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

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

VỚI DẦM BẸT BÊ TÔNG CỐT THÉP

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC

Đà Nẵng - Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào 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

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết quả dự kiến 2

6 Bố cục của đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CỘT CFST, DẦM BẸT BTCT, LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI HỆ DẦM 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFST 3

1.1.1 Khái niệm về cột ống thép nhồi bê tông 3

1.1.2 Phân loại cột ống thép nhồi bê tông 3

1.1.3 Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông 7

1.1.4 Khả năng áp ụng 8

1.2 TỔNG QUAN VỀ SÀN PHẲNG KẾT HỢP DẦM BẸT BTCT 9

1.2.1 Sàn phẳng có dầm bẹt 9

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 của Nie (2008) và Bai (2008) 12

1.3.2 Nghiên cứu của Qing Jun Chen (2015) 14

1.3.3 Nghiên cứu của H.Y.Yu (2013) 15

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 17

CHƯƠNG 2 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 CHƯƠNG 2 26

CHƯƠNG 3 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 và 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 cường 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 quả thí nghiệm và quan sát 40

3.1.8 Tính toán xác minh lý thuyết tính toán 44

3.2 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 27

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG 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

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

Mã số: 60.58.02.08, Khóa 33, Trường 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 được sử dụng hiệu quả cho công trình nhà cao tầng với kích thước nhịp lớn nhằm tăng độ cứng ngang, giảm chiều dài tính toán cho kết cấu sàn đồng thời hạn chế chiều cao tầng so với dầm thông thường Đối với hệ kết cấu dầm bẹt - cột CFST, sự làm việc liên tục giữa dầm và cột được kết nối bởi chốt thép chịu cắt (shear – key)

Hiện nay, hầu hết các tiêu chuẩn chưa đề cập đến việc tính toán khả năng chịu cắt tại vị trí liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bẹt bê tông cốt thép và các nghiên cứu về vấn đề này còn rất ít Cơ chế truyền lực cắt tại vị trí liên kết chưa được hiểu rõ o đó, luận văn sẽ thực hiện phân tích ảnh hưởng của các cơ chế truyền lực cắt khác nhau đến khả năng chịu cắt của dầm bẹt tại vị trí liên kết từ

đó xác định sự đóng góp của từng cơ chế đến khả năng chịu cắt của dầm làm căn cứ cho việc đánh giá

và đề xuất các giải pháp nâng cao khả năng chịu cắt của dầm Luận văn cũng thực hiện thí nghiệm ứng

xử chịu cắt của dầm tại liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bẹt bê tông cốt thép và kết quả tính toán từ cơ chế truyền lực cắt sẽ được xác thực với kết quả thí nghiệm

Từ khóa - Ống thép nhồi bê tông; bê tông cốt thép; cột, dầm bẹt, liên kết; các cơ 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 do 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 năng kháng cắt của cơ chế cài khóa cốt liệu

Vch : Khả năng kháng cắt của vùng nén bê tông

Vdow : Khả năng kháng cắt của cốt dọc

Vv : Khả năng kháng cắt của shear - key

Vtot : Khả năng kháng cắt của cấu kiện

b : Bề rộng cấu kiện

h : Chiều cao cấu kiện

pu : Cường độ chịu nén của vữa

c : Chiều dài lớp bê tông bảo vệ

ch : Ứng suất cắt tại vùng nén bê tông

ch

V : Lực cắt tại vùng nén bê tông

ch : Ứng suất pháp tại vùng nén bê tông

ch

N : Lực dọc tại vùng nén bê tông

c : Chiều cao vùng nén bê tông

: Hệ số ma sát

,

b v : Hệ số

DANH MỤC CÁC BẢNG

3.1 Kết quả thí nghiệm ê tông 35 3.2 Kết quả thí nghiệm cốt th p 35 3.3 Các thông số về vết nứt cắt 44 3.4 Các thông số về cốt th p 44 3.5 Các thông số về kích thước mẫu thí nghiệm 45 3.6 Khả năng chịu cắt của ầm th o các cơ chế truyền lực

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.1 Cấu tạo cột ống th p nhồi ê tông 3 1.2 Mặt cắt điển hình cột ống th p nhồi ê tông 4 1.3 Cột ống th p nhồi ê tông với hai lớp ống th p 4 1.4 Cột CFST được ao ê tông (Concr t -encased CFST) 5 1.5 Cột CFST tăng cường kết cấu th p và cốt th p gia cường 5 1.6 CFST với sườn tăng cứng 6 1.7 Một số tiết iện tổ hợp từ cột CFST 6 1.8 Ví ụ về cầu được x y ựng ằng kết cấu CFST 8 1.9 Sàn phẳng có ầm ẹt 9 1.10 Công trình sử ụng sàn phẳng kết hợp ầm ẹt 11 1.11 Hình ạng liên kết đề xuất ởi Ni và ai 12 1.12 Thí nghiệm xác minh khả năng chịu lực ọc của liên kết 13 1.13 Thí nghiệm xác định khả năng chịu động đất đối với cột

2.1 Cơ chế truyền lực cắt qua vết nứt nghiêng 18 2.2 Cơ chế cài khóa của các cốt liệu 20 2.3 Cơ chế chịu cắt của vùng n n ê tông 21 2.4 Cơ chế chịu cắt của cốt đai 23 2.5 Cơ chế chịu cắt của cốt ọc 24 2.6 Hoạt động chịu cắt của sh ar - key 25

3.2 Chọn kích thước ầm 28 3.3 Chọn kích thước ầm 29 3.4 Công tác lắp đặt cốt th p cho mẫu thí nghiệm 29 3.5 Công tác lắp đặt strain gaug vào cốt đai 30 3.6 ố trí cốt th p cho mẫu và vị trí, kí hiệu Strain gaug 30

Số hiệu Tên hình Trang

3.7 Mẫu thí nghiệm sau khi hoàn thành công tác chế tạo 31 3.8 Đổ ê tông cho mẫu thí nghiệm 31 3.9 Mẫu thí nghiệm sau khi hoàn thành công tác đổ ê tông 32 3.10 Công tác lấy mẫu ê tông 150x150mm để thí nghiệm 32 3.11 Công tác lấy mẫu ê tông 150x300mm để thí nghiệm 33 3.12 Thí nghiệm mẫu ê tông 150x300mm 33 3.13 Thí nghiệm mẫu ê tông 150x150mm 34 3.14 Thí nghiệm cường độ cốt th p 34 3.15 Cảm iến đo iến ạng (strain gaug s 36 3.16 Cảm iến đo chuyển vị LV T 37 3.17 Máy ơm ầu ùng cho thí nghiệm 38 3.18 Kích thủy lực 250 (tấn 38 3.19 Sơ đồ ố trí thí nghiệm 39 3.20 Thiết lập thí nghiệm 39 3.21 Hệ thống thu các ữ liệu từ cảm iến 40 3.22 Sự phát triển vết nứt tại cấp tải 300kN 41 3.23 Sự phát triển vết nứt tại cấp tải 400kN 41 3.24 Sự phát triển vết nứt tại cấp tải 500kN 42 3.25 Sự phát triển vết nứt tại cấp tải 628kN 42 3.26 Đồ thị tải trọng – chuyển vị 43 3.27 Đồ thị iến ạng của cốt đai 43 3.28 Sự ph n ố vết nứt trên ầm khi ị phá hoại 44 3.29 iểu đồ thể hiện sự đóng góp của từng cơ chế 45 3.30 iểu đồ thể hiện khả năng kháng cắt th o lý thuyết và thí

