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

Mô hình tính toán khả năng chịu cắt thủng của sàn phẳng tại liên kết với cột giữa ống thép nhồi bê tông ..... DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CFST : Concrete filled steel tube Ống thép nhồi

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

ĐÀ NẴNG – NĂM 2022

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

Mã số : 9520101

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC PGS TS TRƯƠNG HOÀI CHÍNH

ĐÀ NẴNG – NĂM 2022

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được

ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Trương Quang Hải

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC CÁC BẢNG x

DANH MỤC CÁC HÌNH xi

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

6 Nội dung nghiên cứu 3

7 Bố cục của luận án 4

8 Những đóng góp mới của luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUANCỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG, SÀN PHẲNG VÀ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP 5

1.1 Tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông 5

1.2 Tổng quan các giải pháp sàn phẳng trong công trình xây dựng 10

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

thép 14

1.4 Các giải pháp nâng cao khả năng chịu cắt thủng cho sàn 29

1.5 Tổng quan một số mô hình tính toán khả năng chịu cắt thủng sàn 33

1.6 Tổng quan các tiêu chuẩn tính toán 37

1.7 Kết luận Chương 1 43

CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP CẤU TẠO VÀ THỰC NGHIỆM LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG 45

2.1 Giải pháp cấu tạo và thực nghiệm liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép 45

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 76

2.3 Giải pháp cấu tạo và thực nghiệm liên kết cột biên, cột góc ống thép nhồi

bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép 97

2.4 Kết luận Chương 2 106CHƯƠNG 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 108 3.1 Mô phỏng số liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng 108

3.2 Mô hình tính toán khả năng chịu cắt thủng của sàn phẳng tại liên kết với cột giữa ống thép nhồi bê tông 133

3.3 Kết luận Chương 3 146

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 148

PHỤ LỤC 150

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC 165

TÀI LIỆU THAM KHẢO 166

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

α : Hệ số giãn vì nhiệt của cáp

α v : Tỉ số độ cứng của shear-head với vùng bê tông ảnh hưởng

γ v : Hệ số chuyển mô men không cân bằng thành lực cắt trên tiết diện tới hạn

σ : Ứng suất

σ cp : Ứng suất nén trung bình trong bê tông

ε : Biến dạng tương đối (cốt thép, bê tông)

ε cm : Biến dạng tương ứng với cường độ chịu nén trung bình ftm

ψ : Góc lệch được đo trong mặt phẳng p-q (diviatory)

ϵ : Sự lệch của mặt thế năng dẻo

b o : Chu vi dọc theo tiết diện tới hạn

b 0,in : Chu vi tiết diện phá hoại cắt qua cốt đai

b 0,out : Chu vi tiết diện phá hoại bên ngoài vùng bố trí cốt đai

b 1 , b 2 : Kích thước của chu vi tiết diện tới hạn cách mặt cột d/2 và b1 lấy song

song với hướng của mô men không cân bằng

B1, B2 : Kích thước mẫu thí nghiệm

d : Chiều cao làm việc khi uốn của sàn

d v : Chiều cao làm việc chịu cắt của sàn

d t : Biến phá hoại kéo trong mô hình CDP

d c : Biến phá hoại nén trong mô hình CDP

E c : Mô đun đàn hồi của bê tông

E s : Mô đun đàn hồi của cốt thép

E sp : Mô đun đàn hồi của cáp ứng lực trước

f pu : Giới hạn bền của cáp

f py : Giới hạn chảy của cáp

f pi : Ứng suất kéo ban đầu trong cáp

f yp : Ứng suất hiệu quả trong cáp

f y : Cường độ chịu kéo của cốt thép

f yw : Cường độ chảy dẻo của cốt đai

f yw,ef : Ứng suất hiệu quả trong cốt thép đai (EC2)

f ' c , f cm : Cường độ chịu nén trung bình của bê tông mẫu hình lăng trụ

f tm : Cường độ chịu kéo trung bình của bê tông mẫu hình lăng trụ

f b0 /f c0 : Tỉ số giữa cường độ nén hai trục và một trục của bê tông

h : Chiều dày của sàn

I s : Mô men quán tính của shear-head

I c : Mô men quán tính của tiết diện bê tông bao quanh shear-head

J : Mô men quán tính của tiết diện tới hạn cách d/2 từ chu vi của cột

k : Hệ số ảnh hưởng chiều dày của sàn đến khả năng chịu cắt thủng

K c : Hệ số điều khiển hình dạng mặt phẳng phá hoại

L v : Chiều dài shear-head tính từ mặt cột

l : Chiều dài bụng shear-head ngàm vào cột

M u : Mô men không cân bằng tại cột

n w : Số cốt thép đai cắt qua chu vi tới hạn

V u : Lực cắt trên tiết diện tới hạn

V R : Khả năng chịu cắt danh nghĩa của sàn

V c,out : Khả năng chịu cắt thủng của sàn tại chu vi bên ngoài vùng bố trí cốt đai

V c,in : Khả năng chịu cắt thủng của sàn tại chu vi cắt qua cốt đai

V cal : Khả năng chịu cắt của sàn xác định theo tính toán

V test : Khả năng chịu cắt của sàn xác định theo thực nghiệm

V abaqus : Khả năng chịu cắt của sàn theo mô phỏng Abaqus

V p : Khả năng chịu cắt của sàn do độ nghiêng của cáp ứng lực trước

V c : Khả năng chịu cắt của bê tông

V sw : Khả năng chịu cắt của cốt đai

s w : Khoảng cách giữa những chu vi của cốt đai

t f : Chiều dày bản cánh của shear-head

t w : Chiều dày bản bụng của shear-head

w : Bề rộng vết nứt

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CFST : Concrete filled steel tube (Ống thép nhồi bê tông)

BTCT : Bê tông cốt thép

LVDT : Linear Variable Differential Transducer

CHS : Circular Hollow Section - CHS

SHS : Square Hollow Section - SHS

RHS : Rectangular Hollow Section - RHS

CSCT : Critical Shear Crack Theory - lý thuyết vết nứt cắt tới hạn CDP : Concrete damage plastic

Shear-head : Chi tiết liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT sử dụng thép

hình chữ H, I và được nhúng vào trong bê tông sàn Stud : Là các chi tiết dạng đinh, có tán một đầu hoặc hai đầu được

hàn vào thành ống thép hoặc bố trí trong sàn để chịu cắt

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Cấp phối vật liệu cho 1m3 bê tông 55

Bảng 2.2 Bảng tổng hợp các thiết bị thí nghiệm 56

Bảng 2.3 Kết quả thí nghiệm nén, ép chẻ mẫu bê tông trụ 150×300 (mm2) 64

Bảng 2.4 Số liệu thí nghiệm kéo cốt thép thanh, thép hình H100 và thép ống 65

Bảng 2.5 Giá trị lực căng cáp 81

Bảng 2.6 Cấp phối vật liệu cho vữa bơm ống gen 82

Bảng 2.7 Kết quả thí nghiệm nén, ép chẻ mẫu bê tông trụ 150×300 (mm2) 87

Bảng 2.8 Số liệu thí nghiệm kéo cốt thép thanh, thép hình H100 và thép ống 87

Bảng 2.9 Đặc tính kĩ thuật của cáp dự ứng lực lấy theo các tiêu chuẩn 88

Bảng 3.1 Lựa chọn phần tử cho các bộ phận của liên kết sàn – cột CFST 109

Bảng 3.2 Mô phỏng các bộ phận của kết cấu 109

Bảng 3.3 Các thông số đặc trưng cho vật liệu bê tông 113

Bảng 3.4 Tham số của mô hình CDP 114

Bảng 3.5 Các dạng tương tác sử dụng trong mô phỏng 116

Bảng 3.6 Kích thước chia nhỏ phần tử(mm) 117

Bảng 3.7.Thông số của các mẫu thí nghiệm và mô phỏng số tính toán cường độ chịu cắt thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép 140

