2.2 Liên kết chống cắt trong kết cấu liên hợp
2.2.3 Đánh giá khả năng chịu lực của một số dạng liên kết
chống cắt
Việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển kết cấu bê tông - cốt thép liên hợp dùng trong các lĩnh vực cầu đường, nhà cửa và các dạng công trình kỹ thuật khác đã và đang được rất nhiều quốc gia quan tâm. Hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến các dạng liên kết chống cắt, một số kết quả điển hình được liệt kê tóm tắt ở đây.
JORGEN G. OLLGAARD và cộng sự [6] nghiên cứu khả năng chịu lực của liên kết dạng đinh với bê tông thường và bê tông nhẹ bằng thí nghiệm push-out. Tác giả đã đề xuất công thức tính toán khả năng chịu cắt của đinh theo cường độ và mô đun đàn hồi của bê tông, đưa ra được công thức quan hệ giữa chuyển vị và tải trọng.
MD. KHASRO MIAH [7] phân tích biến dạng của liên kết chống cắt trong kết cấu liên hợp. Theo đó, việc khảo sát đo lường biến dạng ở chân liên kết đinh tán bằng thực nghiệm tương đối khó khăn, khả năng chịu lực của chân liên kết và vùng bê tông xung quanh có thể xác định bằng phương pháp số. Các tác giả đã đề xuất mô hình tính cũng như các thông số vật liệu cho mô hình và biểu đồ ứng xử của liên kết.
EHAB ELLOBODY, BEN YOUNG [8] đã thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm đối với liên kết dạng đinh trong kết cấu liên hợp có sử dụng tấm tôn sàn đặt
vuông góc với dầm thép. Nội dung chính của nghiên cứu là phát triển mô hình phần tử hữu hạn nhằm khảo sát ứng xử của liên kết. Phần mềm ABAQUS được sử dụng, kết quả mô phỏng được so sánh với các công thức tính toán cường độ liên kết theo AISC, BS5950 và EC4. Các tác giả đã đưa ra các biểu đồ lực - chuyển vị và phân tích sự ảnh hưởng của các yếu tố cường độ bê tông, kích thước tấm tôn, đường kính và chiều cao của chốt đến khả năng chịu lực của liên kết. Kết quả cho thấy, khả năng chịu lực của liên kết được tính toán theo tiêu chuẩn AISC và BS5950 cao hơn so với mô phỏng khoảng 25%. Trong khi đó, kết quả tính bằng EC4 tương đối gần với mô phỏng nhất.
A.L.SMITH, G.H.COUCHMAN [9] đã tiến hành thí nghiệm push-out trên 27 mẫu sử dụng liên kết chống cắt dạng đinh có sử dụng tấm tôn định hình. Kết quả thí nghiệm cho thấy, nếu dùng hai đinh liên kết tại một vị trí thì khả năng chịu lực tăng khoảng 16% so với việc chỉ dùng một đinh. Ngoài ra, khi sử dụng lưới thép đặt dưới đầu đinh thì khả năng chịu lực sẽ tăng khoảng 30% so với trường hợp đặt dưới lớp bảo vệ tính từ mặt sàn cho cả hai trường hợp đặt một và hai đinh.
M. M. ABBASS và các cộng sự [10] nghiên cứu cường độ và ứng xử của liên kết dạng đinh dùng cho sàn bê tông cốt thép, thí nghiệm với 7 mẫu khác nhau về đường kính chốt và cường độ bê tông. Kết quả cho thấy, khi tăng đường kính chốt liên kết và cường độ bê tông tăng thì khả năng chịu cắt của liên kết cũng tăng. Khi tải trọng còn thấp thì biến dạng trượt tương đối nhỏ, tại vị trí đạt 80% tải lớn nhất thì biến dạng tăng nhanh cùng với sự phá hủy ở bản bê tông.
SHERVIN MALEKIN và SAMAN BAGHERI [11] nghiên cứu ứng xử của liên kết chống cắt dạng chữ C trong các trường hợp sử dụng bê tông thường, bê tông cốt thép và bê tông sợi. Thí nghiệm tiến hành trên 9 mẫu chịu tác dụng của tải trọng thường và 7 mẫu chịu tải trọng lặp. Nghiên cứu đã phân tích mức độ ảnh hưởng của các loại sợi cũng như hàm lượng cốt thép đến khả năng chịu lực của liên kết. Kết quả cho thấy, sự phá hoại của mẫu chủ yếu xảy ra trong bê tông và ứng xử của liên kết được xếp vào loại liên kết dai. Bên cạnh đó mô phỏng
liên kết trên phần mềm Ansys được thực hiện để so sánh kết quả với lý thuyết và thực nghiệm [12].