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, xu hướng xây dựng nhà cao tầng ngày càng được sử dụng nhiều ở Việt Nam Một hệ kết cấu hợp lý sẽ đ m lại ý nghĩa lớn về mặt kĩ thuật và hiệu quả sử dụng cho công trình Kết cấu sàn phẳng bê tông cốt th p ( TCT được xem là giải pháp sàn hiệu quả vì nó làm giảm được chiều cao tầng, tăng số tầng sử dụng cũng như thuận tiện cho thi công đẩy nhanh tiến độ xây dựng, thuận lợi cho việc bố trí đường ống thiết

bị kĩ thuật, dễ dàng thông gió và linh hoạt bố trí mặt bằng so với kết cấu sàn có dầm Đối với nhà nhiều tầng, khi nhà càng cao và nhịp khung lớn thì lực dọc trong cột

sẽ càng lớn Nếu sử dụng giải pháp kết cấu bê tông cốt th p thông thường thì kích thước cột sẽ rất lớn ảnh hưởng đến mặt bằng kiến trúc cũng như không gian sử dụng công trình, giải pháp cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube - CFST) sẽ

là lựa chọn hợp lý để thay thế cột bê tông cốt thép truyền thống vì những ưu điểm vượt trội về mặt kĩ thuật như độ cứng lớn, cường độ cao, độ dẻo và khả năng ph n tán năng lượng lớn, về mặt công nghệ cột ống thép nhồi bê tông dễ dàng thi công và không tốn coffa, rút ngắn được thời gian thi công x y ựng công trình

Từ phân tích trên, ta thấy việc kết hợp hai loại kết cấu sàn phẳng BTCT và cột ống thép nhồi bê tông cho kết cấu nhà cao tầng sẽ đ m lại hiệu quả cao về mặt kinh tế,

kĩ thuật Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất khi kết hợp hai loại kết cấu này đấy là liên kết Việc liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép phức tạp, ứng xử của liên kết chưa được hiểu rõ Hiện nay, các nghiên cứu chỉ thực hiện cho liên kết cột giữa với sàn phẳng TCT và chưa thấy nghiên cứu đề cập đến liên kết giữa cột biên CFST và sàn phẳng TCT o đó, việc nghiên cứu liên kết cột biên CFST với sàn phẳng bê tông cốt thép là cần thiết để đưa ra các giải pháp cấu tạo, khảo sát các ứng xử, trạng thái làm việc cũng như cơ chế truyền lực nhằm áp dụng hiệu quả hệ kết cấu sàn phẳng BTCT và cột ống thép nhồi bê tông trong xây dựng nhà cao tầng hiện

nay Đấy là lý o để thực hiện luận văn với đề tài: “Nghiên cứu khả năng chịu cắt tại liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bẹt bê tông cốt thép”

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu tổng quan về cột CFST, dầm bẹt bê tông cốt thép; liên kết giữa cột CFST với hệ dầm;

Nghiên cứu tìm hiểu các cơ chế truyền lực cắt đóng góp vào khả năng kháng cắt của cấu kiện và công thức tính toán của từng cơ chế;

Tiến hành thiết kế, chế tạo mẫu và thực hiện thí nghiệm mẫu liên kết cột CFST với dầm bẹt TCT để xác minh khả năng làm việc của liên kết giữa lý thuyết và thực nghiệm

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Mối liên kết giữa cột CFST và dầm bẹt BTCT

Phạm vi nghiên cứu: Khả năng chịu cắt tại liên kết giữa cột CFST với dầm bẹt BTCT

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết tính toán; nghiên cứu thực nghiệm

1 Tính cấp thiết của đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

5 Kết quả dự kiến

Chương 1: Tổng quan về kết cấu cột CFST, dầm bẹt bê tông cốt thép, liên kết

giữa cột CFST với hệ dầm

Chương 2: Nghiên cứu các cơ chế truyền lực cắt

Chương 3: Khảo sát liên kết bằng thực nghiệm

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

CHƯƠNG 1 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 về cột ống thép nhồi bê tông

Cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube viết tắt CFST) là một kết cấu liên hợp bao gồm vỏ ống thép và lõi bê tông cùng làm việc chung với nhau (Hình 1.1)

Hình 1.1 Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tông

Như đã iết, cường độ chịu nén của bê tông lớn hơn rất nhiều so với cường độ chịu k o và cường độ chịu nén của bê tông sẽ được tăng lên khi ê tông ị hạn chế nở hông Đối với kết cấu thép, cường độ chịu k o cao nhưng ễ bị mất ổn định cục bộ ưới tải trọng nén Trong loại kết cấu cột CFST, cốt th p và ê tông được sử dụng kết hợp để có thể phát huy hết bản chất tự nhiên và các đặc điểm nổi trội tạo ra kết cấu có nhiều ưu điểm Loại kết cấu này hiện đang được nghiên cứu áp dụng cho công trình nhà, xưởng, các công trình cầu đường ở Việt Nam

1.1.2 Phân loại cột ống thép nhồi bê tông

Cột ống thép nhồi bê tông về mặt cấu tạo rất đa ạng ưới đ y là một số dạng cấu tạo cho họ cột này

Dạng tiết diện phổ biến nhất của cột CFST là tiết diện mà ê tơng được nhồi vào phần rỗng bên trong ống thép cĩ dạng hình trịn (Circular Hollow Section - CHS), hay cột cĩ tiết diện rỗng hình vuơng (Square Hollow Section - SHS) hoặc cột cĩ tiết diện rỗng hình chữ nhật (Rectangular Hollow Section - RHS Đối với tiết diện CHS sự hạn chế biến dạng ngang của lõi bê tơng là lớn nhất và bất ổn định cục bộ hầu như xuất hiện đối với tiết diện hình vuơng và chữ nhật Tuy nhiên cột CFST với các tiết diện SHS và RHS vẫn tiếp tục được sử dụng nhiều trong xây dựng với những ưu điểm riêng của nĩ Những dạng tiết diện ngang khác cũng được sử dụng cho mục đích nghệ thuật như ạng đa giác, ạng lip… (Hình 1.2

b

Hình 1.2 Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tơng

Một dạng khác của cột CFST là cột cĩ tiết diện với hai lớp ống thép trong và ngồi được gọi là cột ống thép nhồi bê tơng với hai lớp ống thép Tiết diện cột bao gồm ống thép trong và ống th p ngồi, ê tơng được nhồi vào giữa hai ống thép (Hình 1.3) Với cấu tạo mặt cắt như thế này, cột sẽ cĩ độ cứng chống uốn lớn, cường độ cao, khả năng chống cháy tốt hơn và tránh được sự bất ổn định đối với cấu kiện khi chịu tác động của áp lực bên ngồi Dạng cột này cĩ thể là lựa chọn tối ưu khi thiết kế những cấu kiện với tiết diện ngang lớn