Bảng 3.8 So sánh kết quả tính toán với thực nghiệm 141

Bảng 3.9 So sánh kết quả tính toán với nghiên cứu của D.V Bompa [16] 141

Bảng 3.10 So sánh kết quả tính toán với kết quả mô phỏng số Abaqus 141

Bảng 3.11 Thông số của mẫu thí nghiệm và các mẫu mô phỏng số sử dụng để

tính toán cường độ chịu cắt thủng của sàn phẳng bê tông ứng lực trước 144

Bảng 3.12 So sánh kết quả tính toán với thực nghiệm 145

Bảng 3.13 So sánh kết quả mô phỏng với công thức tính đề xuất 145

Hình 1.1 Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tông 5

Hình 1.2 Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tông 7

Hình 1.3 Cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép 7

Hình 1.4 Cột CFST được bao bọc bởi bê tông cốt thép 8

Hình 1.5 Cột CFST tăng cường kết cấu thép và cốt thép gia cường 8

Hình 1.6 Cột CFST với sườn tăng cứng 9

Hình 1.7 Nhà được xây dựng bằng kết cấu CFST [5] 9

Hình 1.8 Trung tâm thương mại Ruifeng, Trung Quốc [28] 10

Hình 1.9 Tokyo Baycourt Club Hotel & Spa Resort, Nhật Bản [60] 10

Hình 1.10 Sàn phẳng bê tông cốt thép 11

Hình 1.11 Sàn bê tông ứng lực trước 12

Hình 1.12 Sàn Bubbledeck 13

Hình 1.13 Sàn U-Boot Beton 14

Hình 1.14 Liên kết cột CFST-sàn BTCT của H Satoh và K Shimazaki (2004) [51] 15

Hình 1.15 Kết quả thí nghiệm C.H Lee et al (2008) [35] 16

Hình 1.16 Liên kết cột ống thép - sàn BTCT đề xuất bởi M.A Eder (2012) [26] 17

Hình 1.17 Cấu tạo liên kết và mô hình thí nghiệm của Y Su và Y Tian (2009) [52] 18

Hình 1.18 Liên kết đề xuất bởi Y.K Ju (2013) [30] 18

Hình 1.19 Thí nghiệm liên kết cột CFST với sàn BTCT bởi J.W Kim (2014) [32] 20

Hình 1.20 Liên kết cột CFST - sàn BTCT của P.Y Yan và Y.C Wang (2015) [55] 21

Hình 1.21 Liên kết đề xuất của J L Yu và Y C Wang (2018) [56] 22

Hình 1.22 Mô hình thí nghiệm và hình ảnh phá hoại sau thí nghiệm [56] 22

Hình 1.23 Chi tiết liên kết đề xuất bởi Đ.T.N Thảo (2019) [3] 23

Hình 1.25 Cấu tạo liên kết đề xuất [57] 24

Hình 1.26 Cấu tạo chi tiết liên kết và mô hình thí nghiệm [57] 24

Hình 1.27 Phá hoại của mẫu sau thí nghiệm [57] 25

Hình 1.28 Shear-head trong liên kết sàn - cột BTCT và kết quả thí nghiệm [28] 26

Hình 1.29 Vị trí tiết diện tới hạn cho sàn cột biên sử dụng mũ thép chịu cắt [28] 27

Hình 1.30 Tiết diện tới hạn, ứng suất cắt do lực cắt, ứng suất cắt do mô men [28] 27 Hình 1.31 Thí nghiệm liên kết sàn – cột BTCT chịu ứng lực trước căng ngoài [42] 28

Hình 1.32 Thép hình H gia cố khả năng chịu cắt thủng cho sàn W.G Corley và N.M Hawkins (1968) [19] 30

Hình 1.33 Hệ thống nâng cao khả năng chị cắt thủng Subedi và Baglin (2003) [50] 30

Hình 1.34 Hệ thống nâng cao khả năng chị cắt thủng C Ålander(2005) [13] 31

Hình 1.35.Chi tiết liên kết đề xuất bởi W Piel và G Hanswille (2006) [47] 31

Hình 1.36 Hệ thống nâng cao khả năng chịu cắt thủng [58] 31

Hình 1.37 Chốt thép chịu cắt bố trí trong bản sàn [24] 32

Hình 1.38 Tăng cường khả năng chịu cắt thủng cho sàn bằng “Shearband” [46] 32

Hình 1.39 Dầm tích hợp trong bản sàn [1] 33

Hình 1.40 Mô hình cơ học của S Kinnunen và H S E Nylander (1960) [31] 33

Hình 1.41 Mô hình tính khả năng chịu cắt thủng của sàn P Menétrey (1996) [45] 35 Hình 1.42 Mô hình tính khả năng chịu cắt thủng theo CSCT 36

Hình 1.43 Mô hình giàn ảo phân tích khả năng chịu cắt thủng cho sàn [41] 37

Hình 1.44 Mô hình Carl Erik Broms (2016)[17] 37

Hình 1.45 Sơ đồ tính toán chọc thủng của cấu kiện không có cốt thép ngang 38

Hình 1.46 Sơ đồ tính toán chọc thủng của bản bê tông cốt thép có cốt thép ngang đặt đều nhau theo phương đứng [6] 39

