khảo sát ứng xử chịu cắt của liên kết perfobond dạng mở được sử dụng trong dầm liên hợp bê tông - thép

khảo sát ứng xử chịu cắt của liên kết perfobond dạng mở được sử dụng trong dầm liên hợp bê tông - thép

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU

1.1-Giới thiệu chung về kết cấu liên hợp bê tông-thép

Kết cấu liên hợp bê tông-thép (composite construction) là sự kết hợp của bê tông - thép kết cấu và cốt thép thành một thể thống nhất làm việc đồng thời với nhau1 Nó đã được nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới trong những năm đầu của thập niên 1920, hiện nay nó được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình dân dụng, công nghiệp và hạ tầng giao thông

Sử dụng kết cấu liên hợp không những tăng khả năng chịu lực, độ cứng, độ dai của kết cấu mà còn bảo đảm các yếu tố về kiến trúc, kinh tế, tính ứng dụng cao Kết cấu liên hợp có nhiều ưu điểm hơn so với kết cấu bê tông cốt thép truyền thống đó

là giảm được kích thước dầm có nhịp lớn, bản sàn mỏng, có thời gian thi công nhanh do đó tiết kiệm được chi phí, sớm đưa công trình vào sử dụng So với kết cấu thép thông thường, kết cấu liên hợp giảm được các nguy cơ gây bất ổn định

Việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển kết cấu liên hợp hiện đang được nhiều quốc gia quan tâm, trên thế giới cũng như Việt Nam hiện nay đã có các công trình

sử dụng kết cấu liên hợp vì ưu điểm của nó là có độ cứng hình học lớn và khả năng chịu lực cao hơn so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường Chẳng hạn như tòa nhà Major Bank cao 35 tầng ở thành phố Dallas bang Texas, trụ sở của Citibank ở Duisburg - Đức Ở Việt nam công trình sử dụng kết cấu bê tông thép điển hình là trung tâm thương mại Diamond Plaza tọa lạc tại trung tâm Tp HCM Gần đây các công trình cầu vượt mới được thi công ở Hà nội cũng sử dụng kết cấu liên hợp, trong khi luận văn này đang được thực hiện thì nhà thầu Freyssiness của Pháp đang

1

Từ đây về sau sẽ được gọi ngắn gọn là kết cấu liên hợp

tiến hành sửa chữa các nhịp dầm thép của cầu Bình Phước - Tp HCM Giải pháp chính của biện pháp gia cường là sử dụng các kết cấu liên hợp bê tông thép

Một trong những công trình điển hình cho sự ứng dụng thành công kết cấu liên hợp là công trình Millennium Tower cao 55 tầng (hình 1.1), với chiều cao công trình là 202m Công trình được thi công và hoàn thành với thời gian kỷ lục trong vòng 8 tháng [1]

a) Toàn cảnh công trình b) Mặt bằng dầm sàn

Hình 1.1: Công trình Millennium Tower, Tp Viên, Áo

Không những được sử dụng trong công trình nhà, kết cấu liên hợp còn được sử dụng rộng rãi trong việc xây dựng các công trình cầu vượt nhịp lớn, gần đây nhất nút giao thông Hàng xanh-Tp HCM đã chính thức được hợp long, công trình này sử dựng kết cấu liên hợp để rút ngắn thời gian thi công

Hình 1.2: Thi công nút cầu vượt Hàng xanh – Tp HCM

1.2- Động lực cho nghiên cứu

Trong một hệ kết cấu liên hợp bao gồm 03 thành phần cơ bản: Kết cấu thép, kết cấu bê tông cốt thép và chi tiết liên kết hai phần bê tông và thép Hai phần bê tông và thép đóng vai trò khối chịu tải trọng tác tộng từ bên ngoài Liên kết (shear connector) đóng vai trò truyền lực giữa hai khối trên và đảm bảo chúng làm việc đồng thời Trong thực tế thiết kế và xây dựng công trình hiện nay, chi tiêt liên kết dạng đinh (headed sud) đang được sử dụng phổ biến cho các loại kết cấu Hình 1.3 minh họa một kết cấu dầm vượt nhịp lớn có sử dụng liên kết đinh

Hình 1.3: Dầm cầu thi công bằng liên kết dạng đinh

Trong quá trình sử dụng liên kết đinh mũ (head stud connector) đã xuất hiện một số bất lợi chẳng hạn như các yêu cầu về thiết bị hàn khi thi công tại hiện trường Vật liệu thép cho liên kết đinh tán bắt buộc phải có cường độ cao hơn thép kết cấu, điều này dẫn đến các khó khăn khi nhiều nơi chưa thể tự sản xuất loại thép này Những điều này đã thôi thúc các kỹ sư và nhà nghiên cứu tìm kiếm các giải pháp thay thế cho liên kết đinh mũ

Dạng liên kết perfobond là một giải pháp thay thế cho liên kết kiểu đinh mũ sử dụng trong kết cấu dầm, perfobond được đề nghị bởi LEONHARDT và cộng sự từ thập niên 80 [2], đến nay nó đã nhận được sự quan tâm của giới kỹ sư công trình và các nhà nghiên cứu Sản phầm dầm liên hợp VFT-WIB [3] của công ty SSS Engineer (Đức) đã đưa vào ứng dụng liên kết perfobond cho dầm vượt nhịp khẩu độ lớn Hiện nay nó đang được sử dụng ở một số quốc gia trên thế giới Theo đó dầm cầu được chế tạo bởi dầm thép tiết diện I hay T ngược và liên kết perfobond hình dạng mở được cắt trực tiếp từ bản bụng của dầm thép hoặc hàn vào bản cánh dầm như hình 1.4a, điều này dẫn đến thuận lợi cho việc lắp đặt cốt thép tương đối dễ dàng hình 1.4b

a) Dầm cầu sau khi được cắt b) Lắp đặt cốt thép

Hình 1.4: Dầm cầu thi công bằng liên kết dạng perfobond

Năm 1999, cầu vượt sông Lech ở Schongau của Đức (hình 1.5) đã sử dụng liên kết perfobond cho dầm liên hợp, với nhịp cầu 27+30+26m Theo đó, cầu có tổng chiều dài 83m dài, các hạng mục chính của công trình được hoàn thành chỉ trong vòng 3 tháng

Hình 1.5: Cầu vượt sông Lech ở Schongau của Đức [3]

Trong thực hành thiết kế kết cấu liên hợp, tiêu chuẩn Eurocode 4 (EC4) đang được sử dụng phổ biến rộng rãi trên thế giới, tuy nhiên trong EC4 chỉ trình bày chỉ dẫn tính toán thiết kế và thí nghiệm cho liên kết chống cắt kiểu đinh mũ Các loại liên kết khác gần như chưa được đề cập một cách cụ thể

Từ thực tế ứng dụng của các nước có ngành công nghiệp xây dựng phát triển

và đặc biệt là tình hình ứng dụng kết cấu liên hợp trong nước, việc tìm một loại liên kết thay thế cho đinh mũ là một nhu cần cần thiết nhất là khi tất cả các loại liên kết đinh mũ chưa thể sản xuất ở Việt nam Chọn lựa loại perfobond thích hợp và khảo sát khả năng chịu lực của nó để có thể ứng dụng trong công trình mà không phải nhập khẩu liên kết đinh mũ là động lực thúc đẩy cho nghiên cứu này