Lõi bêtông

Lõi bêtông Lõi bêtông

Hình 1.3 Cột ống thép nhồi bê tơng với hai lớp ống thép

Một trường hợp khác của kết cấu CFST là sử dụng bê tơng cốt thép truyền thống

để bao bọc CFST như Hình 1.4 Cấu tạo tiết diện gồm ống th p ên trong được lắp đặt trước tiếp theo là lắp đặt các hệ th p gia cường, lớp bê tơng bên trong và bên ngồi được đổ sau đĩ Việc nhồi bê tơng vào trong ống sẽ làm tăng tối đa khả năng giam hãm ê tơng n ng cao cường độ tới hạn của tiết diện Bê tơng cốt thép bao bọc bên ngồi tạo thành một lớp chống cháy cho lõi ên trong, o đĩ khả năng chống cháy của loại cột này được tăng đáng kể so với cột CFST truyền thống Ngồi ra, loại cột này cịn cĩ khả năng kháng ất ổn định cục bộ, chống ăn mịn đối với ống thép rất tốt và dễ liên kết với những dầm bê tơng cốt thép hoặc dầm thép trong hệ kết cấu cơng trình

Ống thép Bêtông

Cốt thép mềm

Ống thép Bêtông

Cốt thép mềm

Ống thép Bêtông

Cốt thép mềm

Hình 1.4 Cột CFST được bao bê tơng (Concrete-encased CFST)

Kết cấu thép và kết cấu th p gia cường luơn luơn được sử dụng để tăng sức kháng tải của cấu kiện CFST mơ tả ở Hình 1.5 Mặt cắt kết cấu th p đĩng gĩp lớn vào khả năng chịu lực của cột mà khơng làm thay đổi dạng tiết diện cột Sự đĩng gĩp đến khả năng chịu lực của cột cĩ thể được x m x t như khả năng kết hợp của kết cấu thép với những phần của cột CFST

Ống thép Ống thép

Lõi bêtông Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

Cốt thép hình

Lõi bêtông Cốt thép mềm

Hình 1.5 Cột CFST tăng cường kết cấu thép và cốt thép gia cường

Trong cột CFST thơng thường, bất ổn định cục bộ của ống th p thơng thường xuất hiện sau khi tiết diện liên hợp đạt đến cường độ tới hạn Điều này cĩ thể là một vấn đề quan trọng cho sự phát triển và ứng dụng ống thành mỏng với th p cường độ cao Những sườn tăng cứng ngang và dọc cĩ thể được hàn vào ống th p để cải thiện

cường độ và độ dẻo của cột liên hợp Đối với cột cĩ tiết diện ngang lớn, các sườn tăng cứng cĩ thể hàn vào mặt trong của ống Các thanh nối cũng cĩ thể được hàn nối các sườn gia cường như Hình 1.6 Hiệu quả của sườn tăng cứng trong việc trì hỗn bất ổn định cục bộ của ống th p đã được kiểm tra bằng những nghiên cứu thực nghiệm

Hình 1.6 CFST với sườn tăng cứng

Ngồi ra, với các kết cấu yêu cầu khả năng chịu lực lớn, độ cứng lớn cĩ thể tổ hợp các cột CFST riêng lẻ thành các dạng kết cấu CFST tổ hợp để phát huy các ưu điểm của kết cấu thép bê tơng liên hợp như Hình 1.7 a, b, c hay kết hợp cùng với kết cấu bê tơng cốt thép (Hình 1.7d) tạo ra mặt cắt liên hợp cho cột trụ, những vịm trong cầu Những loại tiết diện này cũng đã được sử dụng cho các kết cấu nhà cao tầng cũng như kết cấu cầu ở Trung Quốc

CFST

Tấm thép Bêtông

CFST

Mối hàn CFST

CFST

Hình 1.7 Một số tiết diện tổ hợp từ cột CFST

1.1.3 Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông

ai đối với cấu kiện CFST;

Việc nhồi bê tông vào trong ống th p làm n ng cao độ chống ăn mòn ên trong ống thép, làm giảm độ mảnh, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả năng chống móp méo của vỏ ống th p khi va đập;

Giá thành tổng thể của công trình làm bằng kết cấu ống thép nhồi bê tông nói chung nhỏ hơn nhiều so với giá thành của công trình tương tự làm bằng kết cấu bê tông cốt thép hay kết cấu th p thông thường Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn so với kết cấu bê tông o đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ àng hơn đồng thời làm giảm tải trọng xuống móng Kết cấu ống thép nhồi bê tông kinh tế hơn

so với kết cấu bê tông cốt thép vì không cần ván khuôn, giá vòm, đai kẹp và các chi tiết đặt sẵn, nó có sức chịu đựng tốt hơn ít hư hỏng o va đập Do không có cốt chịu lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tông với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỉ lệ N/X có thể lấy nhỏ hơn và sẽ dễ àng đạt chất lượng ê tông cao hơn

b Nhược điểm

Một cấu kiện CFST bao gồm hai vật liệu với sự khác nhau về đường cong ứng suất-biến dạng và ứng xử cũng có sự khác biệt rõ rệt Sự tương tác giữa hai vật liệu này đặt ra một bài toán khó trong việc xác định thuộc tính kết hợp như mô m n quán tính, mô ul đàn hồi;

Cơ chế phá hoại cấu kiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình ạng, chiều dài, đường kính, chiều dày ống th p, cường độ th p và cường độ bê tông cùng với các thông số về sự kết dính giữa hai mặt tiếp xúc của vật liệu thép và bê tông, sự giam hãm của bê tông ứng suất ư, hiện tượng từ biến, sự co ngót và các dạng tải trọng làm phức

tạp thêm sự phân tích và thiết kế đối với cấu kiện CFST;

Một hạn chế nữa ảnh hưởng đến việc sử dụng rộng rãi loại kết cấu này đó là cấu tạo liên kết giữa cột CFST và sàn bê tông cốt thép, dầm bê tông cốt thép hay dầm thép Các ứng xử, cơ chế làm việc, trạng thái phá hoại liên kết chưa được hiểu rõ o đó g y

ra không ít những khó khăn cho tính toán thiết kế cấu tạo liên kết;

