Nghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tông (tt)

Hiện nay, các nghiên cứu mới chỉ tập trung cho liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng BTCT, chưa có các nghiên cứu cho liên kết cột biên, cột góc CFST với sàn phẳng BTCT hay sàn phẳng bê t

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯƠNG QUANG HẢI

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA LIÊN KẾT SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP VỚI CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

CHUYÊN NGÀNH : CƠ KỸ THUẬT

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

ĐÀ NẴNG – năm 2022

Công trình được hoàn thành tại trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Người hướng dẫn khoa học:

1 TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC

2 PGS TS TRƯƠNG HOÀI CHÍNH

Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Trường Thắng

Trường Đại học Xây dựng Hà Nội

Phản biện 2: PGS TS Trương Tích Thiện

Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh

Phản biện 3: PGS TS Phan Đức Hùng

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận án Tiến sĩ cấp Đại học Đà Nẵng vào ngày 04 tháng 12 năm 2021

Có thể tìm hiểu luận án tại:

Thư viện Quốc gia Việt Nam

Trung tâm Thông tin – Học liệu, Truyền thông, ĐH Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Hiện nay, với việc gia tăng mạnh mẽ các dự án nhà cao tầng tại các

đô thị lớn tại Việt Nam đặt ra nhu cầu cấp thiết tìm kiếm các giải pháp kết cấu chịu lực mới hiệu quả về mặt kĩ thuật và kinh tế Một trong những xu hướng kết cấu mới có tính ứng dụng, hiệu quả cao là kết hợp kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) với sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) thành hệ kết cấu chịu lực cho nhà cao tầng Tuy nhiên, vấn

đề quan trọng nhất khi kết hợp hai loại kết cấu này là giải quyết liên kết sàn - cột Hiện nay, các nghiên cứu mới chỉ tập trung cho liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng BTCT, chưa có các nghiên cứu cho liên kết cột biên, cột góc CFST với sàn phẳng BTCT hay sàn phẳng bê tông ứng lực trước (ƯLT) Bên cạnh đó, chưa có nhiều các nghiên cứu có tính hệ thống về kiểu liên kết này từ việc phân tích lựa chọn hình thức liên kết đến nghiên cứu thực nghiệm, khảo sát tham số và phân tích mô hình tính Do đó, việc nghiên cứu chi tiết liên kết giữa cột CFST với kết cấu sàn phẳng nhằm cung cấp giải pháp cấu tạo, biện pháp gia cường, cơ chế làm việc cũng như công thức tính toán là cần thiết để có thể áp dụng rộng rãi hệ kết cấu này vào thực tế xây dựng nhà cao tầng hiện nay Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu đề xuất giải pháp cấu tạo cải tiến liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT và sàn bê tông ƯLT;

Nghiên cứu ứng xử và cơ chế làm việc của liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT bằng thực nghiệm và mô phỏng số;

Đề xuất công thức xác định chu vi phá hoại của tháp cắt thủng tại liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép và sàn phẳng bê tông ứng lực trước Từ đó, xác định khả năng chịu cắt thủng của sàn dựa vào công thức của tiêu chuẩn châu Âu EC2 với các chu vi phá hoại đề xuất

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT và

sàn phẳng bê tông ƯLT

Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của sàn tại liên kết cột giữa, cột biên, cột góc CFST với sàn phẳng BTCT và liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng bê tông ƯLT có gia cường cốt đai;

Các mô hình thí nghiệm được thực hiện cho tải trọng đứng, không xét ảnh hưởng của mô men, tải trọng lặp và tải trọng ngang;

Đề xuất chu vi tới hạn để tính toán khả năng chịu cắt thủng của sàn tại liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng BTCT và sàn phẳng bê tông ƯLT có gia cường cốt đai

Nghiên cứu được thực hiện cho cột ống thép tiết diện vuông Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm kết hợp mô phỏng số

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan cột CFST, sàn phẳng và liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT;

Nghiên cứu chọn hình thức liên kết để từ đó đề xuất giải pháp cấu tạo cột giữa, cột biên, cột góc CFST với sàn phẳng;

Thực nghiệm trên mẫu kích thước lớn liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng BTCT và sàn phẳng bê tông ƯLT; cột biên, cột góc CFST với sàn phẳng BTCT;

Mô phỏng số bằng phần mềm Abaqus liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng BTCT và sàn bê tông ƯLT;

Xác định chu vi tới hạn để tính toán khả năng chịu cắt thủng của sàn tại liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng BTCT và sàn phẳng bê tông ƯLT

