thủng có và không sử dụng cốt thép chịu cắt [10] 10

Hình 2.8: Chi tiết đề xuất của Corley và Hawkins [12] 11

Hình 2.9: Liên kết đề xuất của Cheol-Ho Lee [16] 12

Hình 2.10: Thí nghiệm của Cheol-Ho Lee [16] 13

Hình 2.11: Sự phá hoại sàn BTCT - thí nghiệm của Cheol-Ho Lee [16] 13

Hình 2.12: Chi tiết liên kết loại 1 của PinYu-Yan [2] 15

Hình 2.13: Chi tiết liên kết loại 2 của PinYu-Yan [2] 15

Hình 2.14: Thí nghiệm của Pinyu-Yan [2] 16

Hình 2.15: Hình dạng vết nứt mặt sàn chịu kéo của liên kết 1 [2] 17

Hình 2.16: Hình dạng tháp xuyên thủng của liên kết 2 [2] 17

Hình 2.17: Liên kết đề xuất của Jin-Won Kim và cộng sự [3] 18

Hình 2.18: Thí nghiệm của Jin-Won Kim [3] 19

Hình 2.19: Sự phá hoại sàn BTCT - thí nghiệm của Jin-Won Kim [3] 19

Hình 3.1: Chiều cao làm việc của sàn 21

Hình 3.2: Chu vi tháp xuyên thủng theo các tiêu chuẩn 21

Hình 3.3: Mô hình kiểm tra cắt thủng ở trạng thái giới hạn độ bền [17] 22

Hình 3.4: Chu vi tháp xuyên thủng theo tiêu chuẩn EC2 [17] 23

Hình 3.5: Chu vi tháp xuyên thủng theo tiêu chuẩn ACI 318 [18] 24

Hình 3.6: Chu vi tháp xuyên thủng theo tiêu chuẩn BS 8110 [19] 25

Hình 3.7: Chiều cao làm việc của sàn có chi tiết chống cắt 26

Hình 3.8: Chu vi tháp xuyên thủng theo Cheol-Ho Lee 26

Hình 3.9: Diện tích cột mở rộng 27

Hình 3.10: Chu vi tháp xuyên thủng EC2_2 28

Hình 3.11: Chu vi tháp xuyên thủng BS_2 29

Hình 3.12: Chu vi tháp xuyên thủng ACI 30

Hình 3.13: Chu vi tháp xuyên thủng Kim 31

Hình 4.1: Các loại phần tử khối trong Abaqus 34

Hình 4.2: Mẫu thí nghiệm Pinyu-Yan được mô phỏng trong Abaqus 35

Hình 4.3: Mẫu thí nghiệm Jin-Won Kim được mô phỏng trong Abaqus 35

Hình 4.4: Điều kiện biên gối đỡ sàn mô hình 36

Hình 4.5: Điều kiện biên của mặt phẳng giao tuyến khi mô phỏng 1 phần 4 sàn và điểm liên kết 36