Hiện nay, các hạn chế tồn tại của loại kết cấu CFST tiếp tục được nghiên cứu để dần hoàn thiện các yêu cầu về mặt cấu tạo, lý thuyết tính toán cũng như nhận thức sâu hơn về ứng xử của loại kết cấu này

từ động đất và kết cấu CFST đáp ứng được điều này Hiện nay, việc xây ựng cầu qua các sông rộng và sâu, có nhu cầu lưu thông đường thu lớn và điều kiện địa chất phức tạp đang đòi hỏi phải sử ụng các loại nhịp lớn khẩu độ hàng trăm m t Với các kích thước như vậy, cấu kiện sẽ nặng và trở thành một nguyên nhân làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu, làm tăng chi phí xây ựng cũng như tạo thêm nhiều phức tạp cho việc vận chuyển, lắp ráp, thi công kết cấu Với việc sử dụng kết cấu CFST cho cấu kiện chịu lực n n chính như vòm chính của cầu vòm, thanh mạ cong trong cầu dàn, hệ móng cọc của kết cấu trụ, thân trụ sẽ đáp ứng được yêu cầu về chịu lực cao, độ cứng lớn vừa đáp ứng được việc giảm trọng lượng bản thân kết cấu

Hình 1.8 d về c u được ây dựng b ng ết cấu CFST

Trong lĩnh vực xây ựng dầu khí, năm 1989 tại 2 dàn khoan dầu ở biển Đen và biển Azov của Liên Xô đã sử ụng cấu kiện mặt cắt rỗng tổ hợp 3 loại vật liệu th p

- bê tông làm các trụ đ chính của dàn khoan, nhờ đó giảm được 30% lượng th p so với dàn khoan bằng th p cùng loại; hơn nữa, phần rỗng còn được ùng để lắp các thiết ị công nghệ và cáp thông tin

1.2 TỔNG QUAN VỀ SÀN PHẲNG KẾT HỢP DẦM BẸT BTCT

Với xu hướng phát triển của công nghệ cũng như yêu cầu về mặt kiến trúc, thẩm

mỹ kinh tế cho công trình thì hệ kết cấu sàn sườn truyền thống dần dần được thay thế bởi hệ sàn phẳng không dầm với nhiều ưu điểm nổi trội như tạo ra không gian sử ụng linh hoạt, ễ àng cho việc ố trí không gian sử ụng phù hợp với công năng của công trình, giảm số lượng cột, chiều cao thông thu hợp lý, ễ àng đáp ứng các yêu cầu ố trí hệ kĩ thuật ưới đ y sẽ giới thiệu tổng quan về sàn phẳng kết hợp dầm bẹt được sử dụng ở Việt Nam

1.2.1 Sàn phẳng có dầm bẹt

Với các kết cấu nhịp lớn có thể nối các mũ cột của sàn phẳng thành các ăng (dải) liên tục gọi là sàn dải - bản hay còn gọi là sàn phẳng có dầm bẹt Dầm có chiều dài tiết diện thấp, bề rộng dầm lớn hơn nhiều so với chiều cao dầm Dầm được bố trí

th o 1 phương hay 2 phương tùy thuộc vào hệ lưới cột sàn

Hình 1.9 Sàn phẳng có d m bẹt

Ưu điểm: Tiết kiệm vật liệu, tăng được số tầng, tạo được không gian lớn với kết cấu thanh mảnh, trần phẳng không cần làm thêm trần treo che kết cấu, giải quyết cơ bản vướng mắc giữa yêu cầu công năng sử ụng trong thiết kế kiến trúc và giải pháp kết cấu phù hợp

Tuy nhiên khi dùng hệ kết cấu này điều quan trọng là tìm bề rộng phù hợp của dầm bẹt nhằm thõa mãn sự làm việc đồng thời của dầm và sàn, nhằm hạn chế độ võng của sàn Cần xét ảnh hưởng của hệ sàn có dầm bẹt đến độ cứng ngang của công trình , đặc biệt là kết cấu nhà cao tầng

Thích hợp với nhịp sàn <= 9m, nhịp dầm <= 15m

Việc nghiên cứu về dầm bẹt cũng như ề rộng của dầm bẹt chưa được đề cập nhiều trong các nghiên cứu trước đ y và các tiêu chuẩn Theo Ed cross – Postten sionning in building structures thì bề rộng dầm bẹt có thể chọn sơ ộ trong khoảng (0,15 - 0,25 ln trong đó ln là kích thước nhịp th o phương vuông góc với trục dầm Theo TCXDVN 375-2006, quy định bề rộng dầm cần đảm bảo theo yêu cầu kháng chấn, theo công thức:

Bw<= min (bc+hw, 2bc)

Trong đó:

- c: kích thước tiết diện ngang của cột (kích thước cột lớn nhất)

- Bw, hw: chiều rộng và chiều cao dầm

1.2.2 Ứng dụng sàn phẳng có dầm bẹt

Như đã ph n tích ở trên, o giải quyết được vướng mắc giữa yêu cầu công năng

sử ụng trong thiết kế kiến trúc và kết cấu nên sàn phẳng có ầm ẹt đang được sử ụng ngày càng rộng rãi Một số công trình tiêu iểu ở Đà Nẵng sử ụng hệ sàn phẳng

có ầm ẹt như:

Công trình Indochina Riverside Tower

+ Địa điểm xây dựng: Số 74 đường Bạch Đằng (tiếp giáp 3 mặt tiền đường Bạch Đằng – Phan Đình Phùng – Trần Phú), Quận Hải Châu

+ Chủ đầu tư: Công ty TNHH In ochina Riv rsi tow r

+ Đơn vị thiết kế: Kiến trúc sư n Woo và công ty Gravity Partn rship (thiết

8,4 m Vách, lõi có chiều dày 200mm, 300mm, 450 mm Sàn thiết kế th o phương án sàn sườn toàn khối dày 220 mm Hệ dầm bẹt th o phương ngang nhà có kích thước

1500 x 500 mm, 1200 x 500 mm

+ Khối Apartment là nhà có 24 tầng, chiều cao 95,3 m Móng cọc khoan nhồi Kết cấu công trình là hệ khung kết hợp lõi cứng bê tông cốt thép chịu lực ước cột chính 6,6 x 6,9 m Vách, lõi có chiều dày 200, 300, 450 mm Sàn thiết kế th o phương