Bố cục của luận án

Mở đầu

Chương 1 Tổng quan cột ống thép nhồi bê tông, sàn phẳng và liên

kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép

Chương 2 Giải pháp cấu tạo và thực nghiệm liên kết cột ống thép

nhồi bê tông với sàn phẳng

Chương 3 Mô phỏng số liên kết và mô hình tính toán khả năng chịu

cắt thủng của sàn tại liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng Kết luận và kiến nghị

Những đóng góp mới của luận án

Cải tiến liên kết gia cường trong cấu tạo nút liên kết sàn phẳng – cột CFST, cụ thể là thêm bản thép đỡ vòng quanh tiết diện cột ở phía đáy, thêm cốt thép vòng để hạn chế vết nứt bê tông vùng kéo, thêm thép đai hình chữ C nhằm tăng cường khả năng chống cắt thủng Kiểm chứng hiệu quả của phương án gia cường bằng thực nghiệm

Cung cấp 02 bộ số liệu thí nghiệm tin cậy về sự làm việc của liên kết dầm bẹt với cột CFST với hai loại shear-head khác nhau và cung cấp 02 bộ số liệu tin cậy về sự làm việc của nút liên kết giữa sàn phẳng với cột CFST và sàn phẳng bê tông ứng lực trước với cột CFST trên cơ

sở là thí nghiệm tỉ lệ 1:1

Đề xuất cách xác định chu vi tiết diện phá hoại và chiều cao làm việc chịu cắt trong công thức của EC2 để xác định khả năng kháng thủng trong liên kết cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG, SÀN PHẲNG VÀ

LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN

PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

1.1 Tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông

1.2 Tổng quan các giải pháp sàn phẳng trong công trình xây dựng

1.3 Tổng quan về liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng

bê tông cốt thép

Liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng

Quan tổng quan cho thấy, các nghiên cứu hiện nay chỉ tập trung cho

liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng BTCT, chưa thấy các nghiên cứu

cho liên kết cột biên, cột góc Các nghiên cứu cho liên kết cột CFST với

sàn bê tông ƯLT cũng chưa được đề cập

Tổng quan cho thấy có 3 hình thức liên kết cho cột giữa CFST với

sàn phẳng BTCT được sử dụng phổ biến gồm: (1) sử dụng shear-head là

các thép hình hàn vào mặt cột và nhúng vào trong bê tông sàn; (2) sử

dụng các tấm thép đỡ tại mặt dưới của sàn; (3) sử dụng các stud hàn tại

bề mặt cột để liên kết sàn với cột Trong đó giải pháp sử dụng

shear-head làm chi tiết liên kết là hợp lý và hiệu quả hơn

Tuy nhiên, các giải pháp liên kết sử dụng shear-head trong các

nghiên cứu tổng quan vẫn còn một số tồn tại như: độ tin cậy của liên kết

chưa cao; chưa có các giải pháp cấu tạo đảm bảo sự liên tục của cơ chế

truyền tải; thiếu các biện pháp gia cường để nâng cao khả năng chịu tải

cho sàn; vấn đề đảm bảo tính liên tục của sàn - cột

Liên kết cột biên, cột góc ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng

Liên kết cột - sàn bê tông ứng lực trước

1.4 Tổng quan một số mô hình tính toán khả năng chịu cắt thủng sàn

1.5 Tổng quan các tiêu chuẩn tính toán

1.6 Kết luận Chương 1

1 Tổng quan về kết cấu cột CFST và các kết cấu sàn phẳng sử dụng

trong thực tế để thấy được những ưu điểm nổi trội của hệ kết cấu này so với kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép nhằm sử dụng hệ kết cấu này làm kết cấu chịu lực chính trong kết cấu công trình

2 Qua tổng quan về các hình thức liên kết khác nhau giữa cột CFST

với sàn phẳng BTCT cho thấy đa số là các nghiên cứu thực nghiệm về liên kết sàn - cột giữa, chưa có nghiên cứu ứng xử liên kết cột biên, cột góc CFST với sàn phẳng BTCT cũng như ảnh hưởng của ứng lực trước đến khả năng chịu lực của liên kết Nhìn chung, các liên kết đề xuất ở các nghiên cứu đều đảm bảo khả năng chịu tải trọng và khả năng thi công thực tế Tuy nhiên, vẫn còn một số điểm quan trọng cần cải tiến để nâng cao hiệu quả của giải pháp kết cấu này như hình thức liên kết, độ tin cậy, tính liên tục cũng như biện pháp gia cường nâng cao khả năng chịu tải và cải thiện các ứng xử sau phá hoại của sàn tại liên kết

3 Các kết quả thí nghiệm cho thấy liên kết đều bị phá hoại cắt thủng

sàn, do đó trong chương này đã tổng hợp các giải pháp gia cường sàn bê tông cốt thép để nâng cao khả năng chịu cắt thủng cho sàn đây là gợi ý cho việc đề xuất chi tiết liên kết sàn với cột CFST một cách hợp lý và hiệu quả

