Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFT VÀ LIÊN KẾT VỚI SÀN PHẲNG
1.3. Liên kết của sàn phẳng BTCT và cột CFT
Với những ưu điểm của kết cấu cột CFT và sàn phẳng BTCT, gần đây nhiều nhà khoa học đã đề xuất việc sử dụng cột CFT thay thế cột BTCT thông thường trong giải pháp kết cấu sàn phẳng BTCT. Tuy nhiên, do tính không toàn khối của sàn BTCT và cột CFT, nhiều tác giả đã nghiên cứu các phương pháp dùng các chi tiết chịu cắt được gắn cứng vào cột CFT để liên kết với sàn BTCT nhằm đảm bảo khả năng chịu nén thủng của liên kết. Điều này đòi hỏi việc nghiên cứu và đề xuất loại liên kết kháng cắt đảm bảo khả năng chịu lực, dễ chế tạo, dễ thi công và tiết kiệm chi phí nhất. Các liên kết mà các nhà nghiên cứu trên thế giới đề xuất cho loại kết cấu này đều có một điểm chung là sử dụng chi tiết thép hình chịu cắt (shear head) hoặc sườn chịu cắt (shear key) hàn tại phần cột CFT trong phạm vi sàn. Chi tiết này sẽ liên kết với sàn phẳng BTCT để có thể truyền lực cắt do tải trọng đứng từ sàn truyền vào cột, điển hình là các liên kết của Satoh và Shimazak (2004) [37] (Hình 1.22), Su và Tian (2010) [40] (Hình 1.30 và Hình 1.31), Yan (2011) [44] (Hình 1.34 và Hình 1.36), Ju cùng cộng sự (2013) [21], Kim cùng cộng sự (2014) [23] (Hình 1.40), Đào Ngọc Thế Lực cùng cộng sự (2017) [1] (Hình 1.41), Nguyễn Quốc Nhật (2018) [2] (Hình 1.43) và Trần Phan Nhật (2018) [5] (Hình 1.46)…
Nghiên cứu của Satoh và Shimazaki (2004)
Satoh và Shimazaki (2004) [37] đã đề xuất một chi tiết liên kết mới giữa sàn phẳng BTCT với cột vuông CFT và tiến hành khảo sát thực nghiệm cũng như thiết lập công thức dự đoán khả năng chịu lực của liên kết.
Hình 1.22: Chi tiết liên kết của Satoh và Shimazaki (2004) [37]
Vành cứng
Tấm thép liên kết
Các tấm thép liên kết được hàn vào các vành cứng và vỏ thép của cột CFT và liên kết với 4 đoạn thép tiết diện chữ H ở 4 phía mặt cột bằng liên kết bu-lông cường độ cao (Hình 1.22). Cốt thép sàn không đi xuyên qua thân cột mà được uốn cong và dừng tại mặt cột.
Tổng cộng có 3 chuỗi thí nghiệm được tác giả thực hiện để khảo sát ứng xử của liên kết: Chuỗi Fp cho khung, chuỗi Ps cho phần tử chịu cắt thủng và chuỗi Ts cho phần tử chịu xoắn (Hình 1.23). Các chuỗi thí nghiệm được miêu tả như sau:
(1) Chuỗi thí nghiệm thứ 1, Fp: Thiết kế của kết cấu khung mẫu dựa trên tiêu chuẩn AIJ-RC (1999) [9], từ kết quả phân tích sơ bộ, khung cột – tấm phẳng được giả thiết chịu khoảng 20% lực cắt tầng sinh ra trong động đất. Mẫu thí nghiệm được đỡ bởi gối tựa khớp ở biên sàn và chân cột. Tải trọng đứng được tác động liên tục tại sàn cho mẫu Fp.1 và Fp.2; Tải ngang lặp với biên độ tăng dần được tác động tại đầu cột cho đến khi mẫu phá hoại.
