2.1. Sự hình thành tháp choc thủng
Khi sàn truyền lực đứng qua liên kết cột giữa - sàn phăng BTCT, liên kết sẽ bị phá hoại do chọc thủng cục bộ tại vi trí liên kết. Dé giải thích sự hình thành tháp chọc thủng Kinnuen và Nylander (1960) đã tiến hành nhiêu thí nghiệm choc thủng của liên kết san— cột giữa tròn BTCT và kết luận sự hình thành tháp chọc thủng trải qua 4
bước như sau Hình 2.1:
(1) Các vết nứt đầu tiên theo phương tiếp tuyến xuất hiện tại các phan tử bê tông
chịu kéo xung quanh chu vi cột do mô men âm.
(2) Sự lan truyền nút sẽ tiếp tục xảy ra với sự hình thành các vết nứt hướng tâm từ các vết nut tiếp tuyến.
(3) Tiếp đó các vết nứt tiếp tuyến khác sẽ xuất hiện bên ngoài chu vi cội.
(4) Khi tăng tải thêm, các vết nút tiếp tuyến theo phương đứng ban dau ở mặt trên sản tiếp tục phát triển theo phương xiên hướng về phía mặt cột ở mặt dưới sàn.
(5) Với sự gia tăng chuyên vi đứng, vét nứt mở rộng đên mép cột. Vêt nứt cat cuôi cùng hoặc trùng hoặc năm ở ngoài vét nứt tiêp tuyên ngoài cùng mà đã xuât hiện trước khi phả hoại.
/ \ / +/
/ , = \ / \
\ \
\
\\
\
(\
| ` | | ) ' )\ ca, lạ Í \ \ Ấ j \ \ K |
\ = -? / \ hese? 2# L, j \ > sek A) ER i ị\ ~ / \ ‘or / \ (Kv “f /
\ £ / = / /
— TS we eS —_—
(1) (2) (3)
\ / T ——— T mm.
\ L | \ ị
N / \ |
\ ƒ\ f
| S A
(4) (5)
| ( ` \ |
Hình 2.1: Sự hình thành tháp chọc thủng
2.2. Các phương pháp gia tăng khả năng kháng chọc thủng của liên kết cột — sàn phẳng BTCT
Có nhiều phương pháp được phát triển và nghiên cứu đề giúp gia tăng khả năng kháng chọc thủng của liên kết cột - sàn phăng BTCT, mục này sẽ giới thiệu một cách tổng quan các phương pháp đã được ứng dung, và là cơ sở dé giải thích ly do chọn liên kết mới của tác giả.
2.2.1. Gia tăng hàm lượng cốt thép chịu kéo cho liên kết
Sự phá hoại do chọc thủng là sự mở rộng và lan truyền vết nứt tại thớ bê tông chịu kéo ở mặt trên sản xuống tho bê tông chịu nén ở mặt dưới sàn sát mép cột, điều này cho thay cường độ bê tông chịu kéo ảnh hưởng nhiều đến khả năng kháng chọc thủng của liên kết. Tuy nhiên việc gia tăng hàm lượng cốt thép chịu kéo trong sản cũng làm tăng khả năng kháng chọc thủng của liên kết. Muttoni (2008), Guandalini (2009) và Marzouk và Hussei (1991) đã tiễn hành thí nghiệm chọc thủng cột - sàn phắng BTCT với hàm lượng thép chịu kéo thay đối khác nhau theo mỗi phương. Qua kết quả thí nghiệm các tác giả đã kết luận rằng sự gia tăng hàm lượng cốt thép chịu kéo làm khả năng kháng chọc thủng của liên kết tăng từ 10% — 50%.
2.2.2. Tăng cường độ bê tông quanh vùng tháp chọc thủng
Đây là một phương pháp được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn. Ghannoum (1998) đã tiến hành thí nghiệm ba mẫu san với kích thước hình học giống nhau, ham lượng cốt thép giống nhau, điều kiện biên giéng nhau nhưng khác nhau về cường độ bê tông quanh vùng tháp chọc thủng và kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng việc tăng cường độ bê tông làm khả năng kháng chọc thủng của liên kết tăng từ 21% — 47%, Bảng 2-I.