Ở Việt Nam hiện nay, công tác nghiên cứu liên quan đến liên kết perfobond chỉ dừng lại ở việc tính toán lý thuyết cho từng kết cấu liên hợp riêng lẻ như cột hoặc dầm liên hợp, còn trong thực tế thi công thì chưa có công trình nào áp dụng bởi không có các dữ liệu đầy đủ khi thiết kế Xuất phát từ thực tế trên, để tạo thuận lợi cho thi công cũng như có thể áp dụng cho điều kiện kinh tế nước ta, việc khảo sát khả năng chịu lực loại liên kết khác thật sự rất cần thiết

1.3- Mục tiêu và giới hạn của đề tài

Đề tài khảo sát ứng xử chịu cắt của liên kết perfobond dạng mở được sử dụng trong dầm liên hợp bê tông - thép sẽ được thực hiện trong nghiên cứu này Chương trình thí nghiệm được tiến hành với thiết kế của perfobond có hình dạng gần giống với chữ Ω, các nhóm mẫu khác nhau sẽ được khảo sát nhằm đánh giá các yếu tố liên quan đến cơ chế truyền lực, dạng phá hoại và khả năng chịu lực của liên kết perfobond Mỗi nhóm mẫu thí nghiệm sẽ được thay đổi các thông số mục tiêu Bên cạnh thí nghiệm, mô hình phần tử hữu hạn ba chiều cũng được thực hiện để mô phỏng sự làm việc của liên kết Ngoài ra mô phỏng số cũng nhằm đánh giá những yếu tố ảnh hưởng đến sức chống cắt của liên kết mà thí nghiệm chưa thực hiện được

Liên kết perfobond được khảo sát trong nghiên cứu này được áp dụng giới hạn cho loại dầm liên hợp có dầm thép định hình tiết tiện chữ I Các giả thiết về phá hoại do lực cắt theo phương vuông góc với trục dầm sẽ không được xét đến Ngoài

ra bất ổn định của dầm thép cũng không được đề cập đến

1.4- Nội dung và ý nghĩa của đề tài

1.4.1- Nội dung nghiên cứu

Với những vấn đề được trình bày ở phần trước về kết cấu liên hợp, đề tài tiến hành khảo sát ứng xử của liên kết, bao gồm những vấn đề sau:

 Tính toán khả năng chịu lực cắt của liên kết

 Đánh giá độ mềm của liên kết

 Khảo sát dạng phá hoại của liên kết gồm phá hoại của thép, liên kết chống cắt, đường hàn và bê tông

1.4.2- Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học của đề tài

Trong những năm gần đây, kết cấu liên hợp ngày càng được ứng dụng ở Việt Nam, tuy nhiên những nghiên cứu về vấn đề liên quan đến loại kết cấu này chưa nhiều Nhằm mục đích nghiên cứu loại liên kết có thể áp dụng tại Việt Nam, đề tài

giới thiệu liên kết chống cắt dạng perfobond sử dụng trong liên kết dầm sàn liên hợp

Hiện nay vẫn chưa có tiêu chuẩn nào hướng dẫn cách tính toán cho loại liên kết này, do đó việc thực hiện chương trình thí nghiệm sẽ giúp đánh giá chính xác khả năng chịu lực của liên kết

1.5- Phương pháp nghiên cứu

Để đánh giá khả năng ứng xử của liên kết, một chương trình thí nghiệm được đặt ra xét tới ảnh hưởng của một số thông số Các thông số khảo sát bao gồm kích thước của lỗ liên kết, hàm lượng cốt thép đặt trong liên kết và cường độ chịu nén của bê tông

Chương trình thí nghiệm dựa theo chỉ dẫn của EC4, các thí nghiệm Push-out

đã được thực hiện với 6 nhóm mẫu khác nhau nhằm xác định cơ chế truyền lực và

độ dai của liên kết

1.6- Cấu trúc luận văn

Luận văn này được chia làm các phần chính như sau:

Chương 1: Giới thiệu về nội dung, mục tiêu và ý nghĩa của đề tài nghiên cứu Chương 2: Trình bày tổng quan về mô hình ứng xử của kết cấu liên hợp và giới thiệu về liên kết chống cắt perfobond

Chương 3: Trình bày nội dung của chương trình thí nghiệm push out cho 6 nhóm mẫu, từ đó nêu lên được những yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu cắt của liên kết

Chương 4: Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn cho thí nghiệm push out nhằm khảo sát cơ chế truyền lực và khả năng làm việc của liên kết

Chương 5: Nêu lên những kết luận của nghiên cứu, đồng thời đề xuất những kiến nghị và hướng phát triển trong thời gian sắp tới

a) Dầm liên hợp b) Cột sử dụng thép hình

c) Sàn liên hợp

Hình 2.1: Ứng dụng của kết cấu liên hợp bê tông thép [1]

Hình 2.1a và 2.1b mô tả một số dạng điển hình của tiết diện kết cấu liên hợp, hình 2.1c thể hiện một ứng dụng của kết cấu liên hợp trong hệ dầm sàn mà đang được sử dụng phổ biến ở nước ta hiện nay [1]

Kết cấu liên hợp đang được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình nhờ bố trí tối ưu về khả năng chịu lực của mỗi loại vật liệu thành phần Bê tông và cốt thép

là hai loại vật liệu hoàn toàn khác nhau nhưng khi trong cùng một kết cấu thì lại bổ sung cho nhau Như chúng ta đã biết, bê tông làm việc hiệu quả khi chịu nén và ngược lại thép hiệu quả khi chịu kéo Sự kết hợp giữa bê tông và thép sẽ làm tăng

độ cứng của cấu kiện và làm giảm nguy cơ mất ổn định so với kết cấu thép thuần túy Ngoài ra bê tông còn chống ăn mòn, chống nhiệt, chống cháy và thép làm cho kết cấu dẻo dai hơn, làm tăng độ cứng hình học, từ đó giảm độ võng của kết cấu [1]

Đối với công trình dân dụng, kết cấu liên hợp được ứng dụng nhiều trong kết cấu dầm sàn, với hệ dầm cột làm bằng thép (thường sử dụng thép hình chữ H và chữ I) và sàn bằng bê tông Dầm composite thực sự làm việc sau khi tấm tôn chịu lực, cốt thép thường, chốt liên kết và bê tông đóng rắn kết hợp thành một cấu kiện duy nhất Dưới tác dụng của tải trọng, dầm composite bị uốn và ứng suất cắt xuất hiện tại mặt tiếp xúc giữa bê tông và thép Tại vị trí này sẽ phát sinh biến dạng trượt tương đối giữa dầm thép và sàn bê tông Do đó liên kết chống cắt (shear connector) được bố trí nhằm ngăn cản sự trượt tương đối đó Hình 2.2 mô tả trường hợp dầm liên hợp khi có và không có sử dụng các liên kết chống cắt

Hình 2.2: Vai trò của liên kết chống cắt trong dầm liên hợp [1]

Hình 2.3: Ứng xử của dầm liên hợp [1]

Hình 2.3 mô tả các trường hợp ứng xử của dầm liên hợp khi xét đến sự tương tác làm việc giữa bê tông và dầm thép [1] Theo đó, dầm chia thành ba loại như sau:

 Tương tác toàn phần (full interaction): không có sự trượt tương đối tại

mặt tiếp xúc giữa bản bê tông và dầm thép Lực cắt dọc được truyền toàn bộ và tải trọng phá hoại Pu đạt giá trị lớn nhất, bê tông và thép làm việc cùng nhau hoàn toàn Phá hoại là dòn nếu xảy ra đột ngột, là dẻo nếu xảy ra từ từ

 Không tương tác (no interaction): chuyển vị trượt tương đối giữa bê tông và

thép tại mặt tiếp xúc là không giới hạn; hầu như không có sự truyền lực cắt Tải trọng phá hoại Pu nhỏ nhất, phá hoại là chuyển tiếp (progresive)

 Tương tác bán phần (partial interaction): trượt giữa bê tông và thép tại

mặt tiếp xúc khác không nhưng có giới hạn Lực cắt được truyền một phần và Punằm giữa hai giá trị trên Phá hoại có thể là dòn hoặc dẻo

Nhằm làm rõ hơn ứng xử của dầm, xét dầm có chiều dài L chịu tải trọng phân bố đều, có dạng phá hủy mô tả như hình 2.4a [4] Kết quả tính biến dạng trượt

và chuyển vị được mô tả như hình 2.4b,c cho thấy rằng, tại vị trí giữa dầm, chuyển

vị đạt giá trị lớn nhất, biến dạng trượt bằng không Ngược lại, tại vị trí cuối dầm, gần vị trí gối tựa thì chuyển vị bằng không còn biến dạng trượt đạt giá trị lớn nhất Đường nét liền mô tả kết quả của dầm không sử dụng liên kết chống cắt (no

interaction), đường nét đứt mô tả kết quả của trường hợp tính toán loại tương tác bán phần (partial interaction) Điều đó chứng tỏ rằng liên kết chống cắt giúp tăng độ cứng cho dầm nếu chúng làm việc hiệu quả

Hình 2.4: Biến dạng, chuyển vị và trượt của dầm [4]

Sự trượt giữa dầm và sàn phụ thuộc vào mức độ chống cắt của liên kết Hình 2.5 biểu diễn mức độ trượt giữa dầm và sàn khi có và không có liên kết

X

no interaction partial interaction

Hình 2.5: Ảnh hưởng của lực cắt [1]

2.1.2- Các giai đoạn làm việc của dầm liên hợp

Sự làm việc của kết cấu được minh họa theo hình 2.6, được chia thành 3 giai đoạn sau [5]:

Hình 2.6: Các giai đoạn chịu tải của dầm liên hợp [5]

 Giai đoạn 1:

Khi tải trọng còn nhỏ, bê tông và thép làm việc đàn hồi, ứng suất và biến dạng là tuyến tính Liên kết giữa chúng chịu lực cắt nhỏ Dầm bị biến dạng ít nên ứng suất tại giữa nhịp dầm phân bố dạng đường thẳng như hình 2.6a

Theo biểu đồ biến dạng, nếu sàn đủ dày thì trục trung hòa sẽ nằm trong bê tông, như vậy một phần bê tông chịu kéo Ngược lại, khi bản sàn mỏng thì trục trung hòa nằm trong phần dầm thép thì lúc này phần phía trên chịu nén

 Giai đoạn 2

Khi tải trọng tiếp tục tăng, ứng suất cắt giữa thép và bê tông tăng làm tăng biến dạng liên kết Biến dạng này làm tăng biến dạng tổng thể của dầm Hình 2.6b biểu diễn ảnh hưởng của biến dạng trượt đến sự phân bố ứng suất và biến dạng của dầm Ở giai đoạn này dầm liên hợp được thiết kế liên kết loại một phần Tuy nhiên biến dạng trượt rất nhỏ và có thể bỏ qua

 Giai đoạn 3

Thép đạt đến giới hạn chảy, vùng dẻo phát triển và sau đó toàn bộ tiết diện thép bị chảy dẻo Quá trình này cũng xảy ra tương tự như với bê tông, biểu đồ ứng suất biến dạng như hình 2.6c

Khi biến dạng phát triển gây ra ứng suất quá lớn sẽ làm phá hoại giòn tại bề mặt bản bê tông Sự gia tăng ứng suất trong bê tông dẫn đến sự gia tăng biến dạng, ứng suất sẽ bị thay đổi

Nếu khả năng chống lại lực cắt dọc đủ lớn thì biến dạng trượt có thể bỏ qua Tuy nhiên, trên thực tế mức độ biến dạng dầm phụ thuộc rất nhiều ứng xử của liên kết chống cắt

2.1.3- Liên kết chống cắt trong kết cấu dầm

Tác động liên hợp giữa dầm thép và bản bê tông được quyết định bởi sự truyền lực cắt ngang tại mặt tiếp xúc Tác động này có thể được đặc trưng bởi một vài đặc tính cơ học như sự bám dính, ma sát và sự liên kết Sự ma sát và bám dính giữa bê tông và thép được bỏ qua do chúng rất nhỏ so với lực kháng cắt của liên kết

Do đó, những liên kết chống cắt được hàn vào dầm thép sẽ làm tăng khả năng chịu lực của liên kết dưới tác dụng của tải trọng

Trong thực tế để xác định khả năng chịu tải của dầm, giả sử tất cả liên kết ngay cả khi đã biến dạng thì cũng đảm bảo khả năng chống lại lực cắt dọc của dầm

Nếu khả năng chống cắt của liên kết đảm bảo cho dầm tiếp tục làm việc đến giai đoạn chảy dẻo hoàn toàn thì được gọi là liên kết toàn phần (full interaction) Ngược lại liên kết chỉ đảm bảo mômen nội lực của dầm đạt đến giới hạn nhất định độ bền tiêu chuẩn thì gọi là liên kết bán phần

Hình 2.7 minh họa sự làm việc của liên kết chống cắt trong kết cấu dầm sàn liên hợp

Hình 2.7: Biểu đồ ứng suất – biến dạng [1]

a) Không có liên kết chống cắt b) Liên kết hoàn toàn

Theo hình trên, nếu không có liên kết giữa dầm và sàn bê tông thì hai lớp vật liệu sẽ trượt lên nhau và biểu đồ ứng suất sẽ được mô tả ở hình 2.7a, xem như liên kết hoàn toàn có độ cứng tuyệt đối Tuy nhiên trong thực tế không có liên kết cắt cứng hoàn toàn vì hầu như xảy ra sự trượt ở mặt tiếp xúc Độ dai của liên kết cho phép phân phối lại lực cắt dọc ở bề mặt tiếp xúc như hình 2.7b

Beam section

Elastic stress Ultimate plastic stress

a) No connection

a) Full connection Strain

Strain

Bending stress Shear stress

Bending stress Shear stress

Trường hợp lực cắt dọc theo mặt tiếp xúc được ngăn cản bởi liên kết chống cắt thì ứng suất tại mặt tiếp xúc là như nhau, khi đó dầm làm việc như kết cấu liên hợp hoàn chỉnh

Nếu xét trường hợp sử dụng liên kết hoàn toàn trong dầm liên hợp và dầm làm việc trong giai đoạn đàn hồi, gọi T là lực trượt trên một đơn vị chiều dài tại vị trí giữa bê tông và dầm thép, thì T được tính theo công thức [6]:

Với V : Lực cắt theo phương đứng tại điểm tính toán

I : moment quán tính của tiết diện tương đương

S : moment tĩnh của tiết diện bản bê tông và tiết diện thép lấy đối

với trục trung hòa

2.1.4- Ứng xử của liên kết chống cắt:

Khi tải trọng tăng, lực cắt dọc vị trí tiếp xúc tăng Dầm đơn giản chịu tải phân bố đều, lực cắt dọc đơn vị được tính theo công thức (2.1) Theo công thức trên lực cắt dọc tỷ lệ với lực cắt đứng nên lực cắt của liên kết ở vị trí đầu dầm là lớn nhất Hình 2.8 mô tả ứng xử của liên kết chống cắt trong dầm

Hình 2.8: Ứng xử của liên kết khi chịu tác dụng của lực cắt [5]

VS T I



Dưới tác dụng của tải trọng nhỏ, liên kết biến dạng tuyến tính như hình 2.8a Biến dạng trượt giữa bê tông và thép sẽ tăng dần từ giữa đến hai bên đầu dầm

Khi tải càng tăng thì lực cắt càng lớn, tải tác dụng lên liên kết ở đầu dầm gây

ra biến dạng dẻo Độ dẻo của liên kết nghĩa là liên kết có thể bị biến dạng dẻo trong khi vẫn còn khả năng chống lại được lực cắt Hình 2.8b mô tả khi liên kết ở vị trí cuối cùng (vị trí đầu dầm) bị chảy dẻo, nếu tải tiếp tục tăng thì liên kết tại gần vị trí giữa nhịp tiếp tục bị chảy dẻo Sự phá hủy xảy ra khi một trong các liên kết tiến tới khả năng chịu cắt tới hạn như hình 2.8c Hình dạng phá hoại tùy thuộc vào dạng phá hoại của liên kết Độ dẻo của liên kết cũng rất cần thiết khi xét đến trong trường hợp này

Sự phá hoại của dầm liên hợp thì phụ thuộc bởi khả năng chịu lực của ba thành phần chính: dầm thép, bản bê tông cũng như là liên kết chống cắt Sự ảnh hưởng tác động giữa các thành phần trên rất phức tạp, do đó quan hệ giữa ứng suất

và biến dạng của các vật liệu này được giả định là đường đàn dẻo lý tưởng [7] Dầm liên hợp được thiết kế với thép đạt đến giới hạn chảy, bê tông đạt đến biến dạng phá hoại và liên kết đạt đến biến dạng dẻo

Hình 2.9: Biểu đồ đánh giá độ mềm của liên kết [1]

P (shear)

P Rk

u slip Ductile connector

Non ductile connector

1

P Rk2

1 2

1 2

1 u

2

Liên kết cắt đóng vai trò truyền lực từ sàn bê tông sang dầm thép bằng cách khống chế sự trượt tương đối giữa bản bê tông và dầm thép khi chịu lực uốn Cấu tạo của liên kết cắt ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng làm việc của kết cấu dầm Có rất nhiều yếu tố quyết định khả năng chịu lực của dầm như cường độ đường hàn, vật liệu kết cấu thép và bê tông xung quanh liên kết Tùy thuộc vào sự phân bố lực cắt

và dạng đường quan hệ giữa khả năng chịu lực và biến dạng Liên kết chống cắt được phân thành 2 loại: dai hoặc không dai được minh họa ở hình 2.9

Theo EC4 (điều số 6.6.1.1) [6], một liên kết được gọi là dẻo khi nó có khả năng biến dạng đủ khi chịu trượt để phù hợp giả thiết làm việc dẻo hoàn toàn của liên kết khi trượt Đường cong P- hiển thị quan hệ giữa lực và biến dạng trượt tương đối giữa bê tông và thép được xác định bằng thí nghiệm pust-out Biến dạng trượt u tương ứng với cường độ đặc trưng PRK Một liên kết dẻo khi u ≥ 6mm và với điều kiện là phải có số liên kết đủ theo chiều dài nhịp dầm

(a) Liên kết dạng đinh (head studs) (b) Liên kết Perfobond [8]

(c) Liên kết Thép góc [1] (d) Liên kết đai

Hình 2.10: Một số loại liên kết chống cắt

Hiện nay có rất nhiều loại liên kết chống cắt được sử dụng, hình 2.10 minh họa hình ảnh một số loại liên kết thường được sử dụng trong thực tế Ngoài liên kết đinh mũ truyền thống người ta còn sử dụng một số liên kết khác như liên kết bằng

bu lông (bolt connector), thép C (channel connector), thép T (T-shape connector) Hình 2.11 minh họa việc thi công liên kết bằng thép C và T ngoài công trường và hình 2.12 biểu diễn mặt cắt qua liên kết trong kết cấu liên hợp

a) Liên kết chịu cắt bằng thép C b) Liên kết chịu cắt bằng thép T

Hình 2.11: Các loại liên kết khác [2] [9]

Hình 2.12: Mặt cắt qua liên kết bản sàn và cánh trên dầm thép [10]

2.1.5- Sự truyền lực cắt trong liên kết

Trong các loại liên kết kể trên thì liên kết chống cắt dạng đinh (head stud) được tiến hành nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới, SLOBODAN RANKOVIC, DRAGOLIJUB DRENIC [11] đã tiến hành nghiên cứu và minh họa việc truyền lực cắt trong liên kết chống cắt dạng đinh Theo đó, dưới tác dụng của tải trọng, lực cắt P xuất hiện và truyền từ chân của liên kết cắt vào bản bê tông như hình 2.13

Hình 2.13: Sự phân bố lực cắt của liên kết dạng đinh [11]

Lực Pw xuất hiện với góc nghiêng nhỏ phía trên đường hàn liên kết chốt và cánh dầm thép Với sự gia tăng áp lực trong bê tông, tại chân của liên kết cắt bê tông bị vỡ ra và lực cắt được truyền vào thân của chốt liên kết thông qua lực PB Điều này gây ra biến dạng dẻo do uốn trong thân chốt và nó cũng làm xuất hiện lực kéo trong chốt mà ngăn cản sự tách rời Do lực kéo này trong liên kết cắt mà phát sinh ứng suất kéo trong bê tông, nhất là tại đầu của chốt liên kết

Bên cạnh đó lực kéo trong chốt còn làm xuất hiện lực ma sát tại vị trí tiếp xúc giữa bê tông và cánh trên của dầm thép (lực PB) Thành phần nằm ngang của lực kéo ký hiệu là Pz được truyền vào chân của liên kết cắt Trong trường hợp này liên kết phá hoại ngay phía trên đường hàn do tác động của lực kéo và lực cắt

Điều này làm xuất hiện vết nứt xiên mà có điểm gốc tại đầu của chốt liên kết như hình 2.14

Hình 2.14: Dạng phá hoại của liên kết [11]

2.2- Đánh giá khả năng chịu lực của một số dạng liên kết chống cắt

Việc nghiên cứu ứng dụng và phát triển kết cấu bê tông liên hợp dùng trong các lĩnh vực cầu đường, nhà cửa và các dạng công trình kỹ thuật khác đã và đang được rất nhiều quốc gia quan tâm Hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến các dạng liên kết chống cắt được sử dụng, một số kết quả điển hình được liệt kê tóm tắt ở đây

JORGEN G OLLGAARD và cộng sự [12] nghiên cứu khả năng chịu lực của liên kết dạng đinh với bê tông thường và bê tông nhẹ bằng thí nghiệm PO, thí nghiệm được tiến hành trên 48 mẫu Tác giả đã đề xuất công thức tính toán khả năng chịu cắt của đinh theo cường độ và mô đun đàn hồi của bê tông, đưa ra được công thức của biểu đồ quan hệ giữa chuyển vị và tải trọng