Hình 1.23: Mô hình thí nghiệm của Satoh và Shimazaki (2004) [37]
Kết quả thí nghiệm của chuỗi 1 cho thấy các mẫu Fp.1, Fp.2 và Fp.3 không bị phá hoại do cắt và cốt thép trong sàn bị chảy dẻo, khả năng chịu lực ngang lớn nhất đo được bằng khả năng chịu uốn của sàn. Đối với mẫu Fp.4, vết nứt cắt nghiêng 450 so với mặt cột xuất hiện với một phần bê tông bị ép vỡ. Đối với mẫu Fp.5, khả năng
(1) Chuỗi thí nghiệm thứ 1, Fp
(1) Chuỗi thí nghiệm thứ 2, Ps
Tải ngang
Tải đứng
Tải đứng
Tấm đỡ
Mô-men xoắn
(3) Chuỗi thí nghiệm thứ 3, Ts
chịu lực lớn nhất phát triển từ cơ chế dẻo xoắn ở cạnh cột. Kết quả đường quan hệ tải ngang – chuyển vị đầu cột cho thấy khả năng chịu lực của mẫu Fp.1 xấp xỉ mẫu Fp.3 và nhỏ hơn khoảng 25% so với khả năng chịu lực của mẫu Fp.2.
Bảng 1.1: Thông số mẫu thí nghiệm chuỗi thứ 1 của Satoh và Shimazaki (2004) [37]
Mẫu thí
nghiệm Tấm thép liên kết
Thép
chịu cắt Bề mặt liên kết
Tải trọng đứng
Fp.1 665 -
Tất cả các mặt 15 kN/m2
Fp.2 665
(Hình chữ thập) D6 @90 Fp.3
660 Chốt chống
cắt 9 @90 -
Fp.4 Mặt trước và
sau
Fp.5 Mặt bên
(2) Chuỗi thí nghiệm thứ 2, Ps: Có tổng cộng 13 mẫu thí nghiệm như Hình 1.24 được khảo sát với sự thay đổi các thông số khác nhau gồm cường độ bê tông, sự tồn tại của đoạn thép hình chữ H và chốt chịu cắt, cốt thép gia cường, tác động của vết nứt do uốn tại các mức biến dạng cho trước (Bảng 1.2). Sàn được đỡ bằng những tấm thép theo chu vi và góc xoay của mép sàn không bị cản trở. Lực đứng được tác động bằng kích thủy lực tại đầu cột cho đến khi mẫu bị phá hoại do nén thủng.
Hình 1.24: Mô hình thí nghiệm chuỗi số 2 của Satoh và Shimazaki (2004) [37]
Tấm đỡ
Vị trí nứt ban đầu do uốn Phương uốn
Phương dọc trục Tải đứng
Bảng 1.2: Thông số mẫu thí nghiệm chuỗi thứ 2 của Satoh và Shimazaki (2004) [37]
Mẫu thí
nghiệm Bê tông Thép hình chữ H
Chốt chống cắt
Vết nứt ban đầu
do uốn
Cốt thép thanh Ps.1
Fc 36 -
-
-
- Ps.2
D6 @40 Ps.3 Fc 24
60×60×4×4 Ps.4 Fc 36
Ps.5 Fc 60 Ps.6
Fc 36
90×60×4×4
Ps.7 -
9 @75 Ps.8
60×60×4×4
Ps.9 1/200
Ps.10 1/100
Ps.11 1/20
Ps.12 60×60×4×4*
- -
Ps.13 - UD6 @40
(* Chỉ có bụng đoạn thép hình H được liên kết)
Kết quả thí nghiệm cho thấy đối với các mẫu Ps.3, 4, 5, 6, 8, 9, 10 và 11 có
đoạn thép hình chữ H liên kết, các vết nứt đầu tiên xuất hiện ở phần bên trên của thép hình H và các vết nứt hướng tâm xuất hiện như các vết nứt uốn. Các vết nứt hướng tâm tiếp tục phát triển thành các vết nứt cắt − uốn khi tải gia tăng. Các vết nứt do cắt phát triển từ cánh dưới của thép hình chữ H hướng xiên lên mặt trên của sàn (Hình 1.25). Đối với các mẫu Ps.1, 2, 7 và 13, vết nứt uốn đầu tiên xuất hiện từ tâm vành cứng và lan dần theo hướng xiên góc, sau đó các vết nứt hướng tâm xuất hiện.