Hình 1.47 Xác định chu vi tiết diện tới hạn 40

Hình 1.48 Bố trí stud và chu vi tiết diện tới hạn khi chịu cắt [11] 41

Hình 1.50 Chu vi tại tiết diện tới hạn cho trường hợp có cốt thép chịu cắt 43

Hình 2.1 Liên kết cột ống thép nhồi bê tông – dầm bẹt bê tông cốt thép 46

Hình 2.2 Vết nứt trên các mẫu dầm bẹt tại thời điểm phá hoại 47

Hình 2.3 Minh họa cơ chế truyền lực từ sàn vào cột [40] 47

Hình 2.4 Cấu tạo liên kết đề xuất 48

Hình 2.5 Mô hình phân tích sàn 50

Hình 2.6 Phân tích chọn kích thước mẫu 51

Hình 2.7 Chọn mẫu điểm neo gia tải cho mẫu thí nghiệm 51

Hình 2.8 Kích thước mẫu thí nghiệm 51

Hình 2.9 Cấu tạo chi tiết liên kết 52

Hình 2.10 Bố trí cốt thép đai và thép vòng 53

Hình 2.11 Mặt cắt cấu tạo cốt thép – liên kết sàn BTCT với cột CFST 53

Hình 2.12 Cấu tạo chi tiết liên kết 54

Hình 2.13 Bố trí cốt thép sàn 54

Hình 2.14 Dưỡng hộ bê tông sàn và mẫu bê tông 55

Hình 2.15 Thi công đế gia tải thí nghiệm 57

Hình 2.16 Các chi tiết neo và mô hình thí nghiệm neo 58

Hình 2.17 Sơ đồ bố trí mô hình thí nghiệm 58

Hình 2.18 Lắp đặt thí nghiệm 59

Hình 2.19 Bố trí mô hình thí nghiệm 59

Hình 2.20 Bố trí các cảm biến (LVDT) đo chuyển vị bề mặt sàn 60

Hình 2.21 Bố trí cảm biến đo biến dạng bê tông mặt dưới của sàn 60

Hình 2.22 Strain gauge đo biến dạng bề mặt cánh trên của shear-head 61

Hình 2.23 Bố trí strain gauge đo biến dạng cốt thép đai và cốt thép vòng 61

Hình 2.24 Bố trí strain gauge đo biến dạng cốt thép dọc 62

Hình 2.25 Bố trí các cảm biến đo biến dạng trong cốt thép và shear-head 62

Hình 2.26 Bố trí các cảm biến đo chuyển vị và biến dạng trên bề mặt bê tông 63

Hình 2.27 Kết nối các cảm biến vào thiết bị nhận dữ liệu Data logger 63

Hình 2.29 Mẫu thép, thí nghiệm kéo thép 65

Hình 2.30 Ứng xử tại mặt trên của sàn ở thời điểm phá hoại 66

Hình 2.31 Phá hoại bê tông tại mặt dưới của sàn 66

Hình 2.32 Tháp phá hoại cắt thủng của sàn 67

Hình 2.33 Mặt phá hoại được giữ bởi cốt đai 67

Hình 2.34.Vết nứt bề mặt sàn và chu vi trung bình của tháp cắt thủng cho

dạng phá hoại 1 (mặt phá hoại nằm bên ngoài vùng bố trí cốt đai) 68

Hình 2.35 Mặt phá hoại sau khi tách khối bê tông tại đỉnh shear-head 69

Hình 2.36 Mặt phá hoại sau khi tách khối bê tông theo phương xiên của sàn 69

Hình 2.37 Tháp phá hoại cắt thủng khi tách các khối bê tông bị giữ bởi cốt đai 69

Hình 2.38 Hình dạng mặt trên của tháp cắt thủng và chu vi trung bình của tháp cắt thủng cho dạng phá hoại 2 (mặt phá hoại cắt qua vùng bố trí cốt đai) 70

Hình 2.39 Đồ thị tải trọng – chuyển vị đứng đầu cột 71

Hình 2.40 Đồ thị tải trọng – chuyển vị mặt sàn 71

Hình 2.41 Đồ thị tải trọng - biến dạng bê tông mặt dưới của sàn 72

Hình 2.42 Tải trọng – biến dạng tại cánh trên của shear-head 72

Hình 2.43 Tải trọng – biến dạng trong cốt thép dọc 73

Hình 2.44 Tải trọng – biến dạng trong cốt thép đai 73

Hình 2.45 Tải trọng – biến dạng trong cốt thép vòng 74

Hình 2.46 Ứng xử phá hoại tại góc của cột so sánh với các nghiên cứu khác 75

Hình 2.47 Quỹ đạo bố trí cáp sàn 78

Hình 2.48 Bố trí cáp cho mẫu thí nghiệm 78

Hình 2.49 Bố trí cốt thép sàn 79

Hình 2.50 Dưỡng hộ bê tông sàn 79

Hình 2.51 Cấu tạo đầu neo cáp ứng lực trước 80

Hình 2.52 Cấu tạo đầu neo ngoài của cáp ứng lực trước 80

Hình 2.53 Thi công kéo cáp sàn 81

Hình 2.54 Bơm vữa ống gen 82

Hình 2.56 Bố trí LVDT đo chuyển vị bề mặt bê tông sàn 83

Hình 2.57 Bố trí strain gauge đo biến dạng bề mặt trên và mặt dưới của bê tông 84

Hình 2.58 Bố trí strain gauge đo biến dạng cốt thép đai 84

Hình 2.59 Bố trí strain gauge đo biến dạng cốt thép dọc 85

Hình 2.60 Strain gauge đo biến dạng bề mặt cánh trên của shear-head 85

Hình 2.61 Bố trí các cảm biến đo biến dạng trong cốt thép và shear-head 85

Hình 2.62 Kết nối các cảm biến vào thiết bị nhận dữ liệu Data Loger 86

Hình 2.63 Bố trí mô hình thí nghiệm 86

Hình 2.64 Các thiết bị ứng ứng lực trước 88

Hình 2.65 Vết nứt trên sàn P = 730 kN 89

Hình 2.66 Vết nứt trên sàn P = 1230 kN 89

Hình 2.67 Vết nứt trên sàn P = 1730 kN 89

Hình 2.68 Vết nứt dưới sàn P = 1730 kN 89

Hình 2.69 Bề mặt trên của sàn lúc phá hoại 90

Hình 2.70 Phá hoại bê tông tại mặt dưới của sàn 90

Hình 2.71 Các dạng phá hoại sàn tại liên kết 91

Hình 2.72 Hình ảnh phá hoại mặt trên của sàn và xét tương quan miền phá hoại mặt trên sàn với hệ cốt đai, shear-head và cáp ứng lực 92

Hình 2.73 Đồ thị tải trọng – chuyển vị đứng đầu cột 93

Hình 2.74 Đồ thị tải trọng – chuyển vị bề mặt sàn 94

Hình 2.75 So sánh biến dạng bê tông mặt dưới của sàn theo hai phương 94

Hình 2.76 Tải trọng – biến dạng trong cốt thép đai 95

Hình 2.77 Tải trọng – biến dạng của shear-head 96

Hình 2.78 Cấu tạo liên kết cột biên, cột góc CFST – sàn phẳng BTCT 97

Hình 2.79 Kích thước mẫu thí nghiệm cho cột biên, cột góc 98

Hình 2.80 Cấu tạo chi tiết liên kết 99

Hình 2.81 Bố trí cốt thép cho liên kết cột biên, cột góc CFST – sàn phẳng BTCT 100

Hình 2.83 Chi tiết neo đầu cột 101

Hình 2.84 Thiết lập thí nghiệm cho cột biên, cột góc 102

Hình 2.85 Ứng xử của mẫu cột biên sau thí nghiệm 103

Hình 2.86 Đồ thị tải trọng - chuyển vị và tải trọng - biến dạng bê tông vùng nén 104 Hình 2.87 Đồ thị tải trọng - biến dạng trong cốt thép đai và thép vòng 104

Hình 2.88 Ứng xử của mẫu cột góc sau phá hoại 105

Hình 2.89 Đồ thị tải trọng - chuyển vị và tải trọng - biến dạng của cốt đai 106

Hình 3.1 Giả thiết đường cong nén một trục của bê tông [14] 110

Hình 3.2 Giả thiết mô hình kéo một trục của bê tông [14] 112

Hình 3.3 Đồ thị ứng suất – biến dạng nén, biến dạng kéo một trục của bê tông 114

Hình 3.4 Đồ thị biến dạng – biến phá hoại nén dc, biến phá hoại kéo dt 115

Hình 3.5 Mô hình mô phỏng liên kết sàn BTCT – cột CFST 115

Hình 3.6 Điều kiện biên, điều kiện chuyển vị cho kết cấu 118

Hình 3.7 Đồ thị tải trọng – chuyển vị đứng của sàn theo thí nghiệm và mô phỏng 118

Hình 3.8 Đồ thị tải trọng – biến dạng của bê tông mặt dưới sàn theo phương vuông góc với mặt cột từ kết quả thí nghiệm và mô phỏng 119

Hình 3.9 Đồ thị tải trọng – biến dạng của cốt thép dọc trong sàn từ kết quả thí nghiệm và mô phỏng 119

Hình 3.10 Đồ thị tải trọng – chuyển vị của sàn theo phương vuông góc với mặt cột theo kết quả thí nghiệm và mô phỏng 120

Hình 3.11 Mô hình mô phỏng mẫu thí nghiệm sàn ứng lực trước – cột CFST 120

Hình 3.12 Đồ thị ứng suất – biến dạng nén, kéo một trục của bê tông 121

Hình 3.13 Điều kiện biên mô phỏng 122

Hình 3.14 Đồ thị tải trọng – chuyển vị của sàn theo thí nghiệm và mô phỏng 123

Hình 3.15 Đồ thị tải trọng – chuyển vị của sàn theo phương vuông góc với mặt cột theo kết quả thí nghiệm và mô phỏng 123