MD KHASRO MIAH [13] phân tích biến dạng của liên kết chống cắt trong kết cấu liên hợp, theo đó việc khảo sát đo lường biến dạng ở chân liên kết đinh tán bằng thực nghiệm tương đối khó khăn, khả năng chịu lực của chân liên kết và vùng bê tông xung quanh có thể xác định bằng phương pháp số Các tác giả đề xuất mô hình tính cũng như các thông số vật liệu cho mô hình và biểu đồ ứng xử của liên kết EHAB ELLOBODY, BEN YOUNG [14] đã thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm đối với liên kết dạng đinh trong kết cấu liên hợp có sử dụng tấm tôn sàn đặt

vuông góc với dầm thép, nội dung chính của bài báo là phát triển mô hình phần tử hữu hạn nhằm khảo sát ứng xử của liên kết Phần mềm ABAQUS được sử dụng, kết quả mô phỏng được so sánh với các công thức tính toán cường độ liên kết theo AISC, BS 5950 và EC4 Trong nghiên cứu của mình các tác giả đã đưa ra các biểu

đồ lực – chuyển vị cũng như phân tích sự ảnh hưởng của các yếu tố đến khả năng chịu lực của liên kết như là: cường độ bê tông, kích thước tấm tôn, đường kính và chiều cao của chốt Kết quả cho thấy, khả năng chịu lực của liên kết được tính toán theo tiêu chuẩn AISC và BS 5950 cao hơn so với mô phỏng khoảng 25% Trong khi

đó, kết quả tính bằng EC4 tương đối gần với mô phỏng nhất, chênh lệch không nhiều

A.L.SMITH, G.H.COUCHMAN [15] đã tiến hành thí nghiệm PO trên 27 mẫu sử dụng liên kết chống cắt dạng đinh, trong đó có sử dụng tấm tôn định hình Theo đó, nếu sử dụng hai đinh liên kết tại một vị trí thì khả năng chịu lực tăng khoảng 16%

so với việc chỉ dùng một đinh Ngoài ra, khi sử dụng lưới thép đặt dưới đầu đinh thì khả năng chịu lực sẽ tăng khoảng 30% so với trường hợp đặt dưới lớp bảo vệ tính từ mặt sàn cho cả hai trường hợp đặt một và hai đinh

M M ABBASS và các cộng sự [16] nghiên cứu cường độ và ứng xử của liên kết dạng đinh dùng cho sàn bê tông cốt thép, thí nghiệm với 7 mẫu khác nhau về đường kính của chốt và cường độ bê tông Kết quả cho thấy khi tăng đường kính chốt liên kết và cường độ bê tông thì khả năng chịu cắt của liên kết cũng tăng Khi tải trọng còn thấp thì biến dạng trượt tương đối nhỏ, tại vị trí đạt 80% tải lớn nhất thì biến dạng tăng nhanh cùng với sự phá hủy ở bản bê tông

SHERVIN MALEKIN và SAMAN BAGHERI [17] nghiên cứu ứng xử của liên kết chống cắt dạng chữ C trong các trường hợp sử dụng bê tông thường, bê tông cốt thép và bê tông sợi Thí nghiệm tiến hành trên 9 mẫu dưới tác dụng của tải trọng thường và 7 mẫu với tải trọng lặp Sự phá hoại của mẫu xảy ra chủ yếu xảy ra trong

bê tông và ứng xử của liên kết được xếp vào loại liên kết dai, phân tích được mức

độ ảnh hưởng của các loại sợi cũng như hàm lượng cốt thép đến khả năng chịu lực

của liên kết Bên cạnh đó mô phỏng liên kết trên phần mềm ANSYS được thực hiện

để so sánh kết quả giữa lý thuyết, thực nghiệm và mô phỏng [18]

MAHDI SHARIATI [9] tiến hành nghiên cứu ứng xử của liên kết chống cắt dạng chữ C (hình 2.15) khi so sánh giữa các nhóm bê tông thường, bê tông có cốt thép và bê tông nhẹ Thí nghiệm được tiến hành trên 5 nhóm Kết quả của thí nghiệm cho thấy rằng, khả năng chịu lực của liên kết khi sử dụng bê tông nhẹ giảm 20% so với bê tông thường Liên kết dài cho độ dai liên kết lớn hơn, với mẫu bê tông thường không đặt cốt thép thì độ dai tương đối nhỏ, kết cấu bị phá hoại giòn Khi cùng so sánh cùng một kích thước liên kết thì cốt thép làm khả năng chịu lực và

độ dẻo cho liên kết

Hình 2.15: Kết quả thí nghiệm với liên kết chữ C [9]

Liên kết chống cắt dạng perfobond được nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây, các tiêu chuẩn hiện hành chưa đề cập đến dạng liên kết perfobond Do đó trong một số công trình đã được công bố, các tác giả đã nghiên cứu ứng xử của liên kết cũng như xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến chúng Bên cạnh đó đề xuất một số

mô hình tính toán cho dạng liên kết này

M.R.VELDANDA, M.U.HOSAIN [19] đã tiến hành thí nghiệm so sánh khả năng chống cắt của liên kết dạng đinh và liên kết dạng perfobond chốt kín Kết quả cho thấy với những mẫu có bề dày bản bê tông là 100mm thì dạng 1 lỗ perfobond có khả năng chịu lực tương đương với 5 liên kết dạng đinh 16mm × 75mm Ngoài ra,

khi sử dụng thêm cốt thép vào trong lỗ thì khả năng chịu lực tăng khoảng 50% khi

sử dụng sàn 100mm và 40% với sàn 150mm

E.C.OGUEJIOFOR, M.U.HOSAIN [20] tiến hành thí nghiệm PO với 40 mẫu dùng liên kết perfobond chốt kín, xét được các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của liên kết và từ đó đưa ra được phương trình tính toán khả năng chống cắt qucủa liên kết

Hai tác giả ISABEL VALENTE, PAULO J.S.CRUZ [2] đã thực hiện khảo sát thực nghiệm sự trượt giữa bê tông và thép khi sử dụng liên kết dạng perfobond đóng kín với bê tông nhẹ (hình 2.16) Thí nghiệm được tiến hành với 4 nhóm mẫu, các thông

số được sử dụng là cường độ bê tông, hàm lượng cốt thép đặt trong liên kết và khoảng cách các lỗ Phá hoại của mẫu chủ yếu xảy ra trong bê tông, liên kết hầu như không bị phá hoại Chương trình thí nghiệm nhằm đánh giá ứng xử của liên kết, đồng thời so sánh với kết quả tính từ công thức thực nghiệm của OUGUEJIOFOR và HOSAIN đã nghiên cứu trước đó Kết quả cho thấy tải phá hoại tính bằng công thức này nhỏ hơn so với giá trị thực nghiệm khoảng 20% Bên cạnh đó, việc sử dụng liên kết perfobond với bê tông nhẹ cho kết quả độ dai liên kết rất nhỏ (u=1,39÷2,2mm)

Hình 2.16: Hình dạng mẫu thí nghiệm [2]

PETER CHROMIAK, JIRI STUDNICKA [21] đã tiến hành thí nghiệm với dạng perfobond như hình 2.17 với dạng kích thước liên kết như hình 2.17a,b và mẫu thí nghiệm chuẩn bị như hình 2.17c