(a) Mặt trên (b) Mặt dưới
(c) Mặt cắt Hình 1.25: Cấu hình vết nứt của mẫu Ps.8 [37]
(3) Chuỗi thí nghiệm thứ 3, Ts: Mẫu thí nghiệm được thiết kế với tỷ lệ khoảng
1/2.24 so với công trình mẫu, như trình bày trên Hình 1.26. Sàn có kích thước 600×600×135 mm có bề rộng lớn hơn khoảng 2.2 lần bề rộng cột. Có tổng cộng 12 mẫu thí nghiệm được khảo sát với sự thay đổi các thông số gồm cường độ bê tông, sự hiện hữu của chốt kháng cắt, sự hiện hữu của cốt thép gia cường theo phương dọc trục và phương uốn, sự hiện hữu của thép hình chữ H, sự tồn tại của vết nứt uốn ban đầu và bề rộng cột CFT (Bảng 1.3). Phần tiết diện CFT của các mẫu được ngàm chặt và mô-men xoắn được tác động vào mép đối diện cột cho đến khi mẫu bị phá hoại.
Hình 1.26: Chi tiết mẫu thí nghiệm chuỗi số 3 của Satoh và Shimazaki (2004) [37]
Bảng 1.3: Thông số mẫu thí nghiệm chuỗi thứ 3 của Satoh và Shimazaki (2004) [37]
Mẫu thí nghiệm
Bê tông
Chốt chống
cắt
Thép thanh Thép hình
chữ H Vết nứt ban đầu
do uốn
Bề rộng của cột
CFT (mm) Theo
phương dọc trục
Theo phương mô-men Ts.1 Fc 24
- -
- - - 270
Ts.2 Fc 36 Ts.3 Fc 60 Ts.4
Fc 36 fi9@90
Ts.5 - D10@45
Vị trí nứt ban đầu do uốn Phương uốn
Phương dọc trục
Ts.6
- 85x85x6x6
Ts.7
D10@45
- Ts.8
fi9@90 D10@45 85x85x6x6
Ts.9
Theo phương dọc trục Ts.10
Theo phương chịu uốn
Ts.11 *
Ts.12 * * * * 150
(* Cốt thép thanh theo phương mô-men uốn được tập trung gần liên kết) Vết nứt đầu tiên xuất hiện ở mức tải khoảng 7.2 kNm từ tâm của vành cứng.
Đối với mẫu không có cốt thép, phương của các vết nứt lệch một góc 45 độ. Đối với mẫu có cốt thép sàn bố trí một phương, vết nứt có xu hướng phát triển dọc theo phương của cốt thép gia cường. Đối với các mẫu có cốt thép theo hai phương, các đường nứt phát triển song song với phương của vết nứt đầu tiên (Hình 1.27).
Mẫu Ts.2
Mẫu Ts.8 Mẫu Ts.10
Hình 1.27: Cấu hình vết nứt các mẫu chuỗi thí nghiệm thứ 3 [37]
Nghiên cứu của Su và Tian (2010)
Su và Tian (2010) [40] đề xuất chi tiết liên kết bằng tấm thép tròn hàn vào cột tròn CFT để đỡ sàn tấm phẳng BTCT cho công trình nhà nhiều tầng chịu tác dụng
của động đất (Hình 1.28). Ý tưởng then chốt của liên kết này là sàn được đỡ bởi cột CFT thông qua một liên kết khớp và cốt thép chịu uốn của sàn không liên tục qua cột.
Điều này làm giảm sự tập trung ứng suất gây bởi mô-men âm trong mặt phẳng tác dụng tải ngang trong khi vẫn duy trì cấu tạo liên kết đơn giản.