4 Hiện nay, các tiêu chuẩn thiết kế các nước chưa đề cập đến các

quy định cấu tạo cũng như tính toán liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT Do đó, việc tổng quan các tính toán khả năng chịu cắt thủng sàn BTCT theo các tiêu chuẩn cùng với một số mô hình tính toán phổ biến

sẽ giúp hiểu rõ hơn phương thức thiết lập mô hình tính và là cơ sở để áp dụng tính toán cho liên kết giữa cột CFST với sàn phẳng BTCT

CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP CẤU TẠO VÀ THỰC NGHIỆM

LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TƠNG VỚI

SÀN PHẲNG

2.1 Giải pháp cấu tạo và thực nghiệm liên kết cột giữa ống thép

nhồi bê tơng với sàn phẳng bê tơng cốt thép

Cấu tạo liên kết đề xuất

Hình 2.4 Cấu tạo liên kết đề xuất

Thiết kế và chế tạo mẫu thí nghiệm

Shear-head: Thép hình số hiệu H100, đoạn vươn tính từ mặt cột L =

400 mm, phần bụng l = 50 mm đưa vào trong lõi cột như Hình 2.4

Tấm thép liên tục: bề rộng b = 50 mm, chiều dày t = 10 mm, được

hàn theo chu vi của cột tại cánh dưới của H100

Cốt thép sàn: Cốt thép lớp trên theo hai phương 14a85, hàm lượng

ρ = 1,21%, cốt thép lớp dưới chọn cấu tạo 10a100 Theo mỗi phương

(2) T ấm liên tục

a) C ấu tạo liên kết trên mặt bằng

b) M ặt cắt dọc

Cốt thép đai và cốt vòng: Cốt đai 10, uốn gập 60 mm Lớp cốt đai

đầu tiên cách mặt cột và bên cánh của shear-head là 75 mm, các lớp cốt đai tiếp theo 100 mm Cốt thép vòng được cấu tạo 10a100

Hình 2.25 Bố trí các cảm biến đo

biến dạng trong cốt thép và

shear-head

Hình 2.26 Bố trí các cảm biến đo chuyển vị và biến dạng trên bề mặt

Phá hoại cuối cùng là phá hoại cắt thủng với P = 1250 kN

Dạng phá hoại 1: Mặt phá hoại xuất phát từ chân các cốt đai ngoài

cùng cắt qua bê tông và nằm ngoài vùng bố trí cốt đai

Hình 2.33 Mặt phá hoại được giữ bởi cốt đai

Dạng phá hoại 2: Mặt phá hoại xuất phát từ cánh dưới của

shear-head và cắt qua các cốt đai

Hình 2.35 Mặt phá hoại sau khi tách khối bê tông tại đỉnh shear-head

Hình 2.39 Đồ thị tải trọng –

chuyển vị đứng đầu cột

Hình 2.40 Đồ thị tải trọng – chuyển vị mặt sàn Đánh giá những ưu điểm của giải pháp cấu tạo và ứng xử của liên kết so với các nghiên cứu trước:

Giải pháp liên kết sử dụng shear-head từ mô hình thí nghiệm minh chứng rõ cho việc mở rộng liên kết dễ dàng cũng như tính thẩm mỹ so với việc sử dụng tấm thép đỡ với các sườn gia cường [52], [30], [3] hay các stud hàn vào mặt cột [57]

Việc cấu tạo shear-head với phần bụng được ngàm vào cột và hàn tại mặt cột, cùng với tấm thép liên tục kết nối shear-head và hàn theo chu vi cột đảm bảo chiều dài và phân bố đều đường hàn từ shear-head vào cột góp phần nâng cao độ an toàn của liên kết so với [35],[32],[55]

Giải pháp đảm bảo tính liên tục cho cơ chế truyền tải từ sàn vào cột với tấm thép liên tục bao quanh chu vi cột Các nghiên cứu của [35], [32], [55] chỉ sử dụng các thép hình và không có tấm thép liên tục hàn vào mặt dưới của shear-head như liên kết đề xuất Quan sát mặt phá hoại của sàn từ các thí nghiệm sử dụng thép hình H trên Hình 2.46, minh chứng rõ vai trò gối tựa của tấm thép liên tục cho cơ chế chuyển lực tại phạm vi góc của cột và sự có mặt của hệ cốt đai ngăn cản vết nứt nghiêng tại góc cột

a) Ứng xử phá hoại tại góc của cột

với liên kết đề xuất

b) Liên kết của C.H Lee [34]

c) Liên kết của J.W Kim [31]