Bảng 2-1: So sánh giá trị lực chọc thủng khi thay đổi cường độ bê tông quanh
vung tháp chọc thủng
. | Cường độ bê | |W€Xuất |
Mau thi nghiém tông F4 hiện vet Luc pha % chênh lệch tải (4750x4750x150) (MPa) nut dau hoại (KN) pha hoai
tiên (KN) S] 37.2 56 301 -- S2 57.1 80 363 21 S3 67.1 90 443 47
2.2.3. Gia tăng diện tích vùng chịu lực đầu cột
Đây là phương pháp được áp dụng phô biến trong thiết kế hệ sàn phăng - cột BTCT hiện nay với việc sử dụng mũ cột và/hoặc bản đầu cột để tăng chu vi tháp choc thủng ở các vị trí nguy hiểm. Ưu điểm của giải pháp này là sự hiệu quả về mặt kinh tế do chỉ tăng cục bộ kích thước câu kiện chứ không tăng chiều dày của toàn sản hoặc kích
thước toàn cột Hình 2.2.
Hình 2.2: Gia tăng vùng diện tích chịu lực đấu cột 2.2.4. Gia tăng cốt thép chịu cắt tại vị trí liên kết
Hệ thống cốt thép chịu cat được cấu tạo từ các thanh thép uốn phối hop từ hai bên nhịp lên gối (bentbar) (a), hoặc đai 1 nhánh (b), hoặc đai nhiều nhánh gãy khúc (c), hoặc đai vòng (closed-tie) (d) xung quanh vị trí liên kết cột - sàn phắng BTCT nhằm tăng khả năng kháng chọc thủng cho liên kết Hình 2.3.
Lips cùng cộng sự (2012) đã tiến hành thí nghiệm sử dụng cốt thép chịu cắt cho liên kết. Kết quả chỉ ra rằng khi sử dụng hàm lượng cốt thép chịu cắt cao khả năng chống chọc thủng của liên kết có thé tăng từ 7% đến 40% tùy thuộc vào hàm lượng và chiều dày sàn so với liên kết không sử dụng cốt thép chịu cắt. Tuy nhiên phương pháp này không toàn diện bởi vì cốt thép chịu cat không đạt đến giới hạn chảy khi cơ câu pha hoại do chọc thủng xuất hiện.
45 deg max
ZE—DPoBor
D2223)
(c) (d)
Ww
Hình 2.3: Sử dụng cốt thép chịu cat cho liên kết.
2.2.5. Gia cường hệ cốt cứng chịu cắt (shear head) tại liên kết
Y Corley và Hawkins (1968) đã đề xuất hệ cốt cứng chịu cắt dé gia cường khả năng kháng cắt của liên kết. Liên kết này sử dụng các thanh thép hình hoặc tổ hợp được hàn với nhau và được đặt xung quanh vị trí cột - sàn phăng BTCT.
Si 24” =
’
eS an at 5ơ ee ees Gee | ; ]
Ie See = =< PS BS RSTSS et SSE
Se
a iil we. 5 Bars _ Ve Clear
j= — 4 Ne. 5 Bars 7 112” Clear
Note: f”—2 S4cm
SECTION AA
Hình 2.4: Hệ cốt cưng chịu cốt.
Tổng cộng 21 mẫu thí nghiệm đã được tiến hành với liên kết cột - sàn phăng BTCT có và không có hệ cốt cứng chịu cat (shear head) và kết quả thí nghiệm cho thấy có
2 hình dạng phá hoại khi chọc thủng được mô tả như sau:
(1) Đối với liên kết không có hệ cốt cứng chịu cat, tháp choc thủng hình thành từ mép cột với san ở mặt dưới chịu nén và phát triển dần lên mặt chịu kéo của sản với góc nghiêng khoảng từ 20 đến 30 độ theo phương ngang, hình dạng
tháp chọc thủng được miêu tả như Hình 2.5.
(2) Đối với liên kết có hệ cốt cứng chịu cắt, tháp chọc thủng hình thành từ đầu mút cốt cứng chịu cắt chứ không phải ở mép cột và sàn như miêu tả ở (1) và phát triển dần lên mặt chịu kéo của sàn với góc nghiêng từ 20 đến 30 độ theo
phương ngang, do vay chu vi tháp chọc thủng sẽ lớn hon và kha năng khang chọc thủng sẽ lớn hơn. Hình dạng tháp chọc thủng được mô tả như Hình 2.6.
Hình 2.5: Chu vi tháp chọc thủng hình thành từ mép cột
Hình 2.6: Chu vi thắp chọc thủng hình thành từ mép của hệ thong “shearhead”
Y Hệ chịu cắt được câu tao từ các chốt Hình 2.7 được hàn vào các tâm kim loại được dé xuất bởi các tác giả người Đức. Qua các thí nghiệm Gali (1987) va Dilger (1985) kết luận rang sử dụng liên kết dạng chốt sẽ làm tăng khả năng kháng chọc thủng của liên kết và hiệu quả hơn so với sử dụng các thanh cốt cứng
chịu cat.
