nghiên cứu sự làm việc của cốt đai đến khả năng chịu cắt của sàn trong liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- HOÀNG HỒNG ĐIỆP NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT ĐAI ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA SÀN TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HOÀNG HỒNG ĐIỆP

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT ĐAI ĐẾN

KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA SÀN TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng, Năm 2019

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

HOÀNG HỒNG ĐIỆP

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT ĐAI ĐẾN

KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA SÀN TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 858.02.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC

Đà Nẵng, Năm 2019

LỜI CAM ĐOAN

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

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Hoàng Hồng Điệp

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT ĐAI ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA

SÀN TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG

Học viên: Hoàng Hồng Điệp Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD&CN

Mã số: 60.58.02.08 , Khóa: K34 Đà Nẵng, Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Hệ kết cấu kết hợp sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép hoặc sàn phẳng bê tông

ứng lực trước) và cột ống thép nhồi bê tông cho kết cấu nhà cao tầng sẽ đem lại hiệu quả cao

về mặt kinh tế, kĩ thuật Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất khi kết hợp hai loại kết cấu này đấy là liên

kết Hiện nay, các nghiên cứu chỉ thực hiện nghiên cứu tổng thể cho liên kết cột giữa với sàn

phẳng và chưa có nhiều các nghiên cứu đề cập đến sự đóng góp của từng bộ phận liên kết đến

khả năng chịu cắt của sàn phẳng Đối với sàn phẳng vấn đề cần quan tâm đó là khả năng chịu

cắt thủng của sàn Giải pháp sử dụng cốt đai sẽ đáp ứng việc tăng cường độ chịu cắt và ứng xử

dẻo cho liên kết Kết quả nghiên cứu của luận văn cho thấy