Hình 4.6: Chia lưới mô hình Pinyu-Yan 37

Hình 4.7: Chia lưới mô hình Jin-Won Kim 37

Hình 4.8: Quan hệ ứng suất-biến dạng nén của bê tông 39

Hình 4.9: Mô hình phá hoại dẻo của bê tông 40

Hình 4.10: Mô hình ứng suất-biến dạng của bê tông khi chịu nén 43

Hình 4.11: Mô hình thông số phá hoại của bê tông chịu kéo và nén 45

Hình 4.12: Mẫu thí nghiệm của Pinyu-Yan 46

Hình 4.13: Thí nghiệm của Pinyu-Yan 47

Hình 4.14: Cấu tạo chi tiết liên kết đề xuất của Pinyu-Yan 48

Hình 4.15: Quan hệ lực-chuyển vị tại tâm cột 50

Hình 4.16: Sự hình thành vùng nứt đầu tiên do ứng xử uốn 51

Hình 4.17: Vùng nứt thứ 2 xuất hiện theo phương 450 hướng về góc sàn 51

Hình 4.18: Sự mở rộng vùng nứt về phía góc và dưới của sàn 52

Hình 4.19: Hình dạng tháp xuyên thủng của mô hình mô phỏng 52

Hình 4.20: So sánh vùng nứt giữa mô phỏng và thực nghiệm 53

Hình 4.21: Phát triển vết nứt do cắt thủng của mô hình mô phỏng 53

Hình 4.22: Chu vi xuyên thủng theo kết quả thí nghiệm 53

Hình 4.23: Ứng suất Mises trong thớ bê tông sàn trong quá trình gia tải 54

Hình 4.24: Mẫu thí nghiệm của Jin-Won Kim 55

Hình 4.25: Thí nghiệm của Jin-Won Kim 56

Hình 4.26: Cấu tạo chi tiết liên kết đề xuất của Jin-Won Kim 56

Hình 4.27: Quan hệ lực-chuyển vị tại tâm cột 58

Hình 4.28: Sự hình thành vùng nứt đầu tiên do ứng xử uốn 59

Hình 4.29: Vùng nứt thứ 2 xuất hiện theo phương 450 hướng về góc sàn 59

Hình 4.30: Sự mở rộng vùng nứt về phía góc và dưới của sàn 60

Hình 4.31: Hình dạng tháp xuyên thủng của mô hình mô phỏng 60

Hình 4.32: So sánh vùng nứt giữa mô phỏng và thực nghiệm 61

Hình 4.33: Phát triển vết nứt do cắt thủng của mô hình mô phỏng 61

Hình 4.34: Chu vi xuyên thủng theo kết quả thí nghiệm 61

Hình 4.35: Ứng suất Mises trong thớ bê tông sàn trong quá trình gia tải 62

Hình 5.1: Hai dạng liên kết để khảo sát thông số thiết kế 63

Hình 5.2: Kết quả khảo sát chiều dài chi tiết chống cắt của dạng liên kết 1 64

Hình 5.3: Kết quả khảo sát chiều dày sàn của dạng liên kết 1 65

Hình 5.4: Kết quả khảo sát cường độ bê tông của dạng liên kết 1 66

Hình 5.5: Kết quả khảo sát chiều dài chi tiết chống cắt của dạng liên kết 2 68

Hình 5.6: Kết quả khảo sát chiều dày sàn của dạng liên kết 2 69

Hình 5.7: Kết quả khảo sát cường độ bê tông của dạng liên kết 2 70

Hình 5.8: Chiều cao làm việc của sàn có chi tiết chống cắt 83

Hình 5.9: Diện tích cột mở rộng và chu vi tháp xuyên thủng đề xuất 84

Hình 5.10: So sánh quan hệ lực-chuyển vị tại tâm cột của mẫu L300/260_S300_C30 90

Hình 5.11: So sánh quan hệ lực-chuyển vị tại tâm cột của mẫu L400/360_S200_C40 91

Hình 5.12: So sánh quan hệ lực-chuyển vị tại tâm cột của mẫu L400/360_S200_C50 92

Hình 5.13: So sánh quan hệ lực-chuyển vị tại tâm cột của mẫu L800_S250_C30 93

Hình 5.14: So sánh quan hệ lực-chuyển vị tại tâm cột của mẫu L600_S200_C40 94

Hình 5.15: So sánh quan hệ lực-chuyển vị tại tâm cột của mẫu L800_S300_C50 95

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1: Thông số vật liệu của mẫu thí nghiệm Pinyu-Yan 49

Bảng 4.2: So sánh kết quả giữa mô phỏng và thí nghiệm của Pinyu-Yan 50

Bảng 4.3: Thông số vật liệu của mẫu thí nghiệm Jin-Won Kim 57

Bảng 4.4: So sánh kết quả giữa mô phỏng và thí nghiệm của Jin-Won Kim 58

Bảng 5.1: Tổng hợp các công thức xác định lực cắt thủng của các tiêu chuẩn thiết kế và nghiên cứu thực nghiệm gần đây 72

Bảng 5.2: Tổng hợp kết quả mô phỏng Abaqus khảo sát thông số thiết kế 76

Bảng 5.3: Lực cắt thủng tính toán theo công thức của các tiêu chuẩn thiết kế và công thức thực nghiệm 79

Bảng 5.4: So sánh kết quả tính toán và kết quả mô phỏng số 81

Bảng 5.5: Lực cắt thủng tính toán theo công thức đề xuất và so sánh với kết quả mô phỏng Abaqus (1 0.5,2 1,n4) 85

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 Giới thiệu

Trong những thập niên qua, kết cấu thép-bê tông liên hợp được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp, đặc biệt là các công trình nhà nhiều tầng có khung nhịp lớn, do loại kết cấu này kết hợp được các ưu điểm của hai loại vật liệu thép và bê tông

Sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) là tấm sàn đặt trực tiếp lên các cột và tường, không có dầm đỡ, có hoặc không có các dầm biên Sàn phẳng bê tông cốt thép được

sử dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng như cao ốc văn phòng và căn hộ chung

cư vì có nhiều ưu điểm như giảm chiều cao tầng dẫn đến mức tiêu tốn năng lượng (sưởi ấm, làm lạnh…) của toàn nhà giảm đi đáng kể, có tính thẩm mỹ cao, công năng phòng có thể thay đổi một cách linh hoạt, giảm thời gian thi công vì hệ ván khuôn đơn giản

Cột ống thép nhồi bê tông (Concrete-Filled Steel Tube (CFT)) là cấu kiện chịu lực chính gồm các ống thép tròn hay vuông được nhồi đặc bằng bê tông cường độ cao hoặc trung bình Cột ống thép nhồi bê tông ngày càng được sử dụng rộng rãi trên thế giới do có nhiều ưu điểm hơn so với cột thép hoặc cột bê tông cốt thép (BTCT) truyền thống về mặt kiến trúc, kết cấu và thi công: Lõi bê tông giúp giảm nguy cơ xảy ra mất