Theo đó thí nghiệm PO được tiến hành trên 12 mẫu với đường kính lỗ 32mm

và 16 mẫu với đường kính 60mm Loại liên kết này cho biến dạng trượt u khoảng 1,8 đến 2,2 mm

(a) Đường kính lỗ 60mm (b) Đường kính lỗ 32mm

(c) Thí nghiệm PO

Hình 2.17: Kích thước mẫu thí nghiệm [21]

TUE và VINH [5] đã tiến hành các khảo sát thực nghiệm đối với hai dạng perfobond đóng và mở tiết diện lỗ tròn Bản sàn được làm bằng bê tông cường độ siêu cao với cường độ nén đến 150 MPa Kết quả cho thấy liên kết perfobond có khả năng truyền lực tốt, khả năng chịu lực của 2 loại liên kết này cho kết quả gần như nhau Ngoài ra công trình nghiên cứu đã đưa ra được phương trình tham số nhằm dự đoán tải trọng tới hạn của liên kết

J.DA.C.VIANNA và các cộng sự [22] đã tiến hành khảo sát ứng xử của liên kết Perfobond và T-perfobond, các tác giả đã tiến hành 12 thí nghiệm push-out test theo tiêu chuẩn EC4 để đánh giá ứng xử của liên kết dạng perfobond và T-perfobond Thí nghiệm được chia thành 2 nhóm chính: liên kết perfobond 2 lỗ và 4 lỗ (hình 2.18), với bề dày của bản sàn bê tông là 120mm và 200mm

Ast

Hình 2.18: Mẫu thí nghiệm với Pefobond và T- Pefobond [22]

Kết quả của thí nghiệm này cho thấy:

- Đối với perfobond: khi bề dày của bản bê tông tăng thì khả năng chịu lực PRKtăng 37% và biến dạng trượt u cũng tăng Bên cạnh đó số lượng lỗ liên kết thì không ảnh hưởng nhiều đến khả năng chịu lực

- Đối với T-perfobond: dạng liên kết này cho kết quả khả năng chịu lực tốt hơn, tuy nhiên độ dai của liên kết thì nhỏ hơn (u=3÷4mm) Nếu so sánh trong cùng dạng liên kết T-perfobond thì kết quả cho thấy khi tăng bề dày sàn từ 120mm đến 200mm thì khả năng chịu cắt tăng 26% và giá trị này cũng tăng khi thay đổi hình dạng từ 2 lỗ sang 4 lỗ

Hình 2.19 mô tả dạng phá hoại sau khi kết thúc thí nghiệm, vết nứt xuất hiện đầu tiên dọc theo bản bê tông và càng được mở rộng khi tải tăng, tuy nhiên đối với T-perfobond thì vùng nứt tập trung gần vị trí liên kết hơn

Hình 2.19: Dạng phá hoại bản bê tông và liên kết T-perfobond [22]

Bài báo còn đưa ra kết quả so sánh của liên kết pefobond và T-perfobond cho

2 nhóm có bề dày sàn 120mm và 200mm của cùng số lỗ liên kết Kết luận rằng perfobond có khả năng chịu lực lớn hơn nhưng độ dai liên kết nhỏ hơn perfobond

T-Và P.C.G DA S VELLASCOA [23] cũng tiến hành thí nghiệm khung liên hợp bê tông thép sử dụng liên kết T-perfobond này

Trong ngành xây dựng cầu, kết cấu liên hợp bê tông thép đang được ứng dụng rộng rãi, trong đó liên kết dạng cắt liên tục dựa trên nguyên lý làm việc của chốt bê tông đang được quan tâm và ứng dụng ở một số quốc gia như Đức, Ba Lan Năm 2010, W.LORENC, E.KUBICA, M.KOZUCH [24] đã đưa ra bài báo kiểm tra quá trình làm việc của dạng liên kết dùng cho cầu, theo đó liên kết được tạo ra bởi đường cắt liên tục tại bụng dầm I của VFT-WIB [25] Hình 2.20 minh họa mô hình kết cấu và đường cắt trên bụng dầm Bài báo đã mô tả được ứng xử của kết cấu bằng thí nghiệm PO cũng như thí nghiệm trên dầm

Hình 2.20: Hình dạng liên kết [24]

Hiện nay việc ứng dụng liên kết chống cắt cho dầm sàn liên hợp trong thực tế thi công công trình của nước ta chủ yếu là dùng liên kết dạng đinh Các nghiên cứu khác trong lĩnh vực bê tông cốt thép liên hợp vẫn còn hạn chế, đến nay chưa thấy các đề tài nghiên cứu ở Việt Nam đối với liên kết dạng perfobond, cũng như là chưa ứng dụng dạng liên kết này ngoài thực tế thi công công trình

đó sẽ hình thành các “chốt bê tông” và giúp cho kết cấu chống lại được lực cắt, từ

đó ngăn cản biến dạng trượt tại vị trí mặt tiếp xúc của dầm và bản sàn [2]

Nguyên lý chịu lực của liên kết là dựa vào khả năng chịu cắt của chốt bê tông xuyên qua tấm thép được mô tả theo hình 2.22, nguyên lý này được giới thiệu đầu tiên bởi LEONHARDT et al [22] Theo đó dưới tác dụng lực ngang, liên kết sẽ

ngăn cản sự trượt tương đối giữa bản bê tông và dầm thép

Hình 2.22: Nguyên lý làm việc của chốt bê tông [5]

(a) Hình dạng perfobond mở dùng trong nghiên cứu này

(b) Liên kết hàn với cánh trên của dầm thép [22]

Việc sử dụng loại liên kết perfobond dạng mở được cho là có một số lợi ích sau: hình dạng của liên kết có thể được cắt tự động bằng máy CNC, với một đường cắt có thể cho 2 tấm liên kết (nếu đối xứng), cường độ của tấm thép cho liên kết và dầm có thể như nhau, quá trình gia công chế tạo dầm tương đối đơn giản bằng hệ thống hàn tự động và dễ dàng cho việc đặt cốt thép sàn khi thi công

2.3.3- Một số mô hình dự đoán khả năng chịu lực của liên kết chống cắt

Trong tiêu chuẩn EC4 chỉ có phần tính toán lý thuyết cho trường hợp liên kết chống cắt kiểu đinh mũ, còn liên kết chống cắt dạng perfobond đã được các nhà khoa học nghiên cứu trước đây [22] và đưa ra được các công thức thực nghiệm sau:

LEONHARDT [5] và các cộng sự đã đưa ra công thức đánh giá sức kháng cắt của một chốt perfobond như sau:

21,6 ck u

OGUEJIOFOR and HOSAIN [20] đã thành lập biểu thức tính toán khả năng

chống lại lực cắt của các liên kết Biểu thức này được xây dựng trên 3 tham số cần thiết đó là bê tông của bản sàn, thép đặt trong sàn và chốt bê tông xuyên qua lỗ của

f : cường độ chảy dẻo của thép trong sàn (MPa)

Atr : diện tích của cốt thép đặt xuyên qua lỗ của perfobond (mm2)

d : đường kính lỗ liên kết perfobond

n : số lỗ

MEDBERRY VÀ SHAHROOZ cũng đưa ra công thức tính qu dựa trên kết quả thí nghiệm như sau:

Lc: chiều dài phần tiếp xúc giữa bê tông và cánh của dầm thép (mm)