Hình 3.16 Đồ thị tải trọng – biến dạng của bê tông mặt dưới 124

Hình 3.18 Cấu tạo vùng liên kết theo chiều dài của shear-head 125

Hình 3.19 Hình ảnh phá hoại sàn theo chiều dài của shear-head 126

Hình 3.20 Đồ thị tải trọng - chuyển vị sàn khi thay đổi chiều dài shear-head 126

Hình 3.21 Mô hình xác định tương quan độ cứng của shear-head với bê tông 127

Hình 3.22 Hình ảnh phá hoại sàn phụ thuộc tiết diện ngang shear-head 127

Hình 3.23 Đồ thị tải trọng - chuyển vị sàn khi thay đổi kích thước shear-head 127

Hình 3.24 Cơ chế ảnh hưởng của cốt thép dọc đến sức kháng cắt của sàn [15] 128

Hình 3.25 Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép 129

Hình 3.26 Đường cong tải trọng - chuyển vị theo sự thay đổi cường độ bê tông 130

Hình 3.27 Cơ chế truyền lực cắt trong sàn qua mô hình giàn ảo 131

Hình 3.28 Phân bố ứng suất trong sàn 132

Hình 3.29 Đường cong tải trọng - chuyển vị ảnh hưởng cốt thép đai 133

Hình 3.30 Phân tích các chu vi tới hạn của sàn phẳng bê tông cốt thép 135

Hình 3.31 Phân tích các chu vi tới hạn của sàn phẳng bê tông ứng lực trước 136

Hình 3.32 Chiều cao làm việc chịu cắt dv xác định từ kết quả thí nghiệm 137

Hình 3.33 Đề xuất chu vi phá hoại 137

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 với sàn phẳng

bê tông cốt thép thành hệ kết cấu chịu lực cho nhà cao tầng do:

Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube - CFST) được

sử dụng rộng rãi để làm kết cấu chịu lực trong các công trình nhà cao tầng do có nhiều ưu điểm vượt trội so với kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép thông thường như khả năng chịu lực cao do đó làm giảm tiết diện cột nhờ vậy tăng diện tích sàn sử dụng, độ dẻo của kết cấu lớn, khả năng tiêu tán năng lượng lớn Ngoài ra khả năng thi công nhanh do bỏ qua ván khuôn cột và gia công cốt thép thanh nên tiết kiệm nhân công, giảm chi phí thi công cũng là ưu điểm vượt trội của loại kết cấu này

Trong công trình nhà cao tầng, việc giảm chiều cao nhà sẽ giảm đáng kể tác động của tải trọng ngang cho công trình Kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) được xem là giải pháp hiệu quả cho việc giảm chiều cao tầng nhưng vẫn đảm bảo khoảng thông thủy sử dụng Việc sử dụng sàn phẳng BTCT sẽ thuận lợi cho việc thi công, rút ngắn thời gian xây dựng, thuận tiện cho việc bố trí đường ống thiết bị kĩ thuật, dễ dàng thông gió và linh hoạt bố trí mặt bằng

Từ phân tích trên, nếu kết hợp hai loại kết cấu riêng biệt này thành kết cấu chịu lực mới cho nhà cao tầng sẽ đem lại những hiệu quả đáng kể về mặt kinh tế, kỹ thuật 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 ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép, chưa có các nghiên cứu cho liên kết cột biên, cột góc ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng BTCT hay sàn phẳng bê tông ứng lực trước 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 ống thép nhồi bê tông 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 liên kết cải tiến cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép và sàn bê tông ứng lực trước;

Nghiên cứu ứng xử và cơ chế làm việc của liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép 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 ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép và sàn phẳng bê tông ứng lực trước

Phạm vi nghiên cứu:

Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của sàn tại liên kết cột giữa, cột biên, cột góc ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép và liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông ứng lực trước 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 ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép và sàn phẳng bê tông ứng lực trước 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

Ý nghĩa khoa học:

Cung cấp giải pháp cấu tạo cải tiến cho liên kết cột ống thép nhồi bê tông với kết cấu sàn phẳng để tạo nên hệ kết cấu chịu lực hiệu quả về mặt kĩ thuật và kinh tế Cung cấp bộ số liệu đầy đủ từ kết quả thí nghiệm và mô phỏng số liên kết cột ống thép nhồi bê tông với kết cấu sàn phẳng để giúp hiểu rõ hơn ứng xử, cơ chế phá hoại của sàn cũng như ảnh hưởng của các tham số quan trọng đến khả năng chịu tải trọng của liên kết

Thiết lập được công thức xác định chu vi tới hạn được xây dựng từ thực nghiệm và mô phỏng số để tính toán khả năng chịu cắt thủng của sàn tại liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng

Ý nghĩa thực tiễn:

Đẩy mạnh ứng dụng hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép nhằm tăng hiệu quả kinh tế - kỹ thuật trong xây dựng nhà cao tầng tại Việt Nam

Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu 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;

Nghiên cứu chọn hình thức liên kết từ đó đề xuất giải pháp cấu tạo cải tiến cho liên kết cột giữa, cột biên, cột góc ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng;

Thực nghiệm trên mẫu kích thước lớn liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép và sàn phẳng bê tông ứng lực trước; cột biên, cột góc ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép;

Mô phỏng số bằng phần mềm Abaqus liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép và sàn phẳng bê tông ứng lực trước;

Xác định chu vi tới hạn để tính toán khả năng chịu cắt thủng của sàn phẳng

bê tông cốt thép và sàn phẳng bê tông ƯLT sàn tại liên kết cột giữa CFST

Bố cục của luận án

Căn cứ nội dung cần thực hiện, luận án được cấu trúc thành các phần như sau:

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

Khái niệm

Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) là một kết cấu liên hợp bao gồm vỏ

ống thép và lõi bê tông cùng làm việc chung với nhau (Hình 1.1)

Hình 1.1 Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tông

Cường độ chịu nén của bê tông lớn hơn rất nhiều so với cường độ chịu kéo và

khả năng chịu nén của bê tông sẽ được tăng lên khi bê tông bị hạn chế nở hông Đối

với kết cấu thép, cường độ chịu kéo cao nhưng dễ bị mất ổn định cục bộ dưới tải

trọng nén Như vậy, thép và bê tông được sử dụng kết hợp để có thể phát huy hết

bản chất tự nhiên của từng loại vật liệu để tạo ra kết cấu có nhiều ưu điểm Loại kết

cấu này hiện đang được nghiên cứu áp dụng cho công trình nhà cao tầng, nhà công

nghiệp và các công trình cầu tại Việt Nam

Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông

- Cách sắp xếp vật liệu trên trên mặt cắt ngang làm tối ưu cường độ và độ

cứng của cấu kiện Cốt thép được phân bố ở chu vi ngoài cùng của tiết diện nên

phát huy hiệu quả làm việc cao nhất khi chịu mô men uốn Bê tông tạo một lõi lý

tưởng để chống lại tải trọng nén trong quá trình làm việc, trì hoãn và chống lại sự

mất ổn định cục bộ của ống thép, đặc biệt các cấu kiện có tiết diện hình vuông hoặc chữ nhật Ngoài ra, ống thép cản trở biến dạng nở hông của lõi bê tông làm tăng khả năng chịu nén và độ dẻo dai đối với cấu kiện CFST

- Việc nhồi bê tông vào trong ống thép làm nâng cao độ chống ăn mòn bên trong ống thép, làm giảm độ mảnh, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả năng chống móp méo của vỏ ống thép khi va đập