ổn định cục bộ; Cường độ chịu nén của bê tông tăng lên do hiệu ứng bó lõi bê tông của ống thép; Hàm lượng thép của tiết diện CFT lớn hơn nhiều so với tiết diện BTCT; Hiệu quả về mặt thi công: Ống thép làm kiêm nhiệm vụ cốp pha và không cần cốt thép, đẩy nhanh tốc độ thi công; Khả năng chống cháy: Tốt hơn cột thép trong kết cấu truyền thống nhiều do có lõi bê tông chịu cháy tốt; Cột CFT có khả năng chịu lực lớn do đó thanh mảnh và có tính thẩm mỹ cao và tăng không gian sử dụng

Liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT: Vì có những ưu điểm lai nổi trội từ hai loại cấu kiện trên, hệ kết cấu sàn phẳng BTCT và cột CFT là giải pháp thích hợp cho việc thay thế kết cấu khung bê tông cốt thép truyền thống

Hình 1.1: Hệ kết cấu liên hợp giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT

Mặc dù có những ưu điểm này, nhưng vấn đề đặt ra là tính không toàn khối giữa hai cấu kiện và sàn phẳng dễ bị phá hoại cắt thủng, gây ra bởi lực cắt và mô men tập trung tại khu vực lân cận đầu cột như Hình 1.2 Và cho đến nay vẫn chưa có Tiêu chuẩn dành cho việc thiết kế và thi công hệ kết cấu sàn phẳng BTCT và cột CFT Vì vậy, việc nghiên cứu sâu hơn về ứng xử liên kết giữa cột CFT và sàn phẳng BTCT là thực sự cần thiết

Hình 1.2: Phá hoại xuyên thủng của mẫu sàn phẳng [1]

Cho đến nay, một số nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng đã được thực hiện nhằm nghiên cứu ứng xử và khả năng kháng cắt thủng của liên kết sàn phẳng BTCT và cột CFT Tuy nhiên, số lượng nghiên cứu vẫn còn hạn chế Do đó việc mô phỏng số của liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT là cần thiết nhằm cung cấp một cơ sở lý luận về ứng xử của liên kết giúp người thiết kế hiểu rõ bản chất làm việc

để tính toán và cấu tạo chi tiết liên kết hợp lý

Trong nghiên cứu này, ứng xử cắt thủng của liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT/cột ống thép được nghiên cứu và mô tả dưới dạng ứng xử của một lò xo Trong

đó, mô hình làm việc của lò xo được xây dựng dựa trên hai đường tuyến tính mô tả quan hệ lực cắt-chuyển vị đứng của liên kết Các công thức thực nghiệm nhằm xác định lực cắt thủng của liên kết cũng được trình bày Cơ sở của việc xây dựng mô hình

lò xo mô tả ứng xử cắt thủng dựa trên kết quả mô phỏng sự làm việc của liên kết bằng phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm Abaqus Trong đó, các mô hình mô phỏng ba chiều được xây dựng dựa trên các thí nghiệm đã được trình bày trong các công trình nghiên cứu trước đó

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn bao gồm:

 Nghiên cứu tổng quan ứng xử của liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT

 Thiết lập chương trình mô phỏng liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT/cột ống thép bằng phần mềm Abaqus cho phép dự đoán tin cậy ứng xử chịu cắt thủng của liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT/cột ống thép So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thí nghiệm để chứng tỏ sự hợp lý, tính hiệu quả và

độ tin cậy của chương trình mô phỏng

 Khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số thiết kế (chiều dài chi tiết chống cắt, chiều dày sàn, cường độ bê tông) đến ứng xử và khả năng kháng cắt thủng của liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT

 Đề xuất công thức dự đoán lực cắt thủng của liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột cột CFT/cột ống thép Xây dựng quan hệ lực-chuyển vị của liên kết theo mô hình đề xuất

Những kết quả thu được từ nghiên cứu này sẽ làm cơ sở cho những nghiên cứu tiếp theo nhằm phát triển một giải pháp kết cấu mới sử dụng cột CFT thay thế cho cột BTCT thông thường trong hệ kết cấu cột-sàn phẳng BTCT

1.3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Với các kết quả thu được từ mô hình mô phỏng trong nghiên cứu này, hy vọng 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, bổ sung cho các nghiên cứu trong tương lai để phát triển chương trình phân tích ứng xử phi tuyến hệ sàn phẳng BTCT và cột CFT

Ý nghĩa thực tiễn: Nghiên cứu này có thể sử dụng để phát triển tiêu chuẩn cắt thủng của hệ kết cấu sàn phẳng BTCT và cột CFT Tính đến thời điểm hiện tại, các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành chưa đề cập đến vấn đề này vì hệ kết cấu sàn phẳng BTCT

và cột CFT chưa được sử dụng phổ biến và do thiếu dữ kiện nghiên cứu Mô hình mô phỏng này cũng có thể phát triển công cụ mô phỏng hiện đại bằng máy tính để dễ dàng áp dụng cho kỹ sư trong việc phân tích và thiết kế hệ kết cấu này trong thực tế, thay vì thực nghiệm tốn thời gian và chi phí