VERISSIMO và các cộng sự đã đánh giá khả năng chịu lực của liên kết dựa

trên công thức của Oguejiofor và Hosain nhưng với độ chính các cao hơn

USHIJIMA và các cộng sự cũng đã đưa ra công thức:

SUHAIB YAHYA KASIM AL-DARZI và cộng sự [26] tính khả năng chịu cắt của

một chố liên kết perfobond theo công thức sau:

255,31 7,62.10 7,59.10 2,53.10

TUỆ và VINH [5], đã đưa ra phương trình tham số tính toán khả năng chống

cắt của pefobond trong trường hợp sử dụng bê tông cường độ siêu cao ( fc'  146 171  MPa ) như sau:

ndw : số chốt bê tông trong liên kết

b0 =  : đường kính của lỗ (mm)

t: bề dày tấm thép liên kết (mm)

4

fck: cường độ chịu nén của bê tông (MPa)

fy,r ; fy,a: cường độ chảy dẻo của thép cốt thép và kết cấu (MPa)

Ar, Arf : diện tích mặt cắt ngang cốt thép đặt trong lỗ liên kết và đặt trong bê tông (mm2)

2.4- Triển vọng áp dụng của liên kết perfobond

Như đã đề cập ở trên thì hiện nay loại liên kết chịu cắt kiểu đinh mũ được sử dụng rộng rãi trên thế giới và ở nước ta Tuy nhiên loại liên kết này cũng có một số nhược điểm khi sử dụng đó là dưới tác dụng của tải trọng lớn thì xảy ra hiện tượng trượt giữa liên kết và bê tông (với bê tông thường), hoặc bị phá hoại cắt tại chân đinh tán (với bê tông cường độ cao), hoặc có thể xảy ra hiện tượng phá hoại do mỏi tại khu vực đường hàn Ngoài ra khi thi công đòi hỏi sử dụng thiết bị hàn chuyên

dụng [5]

Với những kết quả đạt được của đề tài, loại liên kết này sẽ khắc phục được những nhược điểm của liên kết chống cắt bằng đinh tán, tạo được điều kiện thuận lợi cho thi công và từ đó có thể ứng dụng được trong xây dựng ở Việt Nam

từ các dữ liệu thí nghiệm và mô phỏng phần tử hữu hạn

Như đã đề cập ở chương 2, dưới tác dụng của tải trọng gây uốn có dạng bất kỳ thì trong dầm sẽ phát sinh ra lực cắt vuông góc (vertical shear) và song song với trục dầm (longitudinal shear) Thành phần lực cắt song song trục dầm gây ra sự trượt tương đối giữa bản bê tông và thép Chính các liên kết chống cắt sẽ ngăn cản biến dạng trượt giữa dầm thép và bản sàn

Để mô phỏng lại cơ chế truyền lực cắt cũng như ứng xử của kết cấu, EC4 [6] đưa ra hướng dẫn thực hiện thí nghiệm push-out (PO) cho liên kết chống cắt dạng đinh (head stud), mô tả thí nghiệm được thể hiện ở hình 3.1 Theo đó, mẫu thí nghiệm bao gồm một dầm thép đại diện cho dầm thép sẽ được sử dụng trong kết cấu

dầm thật Hai khối bê tông được đặt đối xứng ở hai bên của dầm thép mô phỏng cho sàn bê tông trong kết cấu dầm, để thuận tiện cho việc thí nghiệm người ta thường sử dụng hai khối bê tông thay vì một khối như trong kết cấu thật

Liên kết chống cắt cần thí nghiệm đánh giá được hàn vào dầm thép và đặt chìm vào trong khối bê tông, lực cắt tác dụng lên liên kết sẽ phát sinh khi xuất hiện hiện tượng trượt tương đối giữa khối bê tông và dầm thép Thực vậy, trong thí nghiệm Push-Out dầm thép sẽ di chuyển hướng xuống dưới bởi lực tác dụng từ bên ngoài, lực này tương tự như lực nén dọc trong dầm, trong khi đó bản bê tông hai bên được giữ cố định

Trong quá trình thí nghiệm lực nén và chuyển vị trượt tương đối sẽ được ghi nhận liên tục, từ đó kết quả thí nghiệm PO sẽ cho ta đường cong ứng xử giữa tải trọng và chuyển vị Đường ứng xử lực tác dụng (P) với chuyển vị trượt tương đối () của một thí nghiệm điển hình được thể hiện ở hình 3.1

Hình 3.1: Thí nghiệm push-out [6]

Trong nghiên cứu này, các khảo sát thực nghiệm cho liên kết perfobond cũng được tiến hành tương tự như đối với liên kết đinh, thí nghiệm sẽ được chia thành 6 nhóm, mỗi nhóm bao gồm 2~3 mẫu tùy thuộc điều kiện thực tế cho phép

Mẫu thí nghiệm cho liên kết perfobond cơ bản giống như mẫu liên kết đinh, trong đó các liên kết đinh được thay thế bằng một tấm thép có khoét lỗ giống với

hình dạng thiết kế của perfobond Khối bê tông và cốt thép đi ngang qua phần lỗ rỗng sẽ hình thành một cái “chốt”, và có khả năng kháng lại lực cắt dọc Phần bản cánh của dầm thép được thiết kế tiếp xúc trực tiếp với bản bê tông nhằm mô phỏng tương tự quá trình làm việc của dầm liên hợp với dầm thép tiết diện chữ I Mô tả chi tiết của mẫu thí nghiệm được trình bày ở phần 3.4 của chương này

Mục tiêu của khảo sát thực nghiệm cho liên kết perfobond nhằm trả lời các câu hỏi sau:

 Cơ chế truyền lực giữa phần bê tông và thép xảy ra như thế nào?

 Dạng phá hoại của liên kết perforbond và sự khác biệt so với liên kết đinh truyền thống?

 Liên kết có khả năng chịu lực bao nhiêu?

 Các yếu tố (chính) nào ảnh hưởng tới khả năng chịu lực?

 Nếu sử dụng liên kết này, thì liên kết có đạt được độ dai cần thiết hay không?

Kết quả của khảo sát thực nghiệm sẽ cung cấp câu trả lời cho vấn đề trên và làm sáng tỏ các vấn đề sau:

- Hiểu rõ hơn về ứng xử truyền lực của một loại liên kết phi truyền thống

- Cơ chế truyền lực và dạng phá hoại của kết cấu

- Đánh giá khả năng áp dụng loại liên kết này trong thực tế thi công ở nước ta

3.2- Nguyên lý và mô hình thí nghiệm push-out

3.2.1- Nguyên lý thí nghiệm xác định khả năng chịu lực

Nguyên lý chịu lực của liên kết perfobond được trình bày ở mục 2.3.1, theo

đó chốt bê tông đóng vai trò quan trọng kháng lại lực cắt theo phương dọc trục của dầm Các nghiên cứu trước đó đã chỉ ra rằng các yếu tố bao gồm: diện tích mặt cắt của chốt bê tông (perfobond), cường độ bê tông, hàm lượng cốt thép, giới hạn chảy của cốt thép, chiều dày và giới bạn bền của tấm thép perfobond đóng vai trò chính trong khả năng làm việc của liên kết, các thông số khác đóng vai trò thứ yếu