Hình 2.46 Ứng xử phá hoại tại góc của cột so với các nghiên cứu khác

Cốt đai dạng C: So với mẫu thí nghiệm của [16] sử dụng các stud gia cường, thì giải pháp sử dụng cốt đai là cốt thép thanh sẵn có sẽ linh hoạt cho thi công và tiết kiệm hơn so với sử dụng stud

Cốt thép vòng: Đây là chi tiết khác biệt so với các liên kết khác Dưới tác dụng của tải trọng bề mặt trên của sàn có xu hướng giãn ra gây ứng suất kéo trong bê tông gây ra các vết nứt Cốt vòng sẽ tiếp nhận các ứng suất kéo này và hạn chế sự phát triển vết nứt, kìm hãm sự phá hoại

bê tông trong vùng liên kết

2.2 Giải pháp cấu tạo và thực nghiệm liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông ứng lực trước

Cấu tạo liên kết đề xuất

Thiết kế và chế tạo mẫu thí nghiệm

Sau khi mẫu bị phá hoại quan sát thấy mơ hình phá hoại xảy ra theo hai dạng giống với mẫu sàn cột giữa khơng sử dụng ứng lực trước đĩ là: (1) mặt cắt thủng nằm ngồi vùng bố trí cốt đai; (2) mặt phá hoại cắt thủng cắt qua cốt đai

2.3 Giải pháp cấu tạo và thực nghiệm liên kết cột biên, cột gĩc ống thép nhồi bê tơng với sàn phẳng bê tơng cốt thép

Cấu tạo liên kết đề xuất

1 Cột CFST; 2 Shear-head; 3 Tấm liên tục; 4 Lổ khoan sẵn Hình 2.78 Cấu tạo liên kết cột biên, cột gĩc CFST – sàn phẳng BTCT

Thiết kế và chế tạo mẫu thí nghiệm

Hình 2.80 Cấu tạo chi tiết liên kết

1 1

1 - 1

1 1

1 - 1

2I

2I 2-2 2

2

1

4

3

Sàn BT CT T ấm thép

T ấm thép đỡ

T ấm thép Shear-head

Hình 2.81 Bố trí cốt thép cho liên kết cột biên, cột góc CFST – sàn phẳng BTCT

Thiết bị và thiết lập thí nghiệm

Hình 2.88 Ứng xử của mẫu cột góc sau

phá hoại

Hình 2.89.a) Đồ thị tải trọng - chuyển vị

Kết quả thí nghiệm xác nhận mô hình phá hoại cho cả hai mẫu sàn cột biên và sàn cột góc đều là phá hoại uốn

2.4 Kết luận Chương 2

1 Nghiên cứu thực nghiệm trên các mẫu dầm bê tông cốt thép (kết

cấu một phương) với cột ống thép nhồi bê tông sử dụng các kiểu hình dạng shear-head khác nhau Kết quả cho thấy việc lựa chọn shear-head

là các thép hình tiết diện H hoặc I làm chi tiết liên kết là hợp lý

2 Đề xuất giải pháp cấu tạo cải tiến liên kết cột ống thép nhồi bê

tông với sàn phẳng bê tông cốt thép

3 Nghiên cứu thực nghiệm một cách hệ thống cho liên kết cột giữa,

cột biên, cột góc ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép khi xét tương quan trong cùng hệ kết cấu

4 Nghiên cứu thực nghiệm liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tông

với sàn phẳng bê tông ứng lực trước với chi tiết liên kết tương tự như cột giữa ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG SỐ LIÊN KẾT VÀ

MÔ HÌNH TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT THỦNG

CỦA SÀN TẠI LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ

TÔNG VỚI SÀN PHẲNG

3.1 Mô phỏng số liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng

Mô phỏng liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê

tông cốt thép và xác thực với kết quả thí nghiệm

Sử dụng phần tử khối C3D8R để mô phỏng cho các cấu kiện: sàn bê

tông, ống thép hộp, lõi bê tông, shear-head và các tấm đặc tải Phần tử

dạng thanh T3D2 dùng để mô phỏng cho cốt thép dọc, cốt đai, cốt vòng

Bê tông: Sử dụng đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của bê

tông để mô phỏng bê tông trong miền đàn hồi và mô hình phá hoại dẻo

(CDP) để mô phỏng ứng xử của bê tông sau miền đàn hồi

Vật liệu thép: Sử dụng mô hình đàn hồi - dẻo

Hình 3.5 Mô hình mô phỏng liên kết sàn BTCT – cột CFST

Sử dụng tương tác surface to surface cho sàn BTCT với cột CFST,

ống thép hộp với lõi bê tông; tương tác tie cho shear-head với vỏ ống

thép và tương tác embedded cho cốt thép thanh với sàn BTCT