Hình 2.7: Hệ chốt chịu cắt (http://www.maxfrank.co.uk)
Vv Hệ liên kết băng kháng cắt được 2 tác giả là Pilakoutas va Li (2003) phát triển bang cách sử dụng các dải thép tam mong khoét lỗ Hình 2.8. Việc khoét lỗ này giúp các dai băng neo vào bê tông tốt hơn như được chứng tỏ từ kết qua thí nghiệm.
Những dai băng dễ uốn dé tạo hình này được đặt theo phương vuông góc với vết nứt cắt. Thí nghiệm cho thay độ dai và cường độ của san được gia cường băng các dải băng tăng lên đáng kể.
The pre, NHA TA: Shes bend” ae way of re “Shearband” reinforcement
a) The inclined Sar Re of shear reinforcement
Le oO ° co ° ° °. J So ° cả ° ° cs Ầ co a b) Flat steel strip punched with holes
Hình 2.8: Hệ băng kháng cắt.
VY Viéc thêm vao dau cột tam thép nhằm làm tăng kích thước của chu vi tháp chọc thủng là một phương pháp khác để tăng khả năng chống chọc thủng của liên kết.
Subedi và Bglin (2003) đã đưa ra loại liên kết dang “NULL” bao gôm tam thép phẳng
và nhiều thanh U được hàn trên bề mặt tâm thép dé có thé bố trí cốt thép san dé dang
Hình 2.9.
Top flexural
V / main bars =
— : e by w 7 VI * T k Ư T Ly 1. ) Slab
Nhân: %4 My Ä / ¿X / JJ). 2 =, 1§0 mmdeep Bottom steel plate * Cruciform
Column
+lee
Hinh 2.9: Hé lién két chiu cat “NULL”, Subedi va Bglin (2003)
Hinh 2.10:Hinh dang pha hoai cua lién két “NULL” khi bi choc thung
Kết quả thi nghiệm cho thay liên kết có khả năng kháng choc thủng tốt nhưng các thé trong tam thép chưa đạt đến giới hạn chảy khi liên kết bi phá hoại do đó không mang tính kinh tế cao. Tuy nhiên dạng liên kết này được thừa nhận có khả năng liên kết
được với cột CFT thông qua các đường han.
2.3. Các phương pháp làm gia tăng khả năng kháng chọc thủng của liên kết cột CFT và sàn phẳng BTCT
Cũng giống như liên kết cột — sản phắng BTCT việc gia cường thêm các thành phan chịu cắt đầu cột CFT để làm tăng khả năng kháng chọc thủng và chịu tải trọng ngang đã và đang được nghiên cứu phát triển. Các nghiên cứu ứng dụng cột CFT trong liên kết với sàn phăng BTCT hau hết đều tập trung vào việc phát triển các loại liên kết kháng cat hiệu quả và tiết kiệm nhát.
2.3.1. Liên kết của Hiroki Satoh và Kazushi Shimazak (2004)
Liên kết sử dụng các thanh thép hình chữ H liên kết bulông với tắm thép được hàn sẵn vào cột CFT Hình 2.11 để tăng kha năng kháng choc thủng của liên kết và đảm
bảo truyện mô men trong sàn vào cột CFT.
Cột CFT
Chuỗi thí nghiệm thứ 1
Hình 2.12: Nghiên cứu thực nghiệm liên kết của Hiroki Satoh và Kazushi
Shimazak (2004)
Tổng cộng 3 chuỗi thí nghiệm được tác giả tiễn hành Hình 2.12 để khảo sát ứng xử
của liên kêt được miéu tả như sau:
(1) Chuỗi thí nghiệm thứ 1: Có tổng cộng 5 mau thi nghiệm được khảo sát với sự thay đổi các thông số khác nhau trong mỗi mẫu như: Kích thước của tam thép liên kết, có hoặc không có hệ kháng cắt bao gồm: Cốt thép chịu cắt được bồ trí theo chu vi cột trong phạm vi tháp chọc thủng, chốt chống cắt được bố trí theo 4 mặt cột, cường độ chịu kéo và nén của bê tông, giới hạn chảy của tâm thép liên kết, ảnh hưởng của tải trọng đứng đến khả năng chịu tải trọng ngang của liên kết. Đặc điểm của chuỗi thí nghiệm thứ nhất là không có thanh thép hình chữ H trong liên kết va tat cả các mẫu thí nghiệm được tiễn hành gia tải ngang đâu cột đến khi liên kết phá vỡ hoàn toan.