MAHDI SHARIATI [13] tiến hành nghiên cứu ứng xử của liên kết chống cắt dạng chữ C với các bê tông thường, bê tông có cốt thép và bê tông nhẹ. Kết quả của thí nghiệm cho thấy rằng, khả năng chịu lực của liên kết khi sử dụng bê tông nhẹ giảm 20% so với bê tông thường. Liên kết dài hơn cho độ dai lớn hơn.
Với mẫu bê tông thường không đặt cốt thép thì độ dai tương đối nhỏ, kết cấu bị phá hoại giòn. Khi cùng so sánh cùng một kích thước liên kết thì cốt thép làm khả năng chịu lực và độ dai cho liên kết.
Liên kết chống cắt dạng perfobond được nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây. Trong một số công trình đã được công bố, các tác giả đã nghiên cứu ứng xử của liên kết cũng như xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến chúng và đề xuất một số mô hình tính toán cho dạng liên kết này.
M.R.VELDANDA, M.U.HOSAIN [14] đã tiến hành thí nghiệm so sánh khả năng chống cắt của liên kết dạng đinh và liên kết dạng perfobond chốt kín.
Kết quả cho thấy với những mẫu có bề dày bản bê tông là 100mm thì một lỗ perfobond có khả năng chịu lực tương đương với năm liên kết đinh kích thước l6mm×75mm. Ngoài ra, khi sử dụng thêm cốt thép xuyên qua lỗ thì khả năng chịu lực tăng khoảng 50% khi sử dụng sàn dày 100mm và 40% khi sử dụng sàn dày 150mm.
E.C.OGUEJIOFOR, M.U.HOSAIN [15] tiến hành mô phỏng thí nghiệm push- out với 40 mẫu dùng liên kết perfobond đóng kín, xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của liên kết và từ đó đưa ra phương trình tính toán khả năng chống cắt qu của liên kết.
ISABEL VALENTE và PAULO J.S.CRUZ [16] đã thực hiện khảo sát thực nghiệm sự trượt giữa bê tông và thép khi sử dụng liên kết dạng perfobond đóng kín với bê tông nhẹ. Thí nghiệm được tiến hành với 4 nhóm mẫu, các thông số được khảo sát là cường độ bê tông, hàm lượng cốt thép đặt trong liên kết và khoảng cách các lỗ. Chương trình thí nghiệm nhằm đánh giá ứng xử của liên kết,
đồng thời so sánh với kết quả tính từ công thức thực nghiệm của Ouguejiofor và Hosain đã nghiên cứu trước đó. Kết quả cho thấy, tải phá hoại tính bằng công thức này nhỏ hơn so với giá trị thực nghiệm khoảng 20%. Bên cạnh đó, việc sử dụng liên kết perfobond với bê tông nhẹ cho kết quả độ dai liên kết rất nhỏ (δu
= 1.39 - 2.2mm).
PETER CHROMIAK, JIRI STUDNICKA [17] đã tiến hành thí nghiệm với liên kết perfobond có dạng như hình 2.12. Theo đó, thí nghiệm push-out được tiến hành trên 12 mẫu với đường kính lỗ 32mm và 16 mẫu với đường kính 60mm. Loại liên kết này cho biến dạng trượt δu khoảng 1.8 đến 2.2mm.
(a) Đường kính lỗ 60mm (b) Đường kính lỗ 32mm
Hình 2.12: Kích thước và hình dạng perfobond
TUE và VINH [4] đã tiến hành các khảo sát thực nghiệm đối với hai dạng perfobond đóng và mở tiết diện lỗ tròn. Bản sàn được làm bằng bê tông cường độ siêu cao với cường độ nén 150M P a. Kết quả cho thấy, liên kết perfobond có khả năng truyền lực tốt; khả năng chịu lực của hai loại liên kết này cho kết quả gần như nhau. Ngoài ra công trình nghiên cứu đã đưa ra được phương trình tham số dự đoán khả năng chịu tải trọng tới hạn của liên kết.