- Khả năng chống cháy của cột CFST tốt hơn so với cột thép

- Giá thành tổng thể của công trình làm bằng kết cấu ống thép nhồi bê tông nói chung nhỏ hơn nhiều so với giá thành của công trình tương tự làm bằng kết cấu bê tông cốt thép hay kết cấu thép thông thường Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi

bê tông nhỏ hơn so với kết cấu bê tông do đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn đồng thời làm giảm tải trọng xuống móng Kết cấu ống thép nhồi bê tông kinh

tế hơn so với kết cấu bê tông cốt thép vì không cần ván khuôn, giá vòm, đai kẹp và các chi tiết đặt sẵn, nó có sức chịu đựng tốt hơn, ít hư hỏng do va đập Do không có cốt chịu lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tông với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỉ lệ N/X có thể lấy nhỏ hơn) và sẽ dễ dàng đạt chất lượng bê tông cao hơn [5]

Hạn chế lớn nhất ảnh hưởng đến việc sử dụng rộng rãi loại kết cấu này đó là cấu tạo liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông với sàn bê tông cốt thép, dầm bê tông cốt thép hay dầm thép Các ứng xử, cơ chế làm việc, trạng thái phá hoại liên kết chưa được hiểu rõ, do đó gây ra không ít những khó khăn cho tính toán, thiết kế, cấu tạo liên kết nhằm kết hợp các loại kết cấu này thành hệ kết cấu hiệu quả sử dụng cho công trình nhà cao tầng tại Việt Nam

Phân loại cột ống thép nhồi bê tông

Cột ống thép nhồi bê tông về mặt cấu tạo rất đa dạng Dạng tiết diện phổ biến nhất của cột CFST là tiết diện mà bê tông được nhồi vào phần rỗng bên trong ống thép có dạng hình tròn (Circular Hollow Section - CHS), hay cột có tiết diện rỗng hình vuông (Square Hollow Section- SHS) hoặc cột có tiết diện rỗng hình chữ nhật (Rectangular Hollow Section - RHS) Đối với tiết diện CHS sự hạn chế biến dạng

ngang của lõi bê tơng là lớn nhất và mất ổn định cục bộ chỉ xuất hiện đối với tiết diện hình vuơng và chữ nhật Tuy nhiên, cột CFST với các tiết diện SHS và RHS vẫn tiếp tục được sử dụng nhiều trong xây dựng với những ưu điểm riêng của nĩ Những dạng tiết diện ngang khác cũng được sử dụng cho mục đích nghệ thuật như dạng đa giác, dạng elip, v.v (Hình 1.2)

Hình 1.2 Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tơng

Cột CFST cĩ tiết diện bao gờm ống thép trong và ống thép ngồi, bê tơng được nhời vào giữa hai ống thép (Hình 1.3) Với cấu tạo mặt cắt như thế này, cột sẽ

cĩ độ cứng chống uốn lớn, cường độ cao, khả năng chống cháy tốt hơn và tránh được sự mất ổn định đối với cấu kiện khi chịu tác động của áp lực bên ngồi Dạng cột này cĩ thể là lựa chọn tối ưu khi thiết kế những cấu kiện với tiết diện ngang lớn

Hình 1.3 Cột ống thép nhồi bê tơng với hai lớp ống thép

Trường hợp cột CFST được bao bọc bởi bê tơng cốt thép truyền thống (Hình 1.4) Cấu tạo tiết diện gờm ống thép bên trong được lắp đặt trước tiếp theo là lắp đặt các hệ thép gia cường, lớp bê tơng bên trong và bên ngồi được đổ sau đĩ Việc

Ố ng thép Ố ng thép Ố ng thép

Ố ng thép Ố ng thép Ố ng thép Lõi bêtông Lõi bêtông Lõi bêtông

Lõi bêtông Lõi bêtông Lõi bêtông

Lõi bêtông Lõi bêtông Lõi bêtông

Lõi bêtông

nhời bê tơng vào trong ống sẽ làm tăng tối đa khả năng giam hãm bê tơng nâng cao cường độ tới hạn của tiết diện Bê tơng cốt thép bao bọc bên ngồi tạo thành một lớp chống cháy cho lõi bên trong, do đĩ khả năng chống cháy của loại cột này được tăng đáng kể so với cột CFST truyền thống Ngồi ra, loại cột này cịn cĩ khả năng kháng mất ổn định cục bộ, chống ăn mịn đối với ống thép rất tốt và dễ liên kết với những dầm bê tơng cốt thép hoặc dầm thép trong hệ kết cấu cơng trình

Hình 1.4 Cột CFST được bao bọc bởi bê tơng cốt thép

Cột CFST tăng cường kết cấu thép và cốt thép gia cường Kết cấu thép và cốt thép thanh gia cường được bố trí vào lõi của ống thép sử dụng để tăng khả năng chịu tải trọng của cấu kiện CFST (Hình 1.5) Loại kết cấu này thường được sử dụng cho cơng trình chịu tải trọng lớn

Hình 1.5 Cột CFST tăng cường kết cấu thép và cốt thép gia cường

Cột CFST sử dụng ống thành mỏng cường độ cao Những sườn tăng cứng ngang và dọc cĩ thể được hàn vào ống thép để cải thiện cường độ và độ dẻo của cột liên hợp Đối với cột cĩ tiết diện ngang lớn, các sườn tăng cứng cĩ thể hàn vào mặt trong của ống Các thanh nối cũng cĩ thể được hàn nối các sườn gia cường như Hình 1.6 nhằm trì hỗn sự mất ổn định cục bộ của ống thép

Cốt thép mềm

Cốt thép mềm

Cốt thép mềm

Ố ng thép Ố ng thép

Lõi bêtông Lõi bêtông

Ố ng thép

Lõi bêtông

Cốt thép hình

Lõi bêtông Cốt thép mềm

Hình 1.6 Cột CFST với sườn tăng cứng

Khả năng áp dụng

Kết cấu ống thép nhồi bê tông được ứng dụng rộng rãi cho rất nhiều lĩnh vực như nhà dân dụng và công nghiệp, cầu đường, v.v

Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, loại kết cấu này được áp dụng khá nhiều cho cấu kiện chịu lực chính như hệ móng cọc, các cột đỡ của toà nhà cao tầng Chẳng hạn, toà nhà được xây dựng bằng kết cấu cột CFST ở Chuo-ku, thành phố Kobe, Nhật Bản (Hình 1.7 - Thiết kế: Công ty Takenaka, tổng diện tích sàn 20.642

m2, gồm 12 tầng nổi và 2 tầng hầm) Các công trình nhà ở tại thành phố Kobe được xây dựng nhằm chống lại những tác động lớn từ những động đất và kết cấu CFST đáp ứng được điều này [5]

Hình 1.7 Nhà được xây dựng bằng kết cấu CFST [5]

Trung tâm thương mại Ruifeng được xây dựng tại Hàng Châu, Trung Quốc năm 2001 (Hình 1.8) Công trình có chiều cao lớn nhất 84.3 m (24 tầng) Hệ kết cấu bao gồm cột ống thép nhồi bê tông tiết diện vuông cạnh 600 mm chiều dày thành ống thép lớn nhất là 28 mm và nhỏ nhất là 16 mm, hệ dầm thép và hệ vách bê tông cốt thép [29]

Hình 1.8 Trung tâm thương mại Ruifeng, Trung Quốc [28]

Công trình Tokyo Baycourt Club Hotel & Spa Resort, Nhật Bản (Hình 1.9) được hoàn thành năm 2007 với quy mô gồm 27 tầng nổi và 2 tầng hầm với tổng chiều cao công trình là 101,1 m sử dụng kết cấu cột ống thép nhồi bê tông kết hợp với kết cấu bê tông cốt thép cho sàn, vách [60]

Hình 1.9 Tokyo Baycourt Club Hotel & Spa Resort, Nhật Bản [60]