Hình 1.28: Chi tiết liên kết của Su và Tian (2010) [40]
Hai mẫu SP1 và SP2 (Hình 1.29) được chế tạo và thí nghiệm để chứng tỏ sự khả thi của chi tiết liên kết đề xuất và để xác định những giá trị then chốt cho các nghiên cứu thực nghiệm tiếp theo. Các mẫu đều có kích thước sàn bê tông là (2100×2100×150) mm. Cường độ chịu nén mẫu trụ của bê tông sàn là 33.7 MPa cho mẫu SP1 và 31.9 MPa cho mẫu SP2; Cốt thép sàn có cường độ chịu kéo là 360 MPa.
Chiều dày lớp bê tông bảo vệ là 15mm. Cột thép tròn có tiết diện D194×8. Hình 1.30 trình bày mô hình thí nghiệm.
Đối với mẫu SP1, đầu tiên, một tải trọng đứng Vg = 200 kN được tác động vào dọc trục cột và duy trì không đổi. Tiếp theo, một tải ngang tĩnh được tác động cho đến khi mẫu bị phá hoại. Dựa vào kết quả thí nghiệm được trình bày ở Hình 1.31, độ cứng ngang ban đầu của mẫu được xác định được là 1.44 kN/mm. Mẫu vẫn không bị phá hoại do nén thủng ở độ lệch ngang 6% và ở mức lệch ngang này, độ cứng ngang cát tuyến của mẫu giảm 34% do bê tông sàn bị nứt.
Đối với mẫu SP2, ba giai đoạn tải tương ứng với ba mức tải đứng được tác động vào mẫu. Trong giai đoạn đầu, một tải trọng đứng Vg = 200 kN không đổi được tác động dọc trục cột và tiếp theo đó một tải lặp ngang tác động vào đầu cột với độ
Sàn phẳng BTCT Cột CFT tròn
Tấm thép tròn
lệch ngang lần lượt là 0.5%, 1.0%, 1.5%, 2.0% và 2.5%. Ba chu trình tải được áp dụng cho mỗi giá trị độ lệch ngang. Ở cuối bước này, mặc dù sàn BTCT đã bị nứt ở
mặt trên, phá hoại nén thủng vẫn chưa xảy ra. Trong giai đoạn tải thứ hai, một tải trọng đứng lớn hơn là Vg = 240 kN tác động dọc trục cột và một tải lặp ngang tác động vào đầu cột với độ lệch ngang lần lượt là 1.0%, 1.5%, 2.0% và 3.0%. Liên kết vẫn chưa bị phá hoại sau bước tải này. Trong giai đoạn tải thứ ba, một tải trọng đứng Vg = 270 kN tác động dọc trục cột và một tải lặp ngang tác động vào đầu cột với độ lệch ngang theo cấu hình của lần gia tải thứ hai. Phá hoại cho nén thủng của mẫu xảy ra ở vòng lặp thứ ba của mức độ lệch ngang 2.0%.
Hình 1.29: Cấu tạo mẫu thí nghiệm của Su và Tian (2010) [40]
Cột CFT tròn
Tấm thép tròn dày 20mm Mẫu SP1
Mẫu SP2 Cột CFT tròn
Tấm thép tròn dày 20mm
Hình 1.30: Mô hình thí nghiệm của Su và Tian (2010) [40]
Hình 1.31: Quan hệ lực − chuyển vị đầu cột của mẫu SP1 [40]
Qua 2 thí nghiệm SP1 và SP2 cho thấy liên kết được Su và Tian đề xuất có
Cột CFT tròn Kích thủy lực
Tường cứng Sàn
Thanh chống đứng
Sàn cứng Thanh chống Kích thủy lực ngang
Độ lệch ngang (%)
Chuyển vị ngang đầu cột (mm) Tải trọng ngang (kN)
cấu tạo đơn giản, dễ thi công, có khả năng chịu được tải trọng đứng tốt và có độ dẻo dai đáng kể.
Nghiên cứu của Yan (2011)
Yan (2011) [44] đã đề xuất hai loại liên kết mới dùng đoạn thanh chịu cắt hàn vào vỏ cột thép nằm chìm trong bê tông sàn. Mẫu sàn BTCT có kích thước (1825×1825×200)mm và không có lớp cốt thép trên. Lớp bê tông bảo vệ dày 20 mm.