J.DA.C.VIANNA và các cộng sự [18] đã tiến hành khảo sát ứng xử của liên kết perfobond và T-perfobond. Các tác giả đã tiến hành 12 thí nghiệm push-out theo tiêu chuẩn EC4. Thí nghiệm được chia thành 2 nhóm chính: liên kết perfobond 2 lỗ và liên kết perfobond 4 lỗ (hình 2.13), với bề dày của bản sàn bê tông là 120mm và 200mm. Kết quả của thí nghiệm này cho thấy:
Hình 2.13: Mẫu thí nghiệm với Pefobond và T-pefobond
• Đối với perfobond: khi bề dày của bản bê tông tăng thì khả năng chịu lực PRk tăng và biến dạng trượt δu cũng tăng. Số lượng các lỗ trong liên kết không ảnh hưởng nhiều đến khả năng chịu lực.
• Đối với T-perfobond: dạng liên kết này cho khả năng chịu lực tốt hơn, tuy nhiên độ dai của liên kết lại nhỏ hơn so với liên kết perfobond. Nếu so sánh với cùng dạng liên kết T-perfobond thì khi tăng bề dày sàn từ 120mm lên 200mm thì khả năng chịu cắt tăng 26% và giá trị này cũng tăng khi thay đổi hình dạng từ 2 lỗ sang 4 lỗ.
Hình 2.14 mô tả dạng phá hoại của mẫu sau khi kết thúc thí nghiệm.
Hình 2.14: Dạng phá hoại bản bê tông và liên kết T-perfobond
Trong ngành xây dựng cầu, kết cấu liên hợp thép - bê tông đang được ứng dụng rộng rãi, trong đó liên kết dạng cắt liên tục dựa trên nguyên lý làm việc của
chốt bê tông đang được quan tâm và ứng dụng ở một số quốc gia như Đức, Ba Lan. Năm 2010, W.LORENC, E.KUBICA, M.KOZUCH [19] đã nghiên cứu quá trình làm việc của dạng liên kết dùng cho cầu, theo đó liên kết được tạo ra bởi đường cắt liên tục tại bụng dầm I của VFT-WIB [3]. Hình 2.15 minh họa mô hình kết cấu và đường cắt trên bụng dầm. Tác giả đã tiến hành các thí nghiệm push-out và thí nghiệm trên dầm.
Hình 2.15: Hình dạng liên kết perfobond của VFT-WIB [3]
Năm 2006, Hyeong-Yeol Kim, Youn-Ju Jeong [20] đã thực hiện khảo sát ứng xử của sàn cầu liên hợp thép – bê tông dùng liên kết perfobond. Để kiểm chứng hiệu quả ứng dụng hệ sàn này, các thí nghiệm push-out, full-scale flexural, và liên kết dầm - sàn cho mỗi loại tấm định hình đã được tiến hành. Kết quả của những thí nghiệm cho thấy rằng liên kết perfobond sử dụng rất hiệu quả để chống cắt trong sàn liên hợp.
Năm 2009, Youn-Ju Jeong, Hyeong-Yeol Kim, Hyun-Bon Koo [21] đã tiến hành khảo sát khả năng kháng cắt của sàn liên hợp thép – bê tông sử dụng liên kết perfobond. Trong nghiên cứu này, sàn cầu liên hợp thép – bê tông chịu tác dụng của tải trọng bề mặt, khả năng kháng cắt dọc được đánh giá bằng phương pháp m–k. Các thí nghiệm push-out và full-scale flexural được tiến hành với các liên kết chống cắt dùng dạng perfobond giống nhau và khả năng kháng cắt tương ứng được đánh giá và so sánh với nhau. Kết quả cho thấy rằng, khả năng kháng cắt của sàn chịu tải trọng bề mặt, trường hợp đoạn chịu cắt dài, tương đương với kết quả của thí nghiệm push-out. Tuy nhiên, trường hợp đoạn chịu cắt ngắn, kết quả không tương đương vì lực ma sát giữa tấm thép và bê tông tăng lên.
Hiện nay việc ứng dụng liên kết chống cắt cho dầm sàn liên hợp trong thực tế thi công công trình của nước ta chủ yếu là dùng liên kết dạng đinh. Các nghiên cứu khác về bê tông cốt thép liên hợp vẫn còn hạn chế, đến nay chưa thấy các đề tài nghiên cứu ở Việt Nam đối với liên kết dạng perfobond, cũng như là chưa ứng dụng dạng liên kết này ngoài thực tế thi công công trình.