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

Với xu hướng phát triển của công nghệ cũng như yêu cầu về mặt kiến trúc, kinh tế cho công trình, hệ kết cấu sàn sườn truyền thống dần dần được thay thế bởi

hệ sàn phẳng không dầm với nhiều ưu điểm nổi trội như tạo ra không gian sử dụng linh hoạt phù hợp với công năng của công trình, chiều cao thông thuỷ hợp lý, dễ

Dầm thép

Cột CFST

dàng đáp ứng các yêu cầu bố trí hệ kỹ thuật Dưới đây sẽ giới thiệu tổng quan về một số loại sàn phẳng có thể kết hợp được với kết cấu cột ống thép nhồi bê tông được sử dụng ở Việt Nam

Sàn phẳng bê tông cốt thép thông thường

Là hệ thống chịu lực theo một hoặc hai phương được kê trực tiếp lên cột hoặc tường chịu lực (Hình 1.10) Điểm đặc biệt của loại sàn này là chiều dày gần như không đổi tạo ra mặt phẳng phía dưới của sàn dẫn tới sự đơn giản trong thi công Sàn này cho phép linh hoạt trong việc tạo vách ngăn và có thể không cần phải sử dụng trần giả Nhịp kinh tế của sàn phẳng BTCT là 6 m đến 8m

Hình 1.10 Sàn phẳng bê tông cốt thép

Ưu điểm: Cốt pha đơn giản, thi công nhanh; tạo không gian linh hoạt, dễ dàng

bố trí mặt bằng; không dầm, tạo khoảng thông thủy lớn ở dưới sàn; chiều dày kết cấu nhỏ và từ đó giảm được chiều cao tầng

Nhược điểm: Nhịp trung bình, khả năng chịu tải ngang hạn chế; cần kiểm soát

độ võng dài hạn; cần có biện pháp chống chọc thủng ở xung quanh cột

Sàn phẳng bê tông ứng lực trước

Trong cấu kiện bê tông ứng lực trước, bằng cách đặt vào một lực nén trước tạo bởi lực kéo cốt thép, nhờ tính đàn hồi, cốt thép có xu hướng co lại tạo nên lực nén trước và gây ra ứng suất trước trong bê tông Ứng suất nén trước trong bê tông sẽ triệt tiêu hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng sử dụng gây ra Do đó, khả năng chịu kéo của bê tông được nâng cao và hạn chế sự phát triển vết nứt Ứng suất trước

là việc tạo cho kết cấu một cách có chủ ý các ứng suất tạm thời nhằm tăng cường sự

làm việc của vật liệu trong các điều kiện sử dụng khác nhau Nói cách khác trước khi cấu kiện chịu tải trọng sử dụng cốt thép đã bị căng trước còn bê tông đã bị nén trước [2]

Hình 1.11 Sàn bê tông ứng lực trước

Sử dụng sàn bê tông ứng lực trước có nhiều ưu điểm như có khả năng vượt nhịp lớn, khả năng chịu uốn, chịu cắt cao hơn so với sàn bê tông cốt thép thường có cùng tiết diện, hạn chế được biến dạng, khe nứt, tăng độ bền của kết cấu, do sử dụng được vật liệu có cường độ cao nên giảm được kích thước tiết diện, tiết kiệm được khối lượng vật liệu, làm giảm trọng lượng bản thân, giảm chi phí cho nền móng Tuy nhiên, cần phải tính toán, cấu tạo chống chọc thủng cho sàn tại vị trí đầu cột, vách, v.v

Về lý thuyết tính toán, nhiều tổ chức và quốc gia trên thế giới đã nghiên cứu

và cho ra đời các tiêu chuẩn, quy phạm về bê tông ứng suất trước như tiêu chuẩn Hoa Kỳ, tiêu chuẩn châu Âu, v.v Tại Việt Nam tiêu chuẩn TCVN 5574-2018 đã có các chỉ dẫn để thiết kế loại kết cấu này

Sàn Bubbledeck

Sàn Bubbledeck là loại sàn sử dụng các quả bóng rỗng từ nhựa tái chế để thay thế phần bê tông không hoặc ít chịu lực ở giữa chiều cao tiết diện sàn Ở bên trên và bên dưới của quả bóng được gia cường bằng các lớp lưới thép được tính toán cụ thể Các quả bóng nhựa có vai trò giảm thiểu phần bê tông không cần thiết đối với khả năng chịu lực của kết cấu sàn, giảm nhẹ trọng lượng của sàn, cải thiện các khả năng cách âm, cách nhiệt

Công nghệ thi công sàn không quá phức tạp, cho phép giảm khối lượng bê tông so với sàn truyền thống, từ đó góp phần giảm được trọng lượng tổng thể của công trình và tăng khả năng vượt nhịp Sàn có khả năng chịu lực theo hai phương, không dùng dầm nên giảm chiều cao xây dựng mỗi tầng, cải thiện khả năng cách

âm, cách nhiệt cho sàn Công nghệ lắp ghép, bán lắp ghép cho phép công xưởng hóa và cơ giới hóa các quá trình chế tạo, vận chuyển, lắp đặt nên thi công nhanh, sử dụng ít lao động, sản phẩm làm ra có độ chuẩn hóa cao Do sử dụng các vật liệu tái chế trong sản xuất và thi công nên công nghệ này giúp giảm chi phí vật liệu và thân thiện với môi trường

Sàn U-boot Beton

U-boot Beton là sản phẩm công nghệ sàn nhẹ của hai tập đoàn Daliform Group (Italy) và Peikko Group (Phần Lan), sử dụng các khối nhựa tái chế polypropylen để thay thế phần bê tông không hoặc ít tham gia chịu lực ở thớ giữa

của bản sàn, giúp giảm trọng lượng kết cấu, giảm kích thước hệ cột, vách, móng, tường, vách chịu lực và tăng khoảng cách lưới cột Bản sàn U-boot Beton là loại kết cấu rỗng, phẳng, không dầm, liên kết trực tiếp với hệ cột, vách chịu lực nên có nhiều ưu điểm về mặt kỹ thuật và kinh tế Bản sàn U-boot Beton là một sản phẩm cải tiến của BubbleDeck

Hình 1.13 Sàn U-Boot Beton

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

Việc sử dụng cột ống thép nhồi bê tông cho kết cấu công trình đem lại nhiều

ưu điểm so với cột bê tông cốt thép truyền thống Sự kết hợp giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT tạo ra hệ thống kết cấu hiệu quả hơn Đặc biệt sự kết hợp giữa cột CFST với sàn bê tông ứng lực trước sẽ giúp cho sàn vượt được nhịp lớn hơn làm tăng hiệu quả sử dụng công trình Tuy nhiên, cần phải giải quyết vấn đề liên kết giữa cột và sàn phẳng để hệ kết cấu này được ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng Một số nghiên cứu đã được các tác giả thực hiện gồm:

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

H Satoh và K Shimazaki (2004) [51] đã công bố kết quả nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu tải của liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT Liên kết được đề xuất gồm vách ngăn được chế tạo trước và nối với dầm thép tiết diện I tại hiện trường bằng bu lông cường độ cao như Hình 1.14

Tác giả đã thực hiện 3 nhóm thí nghiệm; (1) thí nghiệm tải trọng ngang cho liên kết sàn – cột giữa; (2) thí nghiệm xác định cường độ chịu cắt thủng của sàn; (3) thí nghiệm về cường độ chịu xoắn