Liên kết loại 1 được cấu tạo gồm 4 thanh thép hình chữ I-(102×44×7) mm có đầu vát với cánh trên dài 140 mm và cánh dưới dài 100 mm. Liên kết có vai trò như các công- xôn kháng cắt (shear arm) được hàn đối xứng xung quanh 4 mặt của cột CFT vuông có tiết diện SHS-(200×10) mm. Ở mặt trên và mặt dưới của cánh thanh thép hình chữ I-(102×44×7) mm được hàn thêm các tấm thép dày 6mm dài 100 mm dạng vát, đầu phía trong rộng bằng bề rộng cột và đầu phía ngoài rộng bằng cánh thép hình, để đảm bảo tính liên tục của liên kết (Hình 1.32). Hệ liên kết được đặt trực tiếp lên mặt trên lưới thép dọc phía dưới của sàn; các cốt thép ở tâm sàn được cắt bỏ để phần chân cột đi xuyên qua sàn để đảm bảo tính liên tục của cột.
Hình 1.32: Cấu tạo liên kết loại 1 của Yan (2011) [44]
Mối hàn
PL6 Thép
hình
Hình 1.33: Mẫu thí nghiệm liên kết loại 1 của Yan (2011) [44]
Liên kết loại 2 được cấu tạo gồm cột tròn tiết diện CHS-(219.1×6.3) mm được xẻ rãnh để cốt thép sàn có đi xuyên qua nhằm đảm bảo tính liên tục của cốt thép. Hệ kháng cắt kiểu công-xôn (shear arm) gồm 4 thanh thép hộp RHS-(120×60×3.6) mm được cắt vát góc theo hướng 45o và được hàn đối xứng quanh vị trí cột CFT (Hình 1.34). Cốt thép sàn được cấu tạo giống mẫu 1 nhưng cốt thép ở giữa sàn có thể đi xuyên qua thân cột. Sàn được khoét một lỗ tròn đường kính 150 mm để giả lập lỗ đường ống thiết bị như có thể có trong công trình thực. Để giả lập điều kiện xấu nhất, toàn bộ liên kết được bôi mỡ trước khi đổ bê tông để loại bỏ sự bám dính của liên kết vào bê tông. Chi tiết thông số của vật liệu đo được được trình bày trong Bảng 1.4. Bê tông sàn có cỡ cốt liệu lớn nhất là 25 mm.
Hình 1.34: Cấu tạo liên kết loại 2 của Yan (2011) [44]
Cảm biến Cốt thép gián đoạn theo cả 2 phương
CHS-219×6,3 PL-10
RHS-120×60×3,6
Hình 1.35: Mẫu thí nghiệm liên kết loại 2 của Yan (2011) [44]
Hình 1.36: Mô hình và công tác lắp đặt thí nghiệm của Yan (2011) [44]
Bảng 1.4: Thông số vật liệu mẫu thí nghiệm của Yan (2011) [44]
Loại thông số Bê tông Cốt thép Liên kết
E (MPa) 2.5×105 2.1×106 2.0×106
Giới hạn chảy (MPa) 545.8 324.0
Cường độ chịu kéo (MPa) 647.7 450.0
Lỗ thiết bị Vùng bôi mỡ
Khoét rãnh Cốt thép liên tục
Kích Load cell
Mẫu thử
Mặt nền
Độ giãn dài (%) 37.0 19.8 Cường độ mẫu lập phương ở
28 ngày (MPa)
45.0
Cường độ mẫu lập phương ở
ngày thí nghiệm (MPa)
45.0
Cả 2 mẫu thí nghiệm đều được gia tải thẳng đứng theo chiều từ trên xuống cho đến khi liên kết bị phá hoại hoàn toàn nhằm xác định ứng xử chịu nén thủng và tải trọng phá hoại nén thủng cực hạn của mỗi loại liên kết. Kết quả thí nghiệm cho thấy tải trọng nén thủng cực hạn của mẫu 1 có giá trị là 417 kN và của mẫu 2 là 569 kN.