án sàn sườn toàn khối dày 220 mm; hệ dầm bẹt th o phương ngang nhà có kích thước

1000 x 450, 1000 x 400 mm

a) Indochina Riverside Tower b) Trung tâm CN ph n mềm N

Hình 1.10 Công trình sử d ng sàn phẳng kết hợp d m bẹt

Trung tâm công nghệ phần mềm Đà Nẵng

+ Địa điểm x y ựng: Số 02 đường Quang Trung, Quận Hải Ch u

+ Chủ đầu tư: Sở Khoa học Công nghệ Môi trường

+ Đơn vị thiết kế: Công ty tư vấn thiết kế x y ựng Đà Nẵng C C

+ Công trình là nhà có 20 tầng và 1 tầng hầm, chiều cao 74,2 m Móng cọc khoan nhồi Kết cấu khung kết hợp lõi thang máy ằng bê tông cốt th p ước cột chính 8 x 9,3 m Vách, lõi cứng bê tông cốt th p có chiều ày 200, 300 mm Sàn sườn toàn khối

có chiều ày 150 mm Hệ ầm có các kích thước: 1000 x 500 mm, 800 x 600 mm,

600 x 600 mm

Ngoài ra một số công trình khác sử ụng ầm ẹt gia cường cho sàn ứng lực trước như Novot l Hot l, Vĩnh Trung plaza, Gr n Plaza Hot l…

1.3 TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP LIÊN KẾT CỘT CFST VỚI DẦM BẸT BTCT

Nghiên cứu về khung gồm cột CFST và ầm bê tông cốt th p chưa được nghiên cứu phổ iến như khung gồm cột CFST với ầm th p hình Một số nghiên cứu gần đ y của Ni (2008 [1] và Bai (2008) [2], Qing Jun Chen (2015) [3], H.Y Yu (2013) [4], D.V Bompa (2015) [5] đã góp phần làm sáng tỏ về loại liên kết này đồng thời cung cấp các ữ liệu quý giá làm nên tảng cho các nghiên cứu s u hơn về loại liên kết này trong tương lai

1.3.1 Nghiên cứu của Nie (2008) [1] và Bai (2008) [2]

Nie (2008) [1] và Bai (2008) [2] đã phát triển một hệ thống liên kết gồm cột CFST được ọc ên trong cột bê tông cốt th p và ầm bê tông cốt th p sẽ đi xuyên qua

vị trí liên kết

Trong nghiên cứu này, tại vị trí liên kết cột - ầm o ống th p ị gián đoạn, một

ầm vòng gia cường ring- am ằng bê tông cốt th p đã được sử ụng nhằm mục đích cung cấp một hiệu ứng hạn chế nở hông cho vùng bê tông lõi Vì thế khả năng chịu lực ọc của cột tại vị trí liên kết được đảm ảo

Hình 1.11 Hình dạng liên kết đề xuất bởi Nie và Bai

Để đánh giá sự hiệu quả và nghiên cứu ứng xử của liên kết Ni (2008 [1] và Bai

(2008) [2] đã tiến hành 2 thí nghiệm kiểm tra liên kết:

(1 Thí nghiệm xác định khả năng chịu lực n n ọc của liên kết Các tham số

nghiên cứu là tỉ lệ th p ọc trong ầm vòng gia cường và iện tích mặt cắt ngang của

ầm vòng gia cường, iện tích của cột, chiều ày của ống th p

(2 Thí nghiệm xác định khả năng chịu tải trọng động đất của liên kết Liên kết

ầm bê tông - cột CFST đối với cột tại vị trí giữa nhà và cột iên đã được tiến hành

nghiên cứu nhằm xác định ứng xử động đất và khả năng ph n tán năng lượng của liên kết

Hình 1.12 Thí nghiệm xác minh khả năng chịu lực dọc của liên kết

Hình 1.13 Thí nghiệm ác định khả năng chịu động đất đối với cột giữa

Hình 1.14 Thí nghiệm ác định khả năng chịu động đất đối với cột biên

1.3.2 Nghiên cứu của Qing Jun Chen (2015) [3]

Qing Jun Chen (2015) [3] đã giới thiệu một kiểu liên kết cột CFST với ầm bê tông cốt th p và liên kết này đã được áp ụng tại tầng hầm của một tòa nhà cao tầng ở Quảng Ch u, Trung Quốc

Trong hệ thống này, ống th p ị gián đoạn tại vị trí liên kết ầm - cột, và th p

ọc ầm sẽ xuyên qua vùng kết nối ầm vòng ring- am ằng bê tông cốt th p được sử ụng để ù đắp cho sự suy giảm khả năng chịu lực n n ọc o sự gián đoạn của ống th p

Qing Jun Chen (2014) [3] đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm và ph n tích nghiên cứu cho ứng xử động đất của loại liên kết này Lợi ích của kiểu kết nối này khi ứng xử động đất đã được chứng minh trong các kiểm tra Tuy nhiên việc điều tra ứng

xử của liên kết chịu ảnh hưởng của lực ọc cũng rất cần thiết Ví ụ như liên kết này đặt tại tầng hầm của một tòa nhà cao tầng, nó chịu một lực n n ọc rất lớn

Hình 1.15 Hệ thống d m xuyên qua liên kết

Thí nghiệm của Qing Jun Ch n (2015 [3] tập trung vào nghiên cứu ứng xử của kết nối ưới tác ụng của lực ọc trục Hai tập hợp mẫu đã được nghiên cứu Trong tập hợp mẫu đầu tiên gồm 5 mẫu với tỉ lệ nguyên hình ùng để kiểm tra chính xác khả năng chịu lực ọc của kiểu kết nối này Trong tập hợp mẫu thứ 2 ao gồm 27 mẫu với chỉ riêng vùng kết nối, để điều tra cường độ giới hạn của kết nối, x m x t các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết nối Một công thức để ự đoán cường độ chịu n n giới hạn của kết nối được đề xuất và được tiến hành so sánh với các ữ liệu thực nghiệm

Hình 1.16 Thí nghiệm mẫu nguyên hình và kiểm tra riêng vùng liên kết

1.3.3 Nghiên cứu của H.Y.Yu (2013) [4]

Nhận thấy khả năng chịu lực của các liên kết ưới tác ụng của động đất là rất quan trọng cho toàn ộ công trình, với việc x m x t cơ chế mạnh liên kết - yếu các thành viên" H.Y Yu (2013) [4] đề xuất một loại liên kết mới nhằm mục đích tăng cường khả năng chịu lực tại các vị trí quan trọng

Trong liên kết này, th o chiều ọc, liên kết gồm lớp bê tông cốt th p ên ngoài

ọc cột CFST ên trong (RC CFSTL , và th o chiều ngang, liên kết sử ụng ầm

vòng bê tông cốt th p ring - am mở rộng tại cuối ầm khung để truyền ứng suất từ

ầm khung vào cột và để n o cốt th p ầm khung

Liên kết có ạng chữ T (liên kết của cột iên trong khung , 5 kiểu tải trọng th o chu kì đã được tiến hành để kiểm tra sự an toàn của liên kết và thu thập các chế độ thất