Kết quả chuỗi thí nghiệm 1:
Y Đối với mẫu có cốt thép chịu cat hoặc chốt chống cắt thì ứng xử khi chịu tải trọng ngang sẽ cứng hơn so với mẫu không có hệ chống cắt. Tùy vào cách bé trí hệ kháng cắt, giá trị tải trọng ngang cực hạn của liên kết có thể tăng lên đến 46% so với liên kết không bồ trí hệ kháng cắt.
* Tải trọng thăng đứng ảnh hưởng ít đến giá tri tải trọng ngang cực hạn của liên kết.
* Khả năng kháng chọc thủng của liên kết có thé được tính toán theo tiêu chuẩn AIJ RC (1999),
(2) Chuỗi thí nghiệm thứ 2: Có tổng cộng 13 mẫu thí nghiệm được khảo sát với sự thay đối các thông số khác nhau của mẫu như: Có hoặc không có thép hình chữ H, kích thước của thép hình chữ H, có hoặc không có chốt kháng cắt, hàm lượng cốt thép sàn, ảnh hưởng của tải trọng ngang đâu cột đến lực chọc thủng cực hạn của liên kết, cường độ chịu kéo và nén của bê tông, giới hạn chảy của cốt thép sàn và tắm thép liên kết. Các mẫu trong chuỗi thí nghiệm thứ 2 đều tiễn hành gia tải trọng đứng dé xác định lực choc thủng
cực han của liên két.
= Kết quả chuỗi thí nghiệm 2:
v Đối với các mẫu mà liên kết có thêm vao thanh thép hình chữ H các vết nứt dau tiên xuât hiện ở bên trên thép hình chữ H, và các là vết nứt hướng tâm xuất hiện do ứng xử uốn của liên kết. Các vết nứt do lực cắt - uốn tiếp tục phát triển khi tiễn hành gia tăng tải, các vết nứt do cat được quan sát phát
triển từ cánh của thép hình chữ H hướng lên mặt trên của sàn. Đối với các mẫu không có thanh thép hình chữ H vết nứt dau tiên được quan sát từ tâm san hướng về góc san sau đó các vết nứt hướng tâm xuất hiện.
Đối với mẫu có hệ kháng cắt bao gồm: Chốt chịu cat, thép tâm liên kết giúp làm gia tăng lực kháng chọc thủng của liên kết lên đến 300% so với mẫu không có hệ kháng cắt.
v Khả năng kháng chọc thủng của bê tông trên đơn vi diện tích có thé được tính toán theo tiêu chuân ACI 318 (2005).
(3) Chuỗi thí nghiệm thứ 3: Có tổng cộng 12 mẫu thí nghiệm được khảo sát với sự thay đổi các thông số như: Cường độ bê tông, có hoặc không có chốt khang cat, hàm lượng cốt thép theo mỗi phương, có hoặc không có thép hình chữ H, bề rộng cột CFT. Mô ment xoắn tác dụng lên cạnh sản phía đối diện với cột CFT đến khi liên kết bị phá hoại hoan toan.
= Kết quả chuỗi thí nghiệm thứ 3:
Vết nứt dau tiên xuất hiện tại tâm của sàn. Đối với mẫu thí nghiệm không có cốt thép sàn phương của vết nứt là 45 độ hướng từ tâm sàn, đối với mẫu thí nghiệm có cốt thép san bố trí 1 phương vết nứt trải dài và phát triển dọc theo phương của cốt thép, đối với mẫu sản có cốt thép 2 phương các vết nứt phát triển và song song với phương của vết nứt đầu tiên.
* Kết quả thí nghiệm cho thay khả năng chịu mô ment xoắn giảm rất nhanh sau khi xuất hiện vết nứt dau tiên đối với những mau không bồ trí cốt thép sản. Với những mẫu có bồ trí cốt thép sàn theo 2 phương và thêm vào thanh thép hình chữ H sau khi xuất hiện vết nứt khả năng chịu mô ment xoăn vẫn được duy trì, giá trị mô ment xoăn cực hạn của những mẫu này tăng khoảng 13 % so với những mẫu không bồ trí cốt thép sản.
Y Da biệt giá tri mô ment xoan cuc han tang lén khoang 300 % đối với các mau thí nghiệm ngoài việc bồ trí cốt thép sàn theo 2 phương, thanh thép hình chữ H, còn được gia cường thêm các chốt kháng cắt.
2.4. Liên kết của Pinyu-Yan (2011)
Pinyu — Yan (2011) đưa ra 2 loại liên kết và thí nghiệm dé khảo sát ứng xử của mỗi loại liên kết trong trường hợp chịu lực chọc thủng cực hạn. Đặc điểm chung của 2 loại liên kết là được gia cường các consol kháng cat đầu cột (shear arm).