Chi tiết chịu cắt của hai mẫu có cùng chiều dài nhưng khác nhau về kích thước tiết diện và phương pháp liên kết vào cột và vị trí theo phương đứng liên kết chịu cắt mẫu 2 đặt cao hơn mẫu 1 (Hình 1.37) đã làm tăng chiều cao tính toán và chu vi nén thủng. Kết quả đo biến dạng cho thấy các chi tiết chịu cắt không bị chảy dẻo khi sàn bị phá hoại. Các cốt thép ở chính giữa sàn của hai mẫu khác nhau về tính liên tục và vị trí của liên kết khác nhau theo phương đứng là các nguyên nhân gây ra khác biệt về khả năng chịu nén thủng của hai mẫu. Kết quả thí nghiệm cho thấy khả năng chịu nén thủng của mẫu 2 lớn hơn 35% so với mẫu 1.
a) Mẫu 1 b) Mẫu 2
Hình 1.37: Sơ đồ vị trí theo phương đứng của liên kết chịu cắt [44]
Liên kết
Liên kết
Nghiên cứu của Kim cùng cộng sự (2014)
Kim cùng cộng sự (2014) [23] đề xuất một số sơ đồ liên kết kháng cắt dùng cốt cứng cho liên kết cột giữa CFT − sàn phẳng BTCT. Thí nghiệm gồm 10 mẫu liên kết trong đó có 8 mẫu sử dụng chi tiết cốt cứng kháng cắt và có 2 mẫu đối chứng không dùng chi tiết cốt cứng kháng cắt (mẫu (a) NSH-S200 và (i) RC-S300) (Hình 1.38). Các thông số được xét trong quá trình thí nghiệm bao gồm: (1) Chiều dài của chi tiết thép hình; (2) Cường độ bê tông; (3) Hệ số tỉ lệ kích thước 2 phương của cột;
(4) Kích thước và cường độ của cột ống thép; (5) Chiều dày sàn.
Hình 1.38: Mẫu thí nghiệm của Kim cùng cộng sự (2014) [23]
10 mẫu thí nghiệm được gia tải thẳng đứng cho đến khi liên kết bị phá hoại hoàn toàn nhằm xác định ứng xử nén thủng và tải trọng phá hoại nén thủng cực hạn của mỗi loại liên kết (Hình 1.39).
Hình 1.39: Mô hình thí nghiệm của Kim cùng cộng sự (2014) [23]
Tải trọng đứng hướng xuống
Biên tựa đơn
Mẫu
Hình 1.40: Hình dạng tháp nén thủng các mẫu thí nghiệm của Kim cùng cộng sự (2014) [23]
Kết quả thí nghiệm trình bày ở Hình 1.40 cho thấy:
− Khả năng kháng cắt của liên kết sử dụng liên kết thép hình kháng cắt cao hơn rất nhiều so với liên kết sàn phẳng BTCT − cột CFT không sử dụng liên kết thép hình kháng cắt.
− Khi tăng chiều dài của công-xôn cốt cứng kháng cắt, lực kháng thủng cực hạn sẽ tăng. Nghiên cứu kết luận rằng chiều dài của công-xôn cốt cứng kháng cắt tối thiểu phải bằng 4 lần chiều dày của sàn BTCT.
− Việc sử dụng bê tông cường độ cao và cột vuông (so với cột chữ nhật) sẽ làm tăng khả năng kháng thủng cực hạn cho liên kết và cũng không bị ảnh hưởng bất lợi do việc sử dụng ống thép thanh thành mỏng làm cột.
Các nghiên cứu trong nước
− Đào Ngọc Thế Lực cùng cộng sự (2017) [1], [3] đã đề xuất chi tiết liên kết giữa sàn phẳng BTCT với cột vuông CFT, dùng các tấm thép chịu cắt đi xuyên vào trong lòng cột CFT, các tấm thép chịu cắt này được bọc bởi các cốt đai và cốt thép sàn được neo vào trong lòng cột CFT (Hình 1.41).
(phía chịu nén)