Kết quả thí nghiệm cho thấy, với nhóm mẫu chịu tải trọng ngang, vị trí của tiết diện tới hạn do lực cắt và mô men uốn xuất hiện tại mặt trước và sau của cột Nhóm mẫu thứ 2 thí nghiệm về chọc thủng thì bê tông sàn, các tấm thép liên kết và các đinh (stud) sẽ tham gia chịu cắt trong đó cường độ chịu cắt của bê tông có thể được tính theo tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-11 Với nhóm mẫu thứ 3 thí nghiệm về cường độ chịu xoắn, độ cứng ban đầu và cường độ xuất hiện vết nứt đầu tiên có thể được tính toán bằng lý thuyết đàn hồi Độ cứng sau khi nứt được tính toán với hệ số giảm độ cứng Bề rộng ảnh hưởng của sự xoắn tăng sau nứt và bề rộng hiệu quả có thể áp dụng tính toán độ cứng và cường độ

Hình 1.14 Liên kết cột CFST-sàn BTCT của H Satoh và K Shimazaki (2004) [51]

Với liên kết này ống thép cột sẽ được nối tại cao trình sàn làm gián đoạn quá trình thi công cột, vòng thép chế tạo khá phức tạp và tốn khá nhiều vật liệu, liên kết còn chưa nêu rõ hiệu quả của việc neo thép chịu uốn vào vòng thép tại vị trí cột Nghiên cứu cũng chưa đưa ra các công thức tính toán cho từng trường hợp chịu tải của liên kết

C.H Lee et al (2008) [35] nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu cắt thủng

và ứng xử sau chọc thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép tại liên kết với cột giữa ống thép nhồi bê tông Chi tiết liên kết sàn - cột có dạng tiết diện chữ T và chữ H Tác giả đã đề xuất 3 hình thức để neo cốt thép từ sàn vào cột như sau: (1) cốt thép dọc xuyên hoàn toàn qua cột CFST bởi các lỗ trên các mặt của ống thép; (2) một phần cốt thép dọc xuyên hoàn toàn qua cột, nửa còn lại được xuyên qua cột và được kéo dài đến mặt cột bên trong phía đối diện với lỗ xuyên cốt thép; (3) cốt thép dọc được uốn góc 900 và được móc vào các lỗ khoan sẵn trên các tấm thép được hàn tại mặt ngoài của cột Các stud hàn vào bề mặt bên ngoài của ống thép tại mức cốt thép

chịu kéo với mục đích ngăn cản sự phân tách sớm của bê tông ra khỏi bề mặt cột Tiêu chuẩn ACI 318-05 [8] được sử dụng để thiết kế các mẫu thí nghiệm Kích thước của các mẫu thí nghiệm gồm chiều dày sàn 200 mm, ống thép hộp vuông cạnh 400 mm, chiều dày thành ống thép cho tất cả các mẫu là 40 mm, một mẫu có chiều dày thành ống thép là 20 mm

Để đánh giá các hình thức neo cốt thép và kiểu liên kết đến khả năng chịu cắt thủng của sàn, một chuỗi 5 mẫu được chế tạo để thí nghiệm Bên cạnh đó để xem xét ảnh hưởng của cốt thép post-punching (cốt thép đặt trong vùng nén của sàn tại

vị trí đầu cột và được tính theo tiêu chuẩn ACI 352.1R-89 [7]) đến ứng xử của liên kết, hai mẫu thí nghiệm khác cũng được đề xuất

Hình 1.15 Kết quả thí nghiệm C.H Lee et al (2008) [35]

Kết quả thí nghiệm cho thấy các vết nứt xuất hiện trên vùng kéo của sàn, sau

đó xảy ra phá hoại do chọc thủng Mô hình phá hoại phù hợp với dự định trong thiết

kế là: (1) cốt thép chịu uốn chảy dẻo trước thép hình H, T; (2) phá hoại thủng là mô hình phá hoại cuối cùng và sự tách bê tông ra khỏi mặt cột không xảy ra sớm Kết quả từ hai mẫu thí nghiệm có chiều dày thành ống khác nhau cho giá trị phá hoại cắt thủng tương tự nhau Thí nghiệm còn cho thấy với mẫu có bố trí thép post-punching thì khả năng chịu cắt thủng của mẫu tăng từ 20% - 40% và độ cứng vùng nút được nâng lên khoảng 40% - 80% so với mẫu không có cốt thép này Kết quả thí nghiệm cho các kiểu neo cốt thép dọc và hình thức của shear-head khác nhau (thép hình chữ

H hoặc T) thì khả năng chịu cắt thủng có sự khác biệt không lớn

Phương pháp bán giải tích (semi-analytical) được thực hiện để mô hình ứng

xử của liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT Các tham số cần thiết cho mô hình được hiệu chỉnh dựa vào kết quả thí nghiệm

M.A Eder et al (2012) [26] nghiên cứu ứng xử dẻo của chi tiết liên kết dạng

thép hình chữ I trong liên kết cột ống thép rỗng với sàn phẳng BTCT (Hình 1.16) Giải pháp liên kết mới được đề xuất gồm các shear-head tiết diện I được nhúng một phần trong sàn Xung quanh cột chừa lỗ để chốt thép I có thể đạt trạng thái dẻo về cắt trước khi sàn bị phá hoại do cắt thủng

Với liên kết đề xuất, tác giả thực hiện nghiên cứu thực nghiệm trên mẫu kích thước thật Kết quả cho thấy liên kết đáp ứng được khả năng chịu tải trọng ngang và tải trọng đứng đồng thời cho vùng chịu động đất thấp đến vừa hoặc là hệ thống thứ cấp trong vùng có động đất đáng kể Tuy nhiên, liên kết vẫn còn cấu tạo phức tạp Nghiên cứu cũng chưa chỉ rõ tương quan độ cứng của các chốt chịu cắt quyết định đến mô hình phá hoại dẻo của chốt thép trước phá hoại thủng của sàn Mô hình cơ học và tính toán cho liên kết chịu đồng thời tải trọng đứng và ngang cũng chưa được đề cập

Hình 1.16 Liên kết cột ống thép - sàn BTCT đề xuất bởi M.A Eder (2012)[26]

Y Su và Y Tian (2009) [52] nghiên cứu thực nghiệm liên kết giữa cột ống

thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép dưới tác dụng của tải trọng ngang Chi tiết liên kết và mô hình thí nghiệm mô tả trên Hình 1.17

Mục đích của nghiên cứu là tạo một liên kết chủ yếu chịu tải trọng ngang, đảm bảo giảm ứng suất tập trung gây ra bởi mô men âm trong sàn do động đất đồng thời đảm bảo khả năng chịu tải trọng đứng Từ nhận định trên một liên kết được đề xuất gồm tấm sàn BTCT đỡ bởi một tấm thép tròn được hàn vào cột Do cốt thép chịu

mô men uốn không xuyên qua cột nên ứng xử của liên kết như một liên kết khớp

dẫn đến hạn chế khả năng chịu mômen âm do tải trọng đứng và tải trọng ngang Thêm vào đó tấm thép tròn đỡ sàn chuyển toàn bộ lực cắt vào trong cột đồng thời đẩy tiết diện tới hạn chịu cắt thủng ra xa khỏi mặt cột với mong muốn sự phá hoại

do cắt thủng xảy ra sau khi liên kết chịu được biến dạng ngang do động đất Kết quả thí nghiệm cho thấy việc sử dụng liên kết khớp cho liên kết giữa sàn bê tông và cột CFST có thể đạt được chuyển vị ngang mong muốn

Hình 1.17 Cấu tạo liên kết và mô hình thí nghiệm của Y Su và Y Tian (2009) [52]

Y.K Ju et al (2013) [30] đề xuất liên kết mới giữa cột CFST với sàn phẳng BTCT như Hình 1.18 gồm tấm thép được hàn vào cột và có chừa các lỗ ren để nối với thép chờ, các thép chờ này được nối ren với cốt thép thường của sàn và sau đó

đổ bê tông Phương pháp phần tử hữu hạn với việc sử dụng phần mềm ANSYS được sử dụng để phân tích mô hình Các thông số được đưa vào phân tích bao gồm kích thước cột, chiều dày ống thép, chiều dài và chiều dày của tấm thép, cường độ của thép và số lượng thép dọc liên kết với tấm thép