Trong điều kiện giới hạn về kinh phí, thiết bị thí nghiệm và thời gian thực hiện, các thông số cơ bản được lực chọn để khảo sát trong thí nghiệm PO gồm có: cường độ chịu nén của bê tông, kích thước hình học của mặt cắt liên kết và hàm lượng cốt thép đặt trong chốt bê tông Toàn bộ các thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm LAS – XD 516 thuộc công ty Hoàng Vinh T.R.C.C, đây là cơ sở kiểm định đã được Bộ xây dựng công nhận hợp chuẩn quốc gia cho các thí nghiệm

về vật liệu và kết cấu công trình

3.2.2- Mô hình mẫu thí nghiệm

Mẫu thí nghiệm được chế tạo theo chỉ dẫn của EC4-phụ lục B [6], theo đó cấu tạo của mẫu có ba thành phần chính bao gồm: một dầm H đặt ở giữa, hai tấm thép liên kết perfobond được hàn vào hai cánh của dầm H; hai bản bê tông được đặt

ở hai phía của dầm và tiếp xúc trực tiếp với bản cánh của dầm H Cốt thép sẽ được đặt vào khoảng giữa của chốt bê tông Sau khi hoàn thiện tấm thép perfobond và cốt thép sẽ nằm chìm trong khối bê tông Toàn bộ các bộ phận cấu thành và kích thước chi tiết của mẫu được mô tả ở hình 3.2

Hình 3.2: Mô hình mẫu thí nghiệm push-out

Thép tấm liên kết perfobond và thép dầm chữ H được làm từ thép một loại kết cấu có cùng giới hạn chảy hay các tính năng kỹ thuật tương đương nhau Chiều

dày tấm perfobond được chọn là 10mm để dễ gia công, biến dạng của liên kết được thiết kế sao cho với một đường cắt có thể cho 2 tấm liên kết đối xứng nhau Điều này rất có lợi cho áp dụng trong thực tế sau này, nó sẽ giúp giảm chi phí và thời gian gia công tấm liên kết Trong nghiên cứu này hình dạng mặt cắt của liên kết perfobond gần giống với chữ “Ω” (hình 3.2), và nó được gia công chính xác trên máy phay CNC trước khi đem hàn vào dầm H

Các mẫu thí nghiệm được phân chia thành 2 nhóm khác nhau về hình dạng của liên kết, cụ thể là khác nhau về diện tích mặt cắt ngang của chốt bê tông Hình 3.12 mô tả kích thước của 2 nhóm thép tấm liên kết được dùng trong đề tài này

Để đảm bảo khả năng kiểm soát các yếu tố có thể ảnh hưởng đến khả năng làm việc của mẫu thí nghiệm Push-Out, tất cả các nguyên vật liệu đầu vào như thép tấm, bê tông và cốt thép đều được thí nghiệm kiểm tra theo các tiêu chuẩn hiện hành Phần 3.3 sẽ trình các thí nghiệm điển hình đối với vật liệu được sử dụng trong toàn bộ dự án này

3.3- Thí nghiệm xác định các thông số của vật liệu đầu vào

3.3.1- Bê tông

Bê tông được sử dụng trong thí nghiệm PO được chia thành 2 nhóm chính có cấp độ bền B25 và B40, tương ứng với cường độ chịu nén 35.0 MPa và 50.0 MPa Thành phần cấp phối của hai loại bê tông trên được thiết kế bởi PTN LAS-XD516, chi tiết các thành phần vật liệu được cho ở bảng 3.1 Đối với bê tông cấp độ bền B40 có bổ sung thêm phụ gia siêu dẻo, hàm lượng sử dụng bằng 1.0 % khối lượng

xi măng

Để xác định chính xác các thông số cơ học của vật liệu, đối với từng nhóm mẫu của thí nghiệm PO trong suốt quá trình tạo mẫu, bê tông sẽ được lấy mẫu và thực hiện các thí nghiệm xác định cường độ chịu nén Ngoài ra một số thí nghiệm đặc biệt bao gồm: xác định mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, đường quan hệ ứng suất biến dạng, cường độ chịu kéo khi uốn, đường ứng xử ứng suất kéo – độ mở rộng vết nứt sẽ được thực hiện cho một số mẫu điển hình với số lượng hạn chế Các thí

nghiệm này cần thiết để cung cấp đầy đủ nhất các thông số cho mô hình vật liệu cho quá trình mô phỏng phần tử hữu hạn

Bảng 3.1: Thành phần cấp phối bê tông

3.3.1.1- Thí nghiệm xác định đường quan hệ ứng suất – biến dạng

Trong nghiên cứu này đã thực hiện thí nghiệm đo ứng suất - biến dạng trên các mẫu bê tông hình trụ chịu nén có kích thước 150mm × h300mm Từ đường cong ứng suất - biến dạng ta có thể xác định thêm mô đun đàn hồi và hệ số Poisson của bê tông

Hình 3.3 mô tả sơ đồ thí nghiệm đo ứng suất - biến dạng của mẫu bê tông cấp độ bền B25, trong đó hai strain gauge được dán lên bề mặt của mẫu theo hướng dọc trục và chu vi của mẫu Lực nén được đặt trên đầu mẫu và được đo bởi một cảm biến lực (load cell) Trong suốt quá trình gia tải toàn bộ lực nén, biến dạng dọc trục

và biến dạng ngang được ghi lại một cách tự động Sau khi thí nghiệm xong, từ kết quả đo được, tiến hành vẽ đường quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của bê tông như hình 3.4

(a) Vị trí dán strain gage (b) Lắp đặt mẫu thí nghiệm

Hình 3.3: Thí nghiệm đo ứng suất biến dạng của mẫu bê tông

Hình 3.4: Đường quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông B40

Kết quả thí nghiệm đo ứng suất – biến dạng trên mẫu trụ được thể hiện ở hình 3.4, dạng mẫu bị phá hủy được mô tả ở hình 3.5 Tóm tắt các kết quả thí nghiệm đối với mẫu trụ được thể hiện ở bảng 3.2

Khung gia tải

Strain gage

Mẫu thí nghiệm

Hình 3.5: Hình dạng mẫu sau khi thí nghiệm 3.3.1.2- Thí nghiệm uốn dầm RILEM

Bên cạnh các thông số có được từ đường cong ứng suất - biến dạng của thí nghiệm nén mẫu trụ, thí nghiệm dầm RILEM vẫn thường được lựa chọn để xác định các thông số liên quan đến trạng thái chịu uốn - kéo của bê tông Sơ đồ thí nghiệm dầm được minh họa ở hình 3.6

Hình 3.7 mô tả mẫu khi đã dán các giá đỡ cho thiết bị đo, sau đó đặt mẫu thí nghiệm lên khung gia tải như hình 3.8

Theo đó, các ký hiệu kênh đo tương ứng là:

 CH1-MOD6: Đo chuyển vị tương đối so với trục trung hòa

 CH2-MOD6: Đo độ mở rộng vết nứt tại vị trí trên đường xẻ rãnh (CTOD)

 CH3-MOD6: Đo độ mở rộng vết nứt dưới đáy dầm (CMOD)

a) Kớch thước mẫu thớ nghiệm

b) Vị trớ đặt lực và cỏc thiết bị đo

Hỡnh 3.6: Sơ đồ thớ nghiệm uốn dầm RILEM

Hỡnh 3.7: Cỏc vị trớ dỏn giỏ đỡ thiết bị đo

Đ-ờng xẻ rãnh

Gối đỡ

Vị trí đặt lực

Thiết bị đoSENSOTEC