1.4 Các chương của luận văn

Luận văn bao gồm 6 chương có nội dung tóm tắt như sau:

 Chương 1: Mở đầu: Giới thiệu chung về đề tài, mục tiêu, ý nghĩa của nghiên cứu và nội dung của luận văn

 Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu: Nêu tổng quát tình hình nghiên cứu

về ứng xử cắt thủng và các phương pháp tăng khả năng kháng cắt thủng của liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột BTCT, cột CFT Tổng hợp các liên kết đề xuất giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT/cột ống thép

 Chương 3: Tính toán lực cắt thủng: Tổng hợp các công thức tính toán lực cắt thủng của sàn phẳng BTCT trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành Trình bày các công thức thực nghiệm xác định khả năng kháng cắt thủng của liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT của các nghiên cứu gần đây

 Chương 4: Mô phỏng liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT bằng phần mềm Abaqus Giới thiệu tổng quát về phần mềm Abaqus, cách thiết lập phần tử và xây dựng mô hình: trình bày cách lựa chọn loại phần tử; các cơ sở lý thuyết của

mô hình tính toán; các thông số cho mô hình vật liệu bê tông và cốt thép Trình bày các mô hình mô phỏng của các liên kết đề xuất bằng cách sử dụng phần mềm Abaqus Các thí nghiệm được lựa chọn để mô phỏng bao gồm: Thí nghiệm

về lực cắt thủng của liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột ống thép của Yan [2]; Thí nghiệm về lực cắt thủng của liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT của Jin-Won Kim [3] So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thí nghiệm

Pinyu-để làm rõ độ tin cậy của mô hình mô phỏng

 Chương 5: Phát triển phương trình tính toán khả năng cắt thủng của liên kết: Từ các mô hình mô phỏng số cho kết quả đáng tin cậy, tiến hành thay đổi các thông

số mô hình như chiều dài chi tiết chống cắt, chiều dày sàn, cường độ bê tông để khảo sát sự ảnh hưởng của các thông số thiết kế đến khả năng kháng cắt thủng của liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT Dựa trên các kết quả khảo sát thông số, đề xuất một công thức tính toán sức kháng cắt thủng của liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT có sử dụng chi tiết chống cắt và xây dựng quan hệ lực-chuyển vị của liên kết theo mô hình đề xuất

 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển: Tóm tắt luận văn, đưa ra những kết luận trong nghiên cứu của luận văn và đề xuất hướng phát triển

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU

Vấn đề phá hoại cắt thủng trong các liên kết sàn-cột đã nhận được sự chú ý lớn và là một trường hợp thiết kế quan trọng trong nhiều thập kỷ qua vì tầm quan trọng của nó trong các kết cấu sàn phẳng Cắt thủng là dạng phá hoại giòn, xảy ra bất ngờ và không

có dấu hiệu báo trước, làm giảm khả năng chịu lực của sàn và có thể dẫn đến phá hoại toàn bộ kết cấu công trình và để lại hậu quả nghiêm trọng

Hình 2.1: Sự sụp đổ của tòa nhà 2000 Commonwealth Avenue, Boston, US, 1971

[4]

Hình 2.2: Sự sụp đổ của cửa hàng bách hóa Sampoong, Seoul, Hàn Quốc 1995 [5]

Hình 2.3: Sự sụp đổ tầng 4 của nhà đỗ ô tô Piper Rows, Wolverhampton, Anh 1997

[5]

Ví dụ: Hình 2.1 thể hiện sự sụp đổ của tòa nhà 2000 Commonwealth Avenue tại Boston, US, 1971 [4] Phá hoại cắt thủng đã xảy ra xung quanh cột trong quá trình thi công đã khiến hai phần ba tòa nhà chung cư 16 tầng này sụp đổ trong vài phút và bốn công nhân đã chết Hình 2.2 mô tả sự sụp đổ của cửa hàng bách hóa Sampoong vào năm 1995 tại Seoul, Hàn Quốc, khiến gần 500 người thiệt mạng [5] Hình 2.4 là thể hiện sự sụp đổ tầng 4 của nhà nhà đỗ ô tô Piper Rows vào năm 1997 tại Wolverhampton, Anh Phá hoại cắt thủng đã xảy ra xung quanh cột trong quá trình

sử dụng đã khiến tầng 4 của tòa nhà này sụp đổ Do đó, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để tìm hiểu hiện tượng này và phát triển các phương pháp để cải thiện khả năng kháng cắt thủng

Ứng xử cắt thủng của liên kết cột-sàn phẳng BTCT được minh họa trong Hình 2.4

Có thể thấy, phá hoại giòn và phá hoại dẻo có thể xảy ra Với phá hoại giòn, sau phá hoại cắt thủng, khả năng chịu tải của kết cấu giảm ngay lập tức Ngược lại, trong dạng phá hoại uốn (dẻo), kết cấu sẽ giảm dần khả năng chịu tải với biến dạng tại điểm phá hoại lớn