ại, sự phát triển vế nứt… ưới các tham số khảo sát khác nhau

Hình 1.17 Cấu tạo của liên kết và thí nghiệm kiểm tra

Năm mẫu với tỉ lệ thu nhỏ 1 2,5 đã được thử nghiệm ưới tải trọng th o chu kì để khảo sát ứng xử địa chấn của các liên kết Các nghiên cứu đã chỉ ra ằng t lệ án kính với ề rộng (t lệ án kính với ề rộng của ầm vòng và t lệ cốt th p (t lệ của cốt

th p của các thanh ọc của ầm vòng với th p của ầm khung là các tham số có ảnh hưởng lớn nhất đến liên kết của ầm vòng

Hình 1.18 Hình dạng phá hoại tại liên kết và tại d m vòng

Hình 1.19 Hình dạng vết nứt khi bị phá hoại tại vùng liên kết và d m vòng

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Liên kết cột ống th p nhồi êtông với ầm êtông cốt th p đang được áp ụng ngày càng nhiều Tuy nhiên, số lượng nghiên cứu chưa nhiều, ứng xử của liên kết chưa được hiểu rõ, hầu hết các nghiên cứu hiện nay về loại liên kết này đều chủ yếu tiến hành trên thực nghiệm và kết quả ph n tích đánh giá cũng ựa vào các ữ liệu từ thực nghiệm, các công thức tính toán về loại liên kết này chưa được cụ thể hóa Đồng thời các nghiên cứu khả năng chịu cắt của tại vị trí liên kết của kết cấu này như: các cơ chế truyền lực cắt, thành phần tham gia chịu lực cắt cũng chưa được nghiên cứu cụ thể, các nghiên cứu chỉ chung chung và ựa trên kết quả ph n tích thí nghiệm là chủ yếu Trong chương 2 của luận văn các cơ chế truyền lực cắt sẽ được trình ày rõ ràng hơn

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC CƠ CHẾ TRUYỀN LỰC CẮT

Hiện nay, kết cấu nhà cao tầng chủ yếu sử dụng cột BTCT truyền thống Cột ống thép nhồi ê tông (CFST được biết đến là loại kết cấu có ứng xử tốt với khả năng chịu lực, khả năng thi công nhanh, không tốn kém thời gian các chi phí và thời gian cho công tác ván khuôn, o đó giải pháp kết cấu cột ống thép nhồi bê tông với dầm bẹt

bê tông cốt th p được sử dụng sẽ mang lại hiệu quả cho công trình nhà cao tầng với kích thước nhịp lớn nhằm tăng độ cứng ngang, giảm chiều dài tính toán cho kết cấu sàn đồng thời hạn chế chiều cao tầng so với dầm cao Đối với hệ kết cấu dầm bẹt - cột CFST, sự làm việc liên tục giữa dầm và cột được kết nối bởi chốt thép chịu cắt (shear – k y o đó, cần đánh giá khả năng chịu cắt của dầm tại liên kết Hiện nay, hầu hết các tiêu chuẩn chưa đề cập đến việc tính toán khả năng chịu cắt của dầm tại vị trí liên kết, các nghiên cứu về vấn đề này còn hạn chế Cơ chế truyền lực cắt tại vị trí liên kết chưa được hiểu rõ Chương 2 này sẽ phân tích ảnh hưởng của các cơ chế truyền lực cắt khác nhau đến khả năng chịu cắt của dầm bẹt tại vị trí liên kết từ đó xác định khả năng chịu cắt cho dầm

2.1 CÁC CƠ CHẾ TRUYỀN LỰC CẮT QUA VẾT NỨT NGHIÊNG

Đối với kết cấu bê tông cốt thép thông thường và kết cấu bê tông cốt thép hỗn hợp khi chịu tác dụng của lực cắt thì trong dầm sẽ xuất hiện các vết nứt nghiêng Theo

đó tại vị trí vết nứt nghiêng hình thành sẽ xuất hiện các thành phần lực để chống lại lực cắt đó Các thành phần lực kháng cắt bao gồm:

Sự cài khóa của các cốt liệu, Vagg - Aggregate interlock;

Sự kháng cắt của bê tông vùng nén, Vch - Concrete compressive zone;

Sự kháng cắt của cốt dọc, Vdow - Dowel action ;

Sự làm việc của cốt đai, Vsw,i - Transverse reinforcement ;

Sự làm việc của Shear – key, V

Hình 2.1 Cơ chế truyền lực cắt qua vết nứt nghiêng

Như vậy, khả năng chịu cắt của dầm là tổng các sự kháng cắt trong từng cơ chế được thể hiện qua công thức tổng quát sau:

Vtot Vch V Vagg Vdow Vsw,i

(2.1)

2.2 SỰ CÀI KHÓA CỦA CÁC CỐT LIỆU

Khi chịu tác dụng của lực cắt trong dầm sẽ xuất hiện các vết nứt nghiêng gây ra

sự k o và tách trượt của hai phần dầm Vì cường độ viên đá lớn hơn so với bê tông nên vết nứt sẽ phá hoại các mạch vữa làm cho các cạnh viên đá thò ra trên các mặt đối diện của bề mặt vết nứt tạo nên sự cài khóa lẫn nhau của các cốt liệu (Hình 2.2) Cụ thể là các cốt liệu của bê tông (hạt xi măng, cát, đá sẽ trượt lên nhau tạo ra sự cài khóa và lực ma sát từ đó tạo ra lực kháng cắt do việc cài khóa giữa các cốt liệu Ứng suất của

cơ chế này phụ thuộc hình dáng vết nứt, bề rộng vết nứt, độ bao phủ của hạt xi măng với cốt liệu, độ sắc cạnh của cốt liệu, mô đun độ lớn của các cốt liệu, v.v

Như đã ph n tích, vết nứt xuất hiện trong cấu kiện bê tông chỉ phá hoại lực bán dính hay nói cách khác là tách rời liên kết giữa vữa xi măng và cốt liệu nhưng không phá hoại cốt liệu lớn Khi đó trên ề mặt vết nứt xuất hiện 02 ứng suất chính là ứng suất tiếp agg và ứng suất pháp agg Ứng suất tiếp agg xuất hiện khi các cốt liệu trượt lên nhau tạo ra lực ma sát để kháng cắt Ứng suất pháp agg xuất hiện khi vết nứt chưa phá v liên kết giữa hạt xi măng và cốt liệu chính là lực dính giữa hạt xi măng và cốt liệu để chống lại lực cắt Các ứng suất này được tính theo công thức (2.2) và (2.3)

Hình 2.2 Cơ chế cài khóa của các cốt liệu

Công thức tính toán cho cơ chế trên được đề xuất bởi Walraven [6] [7] như sau: agg pu As Aw (2.2)

Diện tích tiếp xúc Aw và As phụ thuộc vào bề rộng vế nứt w, độ trượt vết nứt

s, đường kính cốt liệu lớn nhất dg và t lệ cốt Mối liên hệ giữa Aw và As phụ thuộc vào bề rộng vết nứt, độ trượt vết nứt, đường kính cốt liệu và t lệ cốt liệu trên một đơn

vị thể tích ê tông ρk Từ mô hình mô phỏng vết nứt cắt (Hình 2.2) diện tích tiếp xúc