Hình 1.18 Liên kết đề xuất bởi Y.K Ju (2013) [30]

Tác giả thực hiện phân tích 84 mẫu để tìm ra công thức thiết kế cho liên kết Cường độ của liên kết phụ thuộc vào nhiều yếu tố: bề rộng ống thép bc, chiều dày ống thép tc, kích thước tấm thép hàn vào cột, khoảng cách từ cốt thép neo vào tấm thép đến cạnh tấm thép, tỉ số cường độ chảy dẻo của ống thép với tấm thép Trạng thái giới hạn của liên kết khi thành ống thép biến dạng ra ngoài mặt phẳng 5 mm Kết quả phân tích thấy cường độ liên kết giảm tương ứng với sự tăng của bề rộng ống thép Tuy nhiên, ảnh hưởng bề rộng của ống thép không quá quan trọng vì trong thực tế khi tăng kích thước ống thép thì chiều dày thành ống cũng tăng thêm Khi chiều dày thành ống thép và độ vươn của tấm thép từ mặt cột tăng thì cường độ của liên kết cũng tăng Bên cạnh đó cường độ của liên kết tỉ lệ thuận với cường độ của ống thép và tỉ lệ nghịch với cường độ của tấm thép liên kết với khoảng cách đặt lực trên tấm thép

J.W Kim et al (2014) [32] nghiên cứu thực nghiệm trên các mẫu kích thước lớn, liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT Chi tiết liên kết là các thép hình tiết diện H hàn trực tiếp vào mặt cột Tác giả tiến hành thí nghiệm cho 10 mẫu có kích thước lớn, trong đó có 8 mẫu sử dụng shear-head làm chi tiết liên kết và 2 mẫu không sử dụng chi tiết liên kết để làm mẫu kiểm chứng Chương trình thí nghiệm được thực hiện trên các mẫu được khảo sát theo các khía cạnh như chiều dài shear-head, cường độ bê tông, hình dạng và kích thước của cột ống thép và chiều dày sàn Chiều dày thành ống thép là 40 mm và 2 mẫu có chiều dày 19 mm Cốt thép chịu

kéo sử dụng ϕ16 với giới hạn chảy f y = 467 MPa Hàm lượng cốt thép chịu kéo lấy

từ 0,52% - 1,32% Cường độ bê tông sàn là 22,8 MPa Trong 10 mẫu có 2 mẫu có chiều dày sàn 300 mm, để nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày sàn Mô hình thí nghiệm sàn thể hiện trên Hình 1.19

Kết quả ứng xử của sàn từ thí nghiệm: Các vết nứt nằm trên mặt bê tông chịu kéo của sàn, trên bề mặt bê tông vùng nén không cho thấy bất kì sự phá hoại nào

Mô hình phá hoại của tất cả các mẫu đó là phá hoại dẻo của thép chịu uốn xảy ra trước và phá hoại dẻo của shear-head xảy ra sau, sự phá hoại thủng xảy ra sau cùng Quan sát thí nghiệm cho thấy các vết nứt cắt thủng xuất hiện ban đầu trong vùng

nén của tiết diện tới hạn gần mặt cột và sau đó những vết nứt này lan đến vùng kéo của tiết diện tới hạn cắt qua đầu shear-head Những mẫu có chiều dài shear-head lớn hơn cho chu vi phá hoại lớn hơn trên bề mặt vùng kéo của sàn Độ cứng tại vùng liên kết tăng lên với hàm lượng cốt thép càng tăng Tất cả các mẫu đều xảy ra phá hoại cắt thủng và là phá hoại giòn trong vùng liên kết sàn – cột

Hình 1.19 Thí nghiệm liên kết cột CFST với sàn BTCT bởi J.W Kim (2014) [32]

Khả năng chịu cắt thủng danh nghĩa của cột hình vuông lớn hơn so với tiết diện chữ nhật Tải trọng gây phá hoại cho mẫu tăng dần với chiều dài của shear-head và một chiều dài tối thiểu của shear-head bằng 4h (h là chiều cao dầm I) để đạt đến cường độ danh nghĩa theo tiêu chuẩn ACI 318-11 [10] Ngoài ra, kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ chịu cắt thủng của mẫu không có shear-head đạt đến 90% cường độ chịu cắt thủng danh nghĩa Dựa trên quan sát ứng xử, dữ liệu đo từ thí nghiệm và các điều khoản thiết kế của tiêu chuẩn Mỹ để đề xuất mô hình mới xác định khả năng chịu cắt thủng của sàn là sự đóng góp riêng phần của bê tông và shear-head

P.Y Yan và Y.C Wang (2016) [55] đã đề xuất 2 kiểu liên kết cho cột ống thép rỗng với sàn phẳng bê tông cốt thép như Hình 1.20 Theo đó 2 mẫu có chi tiết shear-head khác nhau được thí nghiệm để khảo sát ứng xử và đánh giá độ tin cậy của liên kết đề xuất Chương trình Abaqus được sử dụng để mô phỏng ứng xử cắt thủng của sàn tại liên kết và thực hiện khảo sát các tham số của shear-head, ống thép, hàm lượng cốt thép sàn Kết quả khảo sát chỉ ra rằng để tính toán khả năng chịu cắt thủng cho sàn, hệ thống shear-head làm việc như một cột có kích thước lớn

Sử dụng các tiêu chuẩn với sàn bê tông cốt thép thường để tiên đoán khả năng chịu

cắt thủng Liên kết được tác giả khảo sát chỉ sử dụng shear-head ngắn nên ứng xử phù hợp với các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành

Hình 1.20 Liên kết cột CFST - sàn BTCT của P.Y Yan và Y.C Wang (2015) [55]

D.V Bompa và A.Y Elghazouli (2016) [16] nghiên cứu thực nghiệm liên kết sàn bê tông cốt thép với cột thép sử dụng shear-head là các thép hình tiết diện H Hai hình thức của shear-head được đề xuất gồm thép hình H được hàn trực tiếp vào

bề mặt cột và bố trí thêm các tấm thép vào cánh trên và cánh dưới của thép hình H

và hàn vào bề mặt cột Bên cạnh đó, 2 mẫu thí nghiệm kết hợp shear-head và các stud cũng được đề xuất để nghiên cứu thực nghiệm

Tác giả thực hiện thí nghiệm cho 6 mẫu Trong đó chiều dày sàn h s = 225 mm

và chiều dài shear-head tính từ mặt cột L v = 370 mm là không đổi Hàm lượng cốt thép thường được lấy từ 0.33% đến 1.37% Trên mỗi mặt của cột có 2 thanh cốt thép xuyên cột để đảm tính liên tục giữa sàn và cột Kết quả thí nghiệm cho thấy: với mẫu không bố trí stud, ứng xử được quan sát như nhau cho tất cả các mẫu Trong giai đoạn chịu tải ban đầu đặc trưng bởi vết nứt uốn, bề rộng và kiểu vết nứt phụ thuộc vào số lượng cốt thép chịu mô men Với sự tăng của hàm lượng cốt thép thì tải trọng phá hoại tăng tương ứng Trường hợp shear-head có bổ sung thêm các tấm thép tại cánh trên cánh dưới của thép hình H thì độ bền tối đa gần giống với mẫu không bố trí khi hai mẫu có cùng hàm lượng cốt thép dọc

J L Yu và Y C Wang (2018) [56] nghiên cứu ứng xử chịu cắt thủng của sàn phẳng tại liên kết với cột ống thép nhồi bê tông khi sử dụng các stud hàn trực tiếp vào mặt cột để làm chi tiết liên kết Hình 1.21