Hình 2.4: So sánh giữa phá hoại giòn và phá hoại dẻo [6]

2.1 Ứng xử của phá hoại cắt thủng của hệ cột-sàn phẳng BTCT

Hình 2.5 trình bày mô hình phá hoại điển hình của phá hoại cắt thủng trong kết cấu cột-sàn phẳng BTCT

Hình 2.5: Dạng phá hoại cắt thủng trong sàn phẳng

Khi sàn truyền lực đứng qua liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột, liên kết sẽ bị phá hoại do cắt thủng cục bộ tại vị trí liên kết Để giải thích sự hình thành tháp xuyên thủng Kinnunen và Nylander [7] đã tiến hành nhiều thí nghiệm cắt thủng của liên kết giữa cột tròn và sàn tròn BTCT và kết luận sự hình thành tháp xuyên thủng qua 5 bước: (1) Các vết nứt đầu tiên theo phương tiếp tuyến xuất hiện tại các phần tử bê

tông chịu kéo xung quanh chu vi cột do mô men âm; (2) Sự lan truyền vết nứt sẽ tiếp tục xảy ra với sự hình thành các vết nứt hướng tâm từ các vết nứt tiếp tuyến; (3) Tiếp

đó các vết nứt tiếp tuyến khác sẽ xuất hiện bên ngoài chu vi cột; (4) Khi gia tăng tải, các vết nứt tiếp tuyến theo phương đứng ban đầu ở mặt trên sàn tiếp tục phát triển theo phương xiên hướng 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 ở ngoài vết nứt tiếp tuyến ngoài cùng mà đã xuất hiện trước khi phá hoại

Để tăng cường khả năng kháng cắt thủng của liên kết cột-sàn phẳng BTCT, các phương pháp khác nhau đã được phát triển bởi các nhà khoa học, bao gồm:

 Tăng hàm lượng cốt thép chịu kéo của sàn: Guandalini và cộng sự [8] đã tiến hành thí nghiệm cắt thủng cột-sàn phẳng BTCT với hàm lượng cốt thép chịu kéo thay đổi khác nhau theo mỗi phương Tổng cộng 11 sàn với ba chiều dày khác nhau (125 mm, 250 mm và 500 mm) đã được thử nghiệm với hàm lượng cốt thép từ 0.22% đến 1.5% Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng việc tăng lượng cốt thép chịu kéo có thể được sử dụng để cải thiện khả năng kháng cắt thủng nhưng hàm lượng cốt thép chịu kéo không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng kháng cắt thủng của sàn

 Các phương pháp truyền thống như tăng cường độ bê tông quanh vùng tháp xuyên thủng [9], sử dụng hệ mũ cột, tăng chiều dày sàn…là các phương pháp được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn giúp tăng cường khả năng kháng cắt thủng của liên kết một cách đáng kể

 Bố trí cốt thép chịu cắt: Thêm cốt thép chịu cắt là một cách rất phổ biến và hiệu quả để tăng khả năng kháng cắt thủng của liên kết cột-sàn Lips và cộng sự [10]

đã tiến hành thí nghiệm gồm 3 mẫu thử có và không sử dụng cốt thép chịu cắt cho liên kết nhằm mục đích khảo sát ảnh hưởng của cốt thép chịu cắt đến khả năng kháng cắt thủng của liên kết Kết quả chỉ ra rằng khi sử dụng cốt thép chịu cắt, khả năng kháng cắt thủng của liên kết có thể tăng từ 61% đến 82% Tuy nhiên, phương pháp này có một số nhược điểm là cốt thép chịu cắt chưa bị phá hoại khi sàn bị chọc thủng, cấu tạo không phù hợp với sàn mỏng (do khó khăn

trong việc neo thép), và hệ thống đinh tán cũng có nhược điểm là không dễ chế tạo và chi phí cao

Hình 2.6: Hệ cốt thép chịu cắt theo đề xuất của Lips và cộng sự [10]

Hình 2.7: So sánh khả năng kháng cắt thủng có và không sử dụng cốt thép chịu cắt

[10]

 Ngoài cốt thép chống cắt, các chi tiết liên kết khác bao gồm thép tấm của Subedi

và Baglin [11], hệ cốt cứng chịu cắt sử dụng các thanh thép định hình hoặc tổ hợp được hàn với nhau của Corley và Hawkins Hình 2.8 [12], polyme cốt sợi

carbon của Sharaf và cộng sự [13], chốt chịu cắt của Elgabry và Ghali [14], polyme cốt sợi thép của El-Ghandour và cộng sự [15] cũng là các đề xuất hiệu quả giúp tăng khả năng kháng cắt thủng của liên kết cột-sàn phẳng BTCT

Hình 2.8: Chi tiết đề xuất của Corley và Hawkins [12]