Aw và As xác định theo công thức tổng quát (2.5)

2 1

4

m

D k

2 2

2 ax w

Sự đóng góp của cơ chế truyền lực cắt này được xác định bằng cách tính toán

các ứng suất trung bình xảy ra tại vị trí vết nứt cắt chính từ giai đoạn bắt đầu gia tải

đến giai đoạn phá hoại Vì bề rộng và độ trượt của vết nứt tăng ần theo mức độ gia tải

nên sự đóng góp của cơ chế này vào khả năng kháng cắt giảm dần từ giai đoạn bắt đầu

gia tải đến giai đoạn cực hạn

2.3 KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA BÊ TÔNG VÙNG NÉN

Cơ chế này nói về khả năng chịu cắt của cấu kiện tại vùng bê tông chịu nén

Khi cấu kiện bê tông chịu moment âm (moment quay cùng chiều kim đồng hồ), thớ

trên của bê tông chịu k o đồng thời moment gây ra sự nén bê tông ở thớ ưới từ đó tạo

ra một vùng nén cứng làm cho vết nứt không thể phát triển và gây nứt bê tông ở vùng này

Khả năng kháng cắt bởi bê tông chịu nén phụ thuộc vào cường độ chịu nén của

ê tông, kích thước cấu kiện, vị trí trục trung hòa và sự phân bố của lực nén

Hình 2.3 Cơ chế chịu cắt của vùng nén bê tông

Các nghiên cứu đã tiến hành hàng loạt các phương trình c n ằng tại phần cấu

kiện tự o ( r o y để có thể tìm ra lực cắt truyền qua vùng bê tông chịu nén Ứng

suất cắt trong vùng nén bê tông có dạng parabol ở giai đoạn đầu gia tải (vùng đàn hồi),

trong khi ở giai đoạn phá hoại ứng suất cực đại nằm trên vị trí trục trung hòa của vùng

bê tông chịu nén

Để đơn giản trong tính toán, sự phân bố ứng suất cắt v ch , ứng suất pháp chtrong ê tông vùng n n được tính theo công thức (2.8) và (2.9)

ch ch

2.4 KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA CỐT ĐAI

Đối với cấu kiện bê tông cốt thép, cốt đai không chỉ đóng vai trò trong việc tạo hình cho cấu kiện mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc tham gia vào khả năng chịu cắt của cấu kiện Khi cấu kiện chịu lực cắt trên bề mặt lúc này sẽ xuất hiện vết nứt nghiêng, lúc này cốt đai đóng vài trò ngăn cản sự tách bê tông th o phương ọc khi vết nứt phát triển từ đó tạo ra lực để ngăn cản sự phát triển của vết nứt

Khi dầm chịu cắt, trên dầm xuất hiện nhiều vết nứt nghiêng với chiều dài và bề rộng khác nhau Tuy nhiên khả năng chịu cắt lớn nhất của cốt đai được tính toán dựa vào vết nứt chính hay nói cách khác là vết nứt có chiều dài và bề rộng lớn nhất

Khả năng đóng góp của cơ chế này vào khả năng kháng cắt của cấu kiện phụ thuộc lớn vào mô đun đàn hồi của cốt đai, đường kính cốt đai, chiều dài, bề rộng vết nứt chính, chiều dài neo của cốt đai và được xác định theo công thức (2.12)

Hình 2.4 Cơ chế chịu cắt của cốt đai

Công thức tính toán cho cơ chế trên được đề xuất bởi D.V Bompa (2015) [5]:

ra Vết nứt phát triển qua càng nhiều cốt đai thì khả năng đóng góp của cơ chế này càng lớn Bề rộng vết nứt càng lớn làm cho cốt đai giãn ài lớn sẽ gây ra ứng suất lớn tại cốt đai, tuy nhiên độ giãn dài của cốt đai trong thiết kế không nên vượt quá miền đàn hồi

2.5 ĐÓNG GÓP CỦA CỐT DỌC VÀO KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM

Đối với cơ chế truyền lực cắt này cốt dọc đóng vai trò như một cốt ( ow l để ngăn cản sự tách ê tông th o phương ngang khi vết nứt nghiêng cắt qua Việc kích hoạt sự làm việc của cơ chế này đòi hỏi một mức độ chuyển vị của cốt dọc dow liên qua đến một chuỗi các hiệu ứng trong vùng nứt, chẳng hạn như sự uốn của cốt dọc cũng như hiệu ứng thứ cấp trong ê tông như r akout concr t và spalling concr t ở trạng thái tới hạn

Sự hoạt động chịu cắt của cốt dọc có thể tóm tắt qua 02 giai đoạn:

+ Giai đoạn 1: Vết nứt cắt ngang cốt dọc nhưng chưa tách rời bê tông

+ Giai đoạn 2: Vết nứt phá hoại bê tông lớp bê tông bảo vệ và tách rời ra khỏi cốt dọc và đồng thời gây ra chuyển vị của cốt dọc

Hình 2.5 Cơ chế chịu cắt của cốt dọc

Khả năng kháng cắt của cơ chế này phụ thuộc vào: đường kính cốt dọc, cách bố trí cốt dọc, bề rộng mặt tiếp xúc giữa bê tông và cốt thép tại vị trí phá hoại và cường

độ chịu cắt của bê tông Theo Hình 2.5 lực cắt trong từng thành phần do sự hoạt động của cốt dọc bao gồm lực cắt do uốn Vdow,u, lực cắt Vdow,br và sự đóng góp Vdow,sp

Tổng sự kháng cắt do hoạt động của ow l xác định bởi công thức (2.17)

Các nghiên cứu cho thấy cơ chế này đóng góp không đáng đến khả năng kháng cắt của dầm và khi xảy ra giai đoạn 2 thì khả năng kháng cắt do cốt dọc không được tính đến Đối với những cấu kiện bêtông không có cốt đai thì khả năng kháng cắt của cấu kiện thông qua cơ chế này đóng góp rất lớn gần 50% tổng giá trị lực kháng cắt của cấu kiện

2.6 HOẠT ĐỘNG CHỊU CẮT CỦA SHEAR-KEY

Sh ar k y là đoạn thép hình tiết diện H được hàn cứng vào thành ống thép dùng

để kết nối dầm và cột đảm bảo sự làm việc liên tục tại nút Cánh ưới của Shear - key đóng vai trò như gối đ cho thanh chống phát triển Trong từng trường hợp cụ thể, độ dài shear-key ảnh hưởng đến hình dáng của thanh chống Khi lực tác dụng tăng lên tạo

ra ứng suất lớn trong thanh chịu nén sẽ gây ra vết nứt nghiêng Vết nứt này có thểcắt qua shear-key hoặc phát triển ên ưới shear-key