Vv Liên kết loại 1: Liên kết được cấu tạo gồm 4 thanh thép hình chữ 1102x44x7mm có vai trò như các consol kháng cat (shear arm) được hàn đối xứng xung quanh 4 mặt của cột CFTvuông loại UC (200x200x10)mm. Ở cạnh
trên và cạnh dưới của cánh thanh thép hình chữ I 102x44x7mm được hàn thêm
tắm thép dày 6mm để đảm bảo tính liên tục của liên kết Hình 2.13.
200 hề_——
UC-(200X200x10) 140 140
100 100
a rd
` \ il _ E(44X102X7) _ 100.
140 " PL-DÀY 6mm|
"= I |
=e mm
100 —
Hình 2.13:Chi tiết liên kết loại 1 của PmYu — Yan
V Liên kết loại 2: Cột tròn loại CHS (219.1x6.3) mm được xẻ rãnh dé cốt thép sản có thể xuyên qua, đảm bảo tính liên tục của cốt thép, Hệ kháng cắt kiểu consol (shear arm) gôm 4 thanh thép hộp RHS có kích thước 120x60x3.6 mm được cắt vát góc theo phương 45 độ. Hệ kháng cắt này được hàn đối xứng
quanh vi trí cột CFT Hình 2.15.
CHS (219.1X6.3) mm
T
lÌ_ PL-DÀY 10 mm
PLDÀY10mm
40
mm...
| 24
120. RHS (120X60X3.6) mm |
RES 120x60x36*
Thí nghiệm cua Pinyu — Yan (2011) Hình 2.17 được tiễn hành để khảo sát ứng xử của liên kết khi chịu tải chọc thủng mà không xét đến ảnh hưởng của tải trọng ngang.
Cả 2 mẫu thí nghiệm đều được gia tải thăng đứng đến khi liên kết bị phá hoại hoàn toàn nhăm xác định tải phá hoại chọc thủng cực hạn của mỗi loại liên kết.
Hình 2.17: Thí nghiệm xác định lực chọc thủng cực hạn của Pinyu — Yan
= Kết quả thí nghiệm
vx Mẫu thi nghiệm thứ nhất có gia tri lực chọc thủng cực hạn là 417 kN, mẫu thí
nghiệm thứ hai có giá tri lực chọc thủng cực hạn là 569 KN. Tháp chọc thủng
trong cả 2 mẫu thí nghiệm của Pinyu - Yan (2011) đều được hình thành từ mép cạnh ngoài của hệ kháng cắt (shear arm) hướng về mặt chịu kéo của sàn, chu vi tháp chọc thủng được mở rộng hơn so với liên kết cột - sàn phắng BTCT thông thường có cùng kích thước điều này dẫn đến khả năng kháng chọc thủng tốt hơn so với liên kết cột - sàn phang BTCT.
Góc phá hoại Cốt thép sàn
*_ Việc đảm bảo tính liên tục của cốt thép san trong liên kết cột CFT - sản phẳng BTCT giúp tăng khả năng kháng chọc thủng lên 36 % so với liên kết có cốt
thép sàn không liên tục.
Trong chương 4 của luận văn này, chỉ tiết liên kết 1 của Pinyu -Yan (2011) sẽ được miêu tả chỉ tiết và tiễn hành mô phỏng số bang phan mém phan tử hữu hạn 3 chiều ABAQUS. So sánh kết quả mô phỏng số với kết quả thực nghiệm qua đó đánh giá được độ tin cậy của phần mềm ABAQUS trong việc thiết lập các thông số mô phỏng.
2.4.1. Liên kết của Y. Su, Y. Tian (2014)
Y Câu tạo liên kết
Một tâm thép tròn được han liên tục xung quang cột CFT nham tăng chu vi kháng chọc thủng của liên kết Hình 2.19.
T— Cột CFT
V7. mm <m 2
|
Thép tam tron
han theo chu vi a ~_~ ~ a a - . m2L—A —
Hình 2.19: Liên kết của Y. Su, Y. Tian (2014) Y. Su, Y. Tian (2014) tiến hành thí nghiệm với 2 mẫu SP1 và SP2 Hình 2.20
|- 194 —|
Mẫu thí nghiệm SP1, SP2 | E Cột CFT
{002020 — LT 128200 ;
`
Thép tắm tròn dày
20mm, han theo chu vi
—— 320 —|
Hình 2.20: Cau tao mẫu thi nghiệm của Y. Su, Y. Tian (2014)