2.2 Tổng quan các nghiên cứu về sự cắt thủng của liên kết giữa sàn phẳng BTCT

và cột CFT

Hệ chi tiết chống cắt được phát triển bởi Corley và Hawkins [12] dành cho các cột BTCT Tuy nhiên, nó có thể được điều chỉnh cho các cột ống thép bằng cách liên kết các dầm thép với các cột ống thép Điều này sẽ tạo thành cơ sở cho các loại liên kết được đề xuất đã và đang được nghiên cứu và phát triển Các nghiên cứu ứng dụng trong liên kết với sàn phẳng BTCT và cột CFT hầu hết đều tập trung vào việc phát triển các loại liên kết kháng cắt hiệu quả và tiết kiệm nhất

2.2.1 Liên kết của Cheol-Ho Lee và cộng sự [16]

Cheol-Ho Lee và cộng sự [16] đã đề xuất liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT bằng cách sử dụng các thanh thép hình chữ T hoặc H hàn vào cột CFT như Hình 2.9

Hình 2.9: Liên kết đề xuất của Cheol-Ho Lee [16]

Tổng cộng có 8 mẫu thí nghiệm tải trọng đứng được thực hiện cho các liên kết cột Trong tổng số 8 mẫu thí nghiệm, gia cố bằng chi tiết chống cắt cho các liên kết sàn phẳng BTCT-cột CFT đã được áp dụng trong 6 mẫu thí nghiệm Các mẫu thử cột-sàn được đặt ngược như thể hiện trong Hình 2.10 và tải trọng thẳng đứng hướng xuống tác dụng lên đỉnh cột để mô phỏng tải trọng đứng tác động lên các sàn Bốn cạnh của mẫu thử sàn có gối đỡ đơn giản và chuyển vị ngang của cạnh sàn bị khống chế

sàn-Hình 2.10: Thí nghiệm của Cheol-Ho Lee [16]

Hình 2.11 là các mẫu vết nứt điển hình ở mặt chịu kéo của sàn sau phá hoại cắt thủng Dạng phá hoại quan sát của tất cả mẫu thử đúng với những gì được dự đoán Dạng phá hoại dự đoán trong thiết kế là: (1) chảy dẻo của cốt thép chịu uốn xảy ra trước chảy dẻo của thép hình của chi tiết chống cắt, và (2) cắt thủng nên là dạng phá hoại cuối cùng

Hình 2.11: Sự phá hoại sàn BTCT - thí nghiệm của Cheol-Ho Lee [16]

Sau khi cắt thủng, khả năng chịu tải của tất cả các mẫu thử giảm mạnh Cường độ còn lại sau phá hoại cắt thủng là khoảng 1/6 đến 1/3 cường độ cực đại Tuy nhiên, trong trường hợp các mẫu thử có cốt thép chịu nén, khả năng sau phá hoại cắt thủng tiếp tục tăng ứng với chuyển vị tăng, và cuối cùng đạt được khoảng 1/3 cường độ cực đại Như được dự đoán, tất cả các mẫu thử CFT sử dụng các chi tiết đề xuất đều cho thấy cường độ cắt thủng đạt yêu cầu và và độ cứng liên kết nhìn chung vượt quá các mẫu thử bê tông cốt thép chuẩn Các quy định thiết kế cho cường độ và độ cứng trong Tiêu chuẩn ACI 318 có thể được sử dụng cho các liên kết đề xuất thiên về an toàn

Các mẫu thử có các thanh cốt thép chịu nén thể hiện cường độ cao hơn từ 20% đến 40% khi so sánh với các mẫu thử không có các thanh cốt thép này Tương tự như cường độ cắt thủng, độ cứng khớp của tất cả mẫu thử CFT sử dụng các chi tiết đề xuất thì cao hơn các mẫu thử chuẩn Các mẫu thử có các thanh cốt thép chịu nén thể hiện độ cứng khớp tăng đáng kể lên từ 40% đến 80% khi so sánh với các mẫu thử không có các thanh cốt thép này

Mặc dù kết quả thí nghiệm đã xác nhận rằng liên kết được đề xuất đã đạt được khả năng kháng cắt thủng lớn hơn so với mẫu thử chuẩn BTCT nhưng liên kết đề xuất này thực sự phức tạp cho chế tạo

2.2.2 Liên kết của Pinyu-Yan [2]

Pinyu-Yan [2] đưa ra 2 loại liên kết bằng cách sử dụng các thanh thép hình 102x44x7 như Hình 2.12 hoặc thép hộp CHS-219.1x6.3 như Hình 2.13 được hàn vào cột ống thép

I-Hình 2.12: Chi tiết liên kết loại 1 của PinYu-Yan [2]

Hình 2.13: Chi tiết liên kết loại 2 của PinYu-Yan [2]

Thí nghiệm cuả Pinyu-Yan được tiến hành để khảo sát ứng xử của liên kết khi chịu tải trọng đứng mà không xét đến ảnh hưởng của tải trọng ngang Hình 2.14 Cả 2 mẫu thí nghiệm đều được gia tải thẳng đứng đến khi liên kết bị phá hoại hoàn toàn nhằm xác định tải phá hoại cắt thủng cực hạn của mỗi loại liên kết

Hình 2.14: Thí nghiệm của Pinyu-Yan [2]