Tại trạng thái tới hạn, hai phần dầm sẽ xoay quanh trục ên ưới cánh ưới của shear-key, sự xoay nàygây ra sự trượt của dầm ra khỏi shear-k y Độ lớn của lực xoay cần thiết để tạo ra sự trượt liên quan trực tiếp đến bề rộng vết nứt cắt Như vậy, sự đóng góp của shear-key vào khả năng chịu cắt của dầm chính là lực dính của phần bê tông với bề mặt sh ar k y được phân chia bởi vết nứt nghiêng cắt qua Độ lớn của lực cắt tính theo công thức (2.18)

Hình 2.6 Hoạt động chịu cắt của shear - key

,

2 b v v v.cot

V b c (2.18)

b,v,max 0,5Mpa (2.19) ( , ,max) 0,1

b v

v mm (2.20)

0,8 [8][9] (2.21)

Trong đó: v, cv là bề rộng và chiều cao của shear - key; hệ số ma sát 0,8

Lực cắt ma sát tổng hợp giữa shear-key và phần bê tông bị tách rời được tính toán dựa trên toàn bộ vết nứt cắt ngang qua phần cánh của shear- key Tuy nhiên,với vết nứt không cắt ngang Shear- key thì nó không tham gia chịu cắt

2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Trong chương này đã trình ày chi tiết về các cơ chế đóng góp vào khả năng kháng cắt của cấu kiện bao gồm: Sự cài khóa của các cốt liệu, Vagg - Aggregate interlock; Sự kháng cắt của bê tông vùng nén, Vch - Concrete compressive zone; Sự kháng cắt của cốt dọc, Vdow - Dowel action ; Sự làm việc của cốt đai, Vsw,i - Transverse reinforcement ; Sự làm việc của Shear – key, V Với mỗi cơ chế thực hiện phân tích ứng xử và đề xuất mô hình tính toán cụ thể Để xác thực các cơ chế làm việc cũng như đánh giá độ tin cậy của lý thuyết tính toán thì việc tiến hành các thí nghiệm cụ thể là cần thiết và sẽ được trình bày trong Chương 3

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT LIÊN KẾT BẰNG THỰC NGHIỆM

Như đã ph n tích ở Chương 2, khả năng chịu cắt tại liên kết giữa cột CFST và dầm bẹt BTCT đã được phân tích và đưa ra quy trình tính Tuy nhiên để kiểm tra liên kết đề xuất có đảm bảo các yêu cầu về mặt kĩ thuật, giải pháp cấu tạo có hợp lý và quy trình tính toán liên kết có tin cậy thì cần tiến hành thí nghiệm Trong chương này sẽ tiến hành thiết kế, chế tạo mẫu và thực hiện thí nghiệm mẫu liên kết cột CFST với dầm bẹt BTCT

3.1 CHẾ TẠO MẪU, THIẾT BỊ VÀ THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM

3.1.1 Cấu tạo liên kết cột CFST – dầm bẹt BTCT và thiết kế mẫu thí nghiệm

Cấu tạo liên kết: Căn cứ vào ph n tích cơ chế truyền tải trọng và cơ chế phá hoại

do cắt trong liên kết giữa dầm - cột BTCT, liên kết dầm bẹt BTCT với cột CFST được cấu tạo gồm: Mũ thép chịu cắt (shear-head), sử dụng thép chữ H được hàn trực tiếp lên

bề mặt bên ngoài của ống th p (Hình 3.1 x m như một cái chốt (sh ar k y đảm bảo tính liên tục giữa sàn và cột CFST, làm tăng khả năng chịu cắt cho dầm Cánh ưới của thép hình mở rộng, x m như điểm tựa cho các thanh chống nghiêng bê tông làm việc, đảm bảo cơ chế truyền lực nén từ dầm vào cột Bên cạnh đó, cốt thép dầm được xiên qua cột thông qua các lổ khoan sẵn trên mặt cột nhằm nâng cao tính liên tục cho liên kết và khả năng chịu mô men của dầm

Hình 3.1 Cấu tạo liên kết

Để đảm bảo độ tin cậy và tính kết nối với công trình thực tế, mẫu thí nghiệm được chọn dựa trên việc phân tích một mặt bằng sàn có kích thước như Hình 3.2 Sử dụng phương án ầm bẹt, cột ống thép nhồi bê tông Kích thước dầm được chọn b×h=600×350(mm) Cột sử dụng ống thép hộp vuông 300×300×10(mm) Shear-head chọn thép hình tiết diện chữ H, với chiều cao tiết diện dầm h=350mm, chọn H200×200, đoạn vươn của shear-head lấy lv=250mm Shear-h a được hàn vào mặt cột bằng đường hàn dọc theo chu vi tiết diện và lệch xuống phía ưới so với trục tiết diện

Tải trọng trên sàn được tính theo TCVN 2737-1995 với trọng lượng bản thân và hoạt tải sử dụng phân bố đều trên sàn là q =15kN m2 Ph n tích mô m n xác định chiều dài của dầm thí nghiệm tại vị trí mô m n đạt giá trị bằng 0 (Hình 3.2.)

29

7Ø22

Ø8 a150 7Ø12 2Ø20

3.1.2 Chế tạo mẫu thí nghiệm

Mẫu cột được chế tạo từ ống th p vuông kích thước300 300mm2chiều dày thành ống 10mm Trên thân ống có khoét lổ để đưa cốt thép neo vào cột Các mũ th p chịu cắt được cấu tạo thép hình số hiệu H200 200 được xuyên qua cột thông qua các

lổ khoét sẵn trên mặt cột và được hàn tại bề mặt ngoài của cột Chân cột được hàn một bản thép 340 340mm2 chiều dày 20mm để đặt kích gia tải sau này, đầu cột để trống

để đổ ê tông Công đoạn chế tạo mẫu được thực hiện và kiểm tra chất lượng tại xưởng

Sau khi chế tạo mẫu ống thép, tiến hành gia công cốt thép Cốt thép dầm gồm cốt thép lớp trên đường kính 7 20 2 20, cốt thép lớp ưới 7 12 và cốt đai th p chịu cắt đường kính 10.

Hình 3.4 Công tác lắp đặt cốt thép cho mẫu thí nghiệm

Để đánh giá ứng xử của cốt đai, các Strain gaug đo iến dạng được gắn vào trong các cốt đai trước khi đổ ê tông như Hình 3.5

Hình 3.5 Công tác lắp đặt strain gauge vào cốt đai

Cốt thép dầm được xuyên qua các lổ khoan sẵn trên mặt cột sau đó lắp đặt cốt đai chịu cắt Sau đó tiến hành đóng ván khuôn Các cốt th p này được buộc thành khối với nhau

Hình 3.6 Bố trí cốt thép cho mẫu và vị trí, kí hiệu Strain gauge