2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
2.2. Các phương pháp gia tăng khả năng kháng chọc thủng của liên kết cột – sàn phẳng
Có nhiều phương pháp được phát triển và nghiên cứu để giúp gia tăng khả năng kháng chọc thủng của liên kết cột - sàn phẳng BTCT, mục này sẽ giới thiệu một cách tổng quan các phương pháp đã được ứng dụng, và là cơ sở để giải thích lý 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 sàn xuống thớ bê tông chịu nén ở mặt dưới sàn sát mép cột, điều này cho thấy 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 sàn cũng làm tăng khả năng kháng chọc thủng của liên kết. Muttoni (2008), Guandalini (2009) và Marzouk và Hussei (1991) đã tiến hành thí nghiệm chọc thủng cột - sàn phẳng BTCT với hàm lượng thép chịu kéo thay đổi 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 sàn với kích thước hình học giống nhau, hàm lượng cốt thép giống nhau, điều kiện biên giống 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 2-1.
Bảng 2-1: So sánh giá trị lực chọc thủng khi thay đổi cường độ bê tông quanh vùng tháp chọc thủng
Mẫu thí nghiệm (4750x4750x150)
Cường độ bê tông f’c
(MPa)
Lực xuất hiện vết
nứt đầu tiên (kN)
Lực phá hoại (kN)
% chênh lệch tải phá hoại
S1 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 phổ biến trong thiết kế hệ sàn phẳng - cột BTCT hiện nay với việc sử dụng mũ cột và/hoặc bản đầu cột để tăng chu vi tháp chọc 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 cấu kiện chứ không tăng chiều dày của toàn sàn hoặc kích thước toàn cột Hình 2.2.
Hình 2.2: Gia tăng vùng diện tích chịu lực đầu cột 2.2.4. Gia tăng cốt thép chịu cắt tại vị trí liên kết
Hệ thống cốt thép chịu cắt được cấu tạo từ các thanh thép uốn phối hợp 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 phẳng 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 thể 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 cắt không đạt đến giới hạn chảy khi cơ cấu phá hoại do chọc thủng xuất hiện.
Bản đầu cột Mũ cột
Hình 2.3: Sử dụng cốt thép chịu cắt cho liên kết.
2.2.5. Gia cường hệ cốt cứng chịu cắt (shear head) tại liên kết
9 Corley và Hawkins (1968) đã đề xuất hệ cốt cứng chịu cắt để 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 phẳng BTCT.
Hình 2.4: Hệ cốt cứng chịu cắt.
Tổng cộng 21 mẫu thí nghiệm đã được tiến hành với liên kết cột - sàn phẳng BTCT có và không có hệ cốt cứng chịu cắt (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 cắt, tháp chọc thủng hình thành từ mép cột với sàn ở mặt dưới chịu nén và phát triển dần lên mặt chịu kéo của sàn 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 vậy chu vi tháp chọc thủng sẽ lớn hơn và khả năng kháng chọc thủng sẽ lớn hơn. Hình dạng tháp chọc thủng được mô tả như Hình 2.6.
Hình 2.5 Hình 2.6
Hình 2.5: Chu vi tháp chọc thủng hình thành từ mép cột
Hình 2.6: Chu vi tháp chọc thủng hình thành từ mép của hệ thống “shearhead”
9 Hệ chịu cắt được cấu tạo từ các chốt Hình 2.7 được hàn vào các tấm kim loại được đề xuất bởi các tác giả người Đức. Qua các thí nghiệm Gali (1987) và Dilger (1985) kết luận rằng 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 cắt.
Hình 2.7:Hệ chốt chịu cắt (http://www.maxfrank.co.uk)
9 Hệ liên kết băng kháng cắt được 2 tác giả là Pilakoutas và Li (2003) phát triển bằng cách sử dụng các dải thép tấm mỏng khoét lỗ Hình 2.8. Việc khoét lỗ này giúp các dải băng neo vào bê tông tốt hơn như được chứng tỏ từ kết quả thí nghiệm.
Những dải băng dễ uốn dễ tạo hình này được đặt theo phương vuông góc với vết nứt cắt. Thí nghiệm cho thấy độ dai và cường độ của sàn được gia cường bằng các dải băng tăng lên đáng kể.
Hình 2.8: Hệ băng kháng cắt.
9 Việc thêm vào đầu cột tấm 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 dạng “NULL” bao gồm tấm thép phẳng Shear band
Cốt thép sàn
và nhiều thanh U được hàn trên bề mặt tấm thép để có thể bố trí cốt thép sàn dễ dàng Hình 2.9.
Hình 2.9: Hệ liên kết chịu cắt “NULL”, Subedi và Bglin (2003)
Hình 2.10:Hình dạng phá hoại của liên kết “NULL” khi bị chọc thủng Kết quả thí nghiệm cho thấy liên kết có khả năng kháng chọc thủng tốt nhưng các thớ trong tấm thép chưa đạt đến giới hạn chảy khi liên kết bị 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 hàn.