Hình 2.15 cho thấy vết nứt ở mặt chịu kéo của tấm sàn của mẫu thí nghiệm 1 khi đạt giá trị lực cắt thủng cực hạn là 417 kN Hình 2.16 cho thấy hình dạng tháp xuyên thủng của mẫu thí nghiệm 2 hình thành từ mép cạnh ngoài của chi tiết chống cắt hướng về mặt chịu kéo của sàn khi đạt giá trị lực cắt thủng cực hạn là 569 kN

Chu vi tháp xuyên thủng được mở rộng hơn so với liên kết cột-sàn phẳng BTCT thông thường có cùng kích thước điều này dẫn đến khả năng kháng cắt thủng tốt hơn so với liên kết cột-sàn phẳng BTCT

Hình 2.15: Hình dạng vết nứt mặt sàn chịu kéo của liên kết 1 [2]

Hình 2.16: Hình dạng tháp xuyên thủng của liên kết 2 [2]

2.2.3 Liên kết của Jin-Won Kim và cộng sự [3]

Jin-Won Kim và cộng sự [3] đã đề xuất liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT bằng cách sử dụng các thanh thép hình chữ H hàn vào cột CFT như Hình 2.17

Hình 2.17: Liên kết đề xuất của Jin-Won Kim và cộng sự [3]

Tổng cộng có 10 mẫu thí nghiệm tải trọng đứng được thực hiện cho các liên kết cột Trong tổng số 10 mẫu thí nghiệm, gia cố bằng chi tiết chống cắt cho các liên kết sàn phẳng BTCT-cột CFT đã được áp dụng trong 8 mẫu thí nghiệm Tải trọng, chiều dài nhịp, kích thước cột, sàn, chi tiết chống cắt lần lượt được thay đổi trong các mẫu thí nghiệm để nghiên cứu các thông số thiết kế: chiều dài chi tiết chống cắt, cường độ

sàn-bê tông, tỷ lệ cạnh cột, đặc điểm kích thước của cột ống thép, chiều dày sàn

Hình 2.18: Thí nghiệm của Jin-Won Kim [3]

Hình 2.19 cho thấy các mẫu vết nứt điển hình tương ứng ở mặt chịu kéo của tấm sàn

ở cuối thí nghiệm Mặt nén của tấm sàn không cho thấy bất kỳ hư hỏng nào ngoài việc trượt cột qua sàn (bắt đầu phá hoại cắt thủng) Quan sát chỉ ra rằng các vết nứt cắt thủng được bắt đầu mặt chịu nén (tại mặt giao giữa cột CFT và sàn), và sau đó các vết nứt lan truyền về mặt chịu kéo Đối với các mẫu thử sử dụng thép hình H, vết nứt cắt thủng nằm ngoài diện tích chi tiết chống cắt Hình 2.19b

a) Sự phá hoại của mẫu không có chi tiết chống cắt

b) Sự phá hoại của mẫu có chi tiết chống cắt Hình 2.19: Sự phá hoại sàn BTCT - thí nghiệm của Jin-Won Kim [3]

Dạng phá hoại quan sát của tất cả các mẫu phù hợp với những gì đã được dự đoán là: (1) Chảy dẻo của cốt thép uốn sẽ xảy ra trước chảy dẻo của chi tiết chống cắt và (2) cắt thủng là dạng phá hoại cuối cùng

Kết quả thí nghiệm cho thấy các liên kết được gia cố bằng chi tiết chống cắt được đề xuất có thể thể hiện cường độ cắt thủng cao hơn khoảng từ 25% đến 36% so với các sàn phẳng BTCT cùng kích thước

Khi chiều dài chi tiết chống cắt tăng lên, cường độ cắt thủng đạt được lớn hơn Chiều dài chi tiết chống cắt tối thiểu bằng khoảng bốn lần độ dày của sàn để tăng cường độ cắt thủng đến 0.58 f ud c

Việc sử dụng bê tông cường độ cao hơn và các cột vuông (so với các cột hình chữ nhật) có lợi cho việc kháng lại lực cắt thủng, điều này cũng không bị ảnh hưởng bất lợi khi sử dụng cột CFT có thành mỏng

2.3 Kết luận

Chương này trình bày ngắn gọn cơ chế hình thành sự phá hoại do cắt thủng và các phương pháp để gia cường khả năng kháng cắt thủng của liên kết giữa cột và sàn phẳng BTCT thông thường Một số liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT được

đề xuất và các kết quả nghiên cứu thực nghiệm của các nhà khoa học được trình bày Các nghiên cứu trước đã đề xuất các kiểu liên kết khác nhau giữa sàn phẳng BTCT

và cột giữa CFT Các liên kết đều đảm bảo về khả năng chịu lực Tuy nhiên liên kết

đề xuất của Cheol-Ho Lee thực sự phức tạp cho chế tạo, do vậy trong chương 4 của luận văn này, chi tiết liên kết 1 của Pinyu-Yan và một liên kết của Jin-Won Kim sẽ được miêu tả chi tiết và tiến hành mô phỏng số bằng phần mềm phần tử hữu hạn 3 chiều Abaqus Sau đó, kết quả mô phỏng số được so sánh với kết quả thí nghiệm qua

đó đánh giá được độ tin cậy của phần mềm Abaqus trong việc thiết lập các thông số

mô phỏng

Chiều cao làm việc của sàn (d): Chiều cao làm việc của sàn được định nghĩa là khoảng

cách từ mặt chịu nén đến trọng tâm cốt thép chịu kéo như Hình 3.1

Hình 3.1: Chiều cao làm việc của sàn

Chu vi tháp xuyên thủng (u): Tùy thuộc vào tiêu chuẩn của từng quốc gia, chu vi tháp

xuyên thủng sẽ cách mép cột từ 0.5 đến 2 lần chiều cao làm việc của sàn như thể hiện

3.1.1 Tiêu chuẩn Eurocode 2 - EC2 [17]

Cắt thủng có thể xảy ra do tải trọng tập trung hoặc phản lực tác dụng lên một diện tích tương đối nhỏ, gọi là diện tích chịu tải A load Lực kháng cắt thủng cần được kiểm tra ở mép cột và ở chu vi tới hạn u1 Một mô hình kiểm tra thích hợp để kiểm tra phá hoại cắt thủng ở trạng thái giới hạn độ bền được hiển thị trong Hình 3.3

Hình 3.3: Mô hình kiểm tra cắt thủng ở trạng thái giới hạn độ bền [17]

Chu vi tính toán cơ bản u thường có thể được lấy ở khoảng cách 2d tính từ vùng 1

chất tải và dựng chu vi này sao cho chiều dài của nó là nhỏ nhất như Hình 3.4

tiết diện kiểm tra

cơ bản

vùng kiểm tra cơ bản A cont chu vi kiểm tra cơ bản u1 vùng chất tải A load

cont

r chu vi kiểm tra tiếp theo

3.1.2 Tiêu chuẩn ACI 318-14 [18]

Hình 3.5: Chu vi tháp xuyên thủng theo tiêu chuẩn ACI 318 [18]

d : chiều cao làm việc của sàn Hình 3.1;

c

v : cường độ kháng cắt trên 1 đơn vị diện tích, đơn vị MPa, được tính là giá trị

nhỏ nhất trong 3 giá trị sau:

f v

'

0

212

  

c s

c

f

a d v

a  đối với cột góc liên kết với sàn phẳng;

: tỉ số cạnh dài nhất chia cạnh ngắn nhất của diện tích vùng tuyền tải; '

c

f : cường độ nén đặc trưng của bê tông (MPa)

Hình 3.6: Chu vi tháp xuyên thủng theo tiêu chuẩn BS 8110 [19]

d : chiều cao làm việc của sàn Hình 3.1;

c

v : cường độ kháng cắt trên 1 đơn vị diện tích, đơn vị MPa, được tính toán theo công thức:

1/3 1/4 1/3100

A : diện tích cốt thép chịu kéo;

d : chiều cao làm việc của sàn Hình 3.1;

v

b : bề rộng sàn quy ước để tính A ; s

cu

f : cường độ nén đặc trưng của bê tông (MPa)

Ghi chú: Mục 3.1 trình bày các công thức tính toán cắt thủng của cột-sàn phẳng BTCT trong các tiêu chuẩn thiết kế cho bài toán thiết kế Đối với thực nghiệm, các hệ số an toàn lấy giá trị là 1 và cường độ bê tông chính là cường độ nén trung bình

3.2 Công thức thực nghiệm của các nghiên cứu gần đây

Khác với tính toán cắt thủng của cột-sàn phẳng BTCT, chiều cao làm việc của sàn (d)

khi có chi tiết chống cắt được tính là khoảng cách từ mặt chi tiết chống cắt đến trọng tâm cốt thép chịu kéo như Hình 3.7

Hình 3.7: Chiều cao làm việc của sàn có chi tiết chống cắt

3.2.1 Công thức của Cheol-Ho Lee và cộng sự [16]

Cheol-Ho Lee và cộng sự [16] nghiên cứu khả năng kháng cắt thủng của liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT và đề xuất công thức xác định lực cắt thủng như sau:

11.14

u: chu vi tháp xuyên thủng theo Hình 3.8;

Hình 3.8: Chu vi tháp xuyên thủng theo Cheol-Ho Lee

2 2

f : cường độ nén trung bình mẫu hình trụ của bê tông

3.2.2 Công thức của Pinyu-Yan và cộng sự [20]

Trong nghiên cứu của Pinyu-Yan và cộng sự, tác giả giả định rằng chi tiết chống cắt hoạt động như một cột mở rộng để kháng lại lực cắt thủng Kích thước cột được mở rộng bằng kích thước cột ban đầu cộng với tổng chiều dài làm việc của chi tiết chống cắt

Hình 3.9: Diện tích cột mở rộng

Pinyu-Yan đề xuất công thức xác định lực cắt thủng dựa trên công thức của các tiêu chuẩn thiết kế như sau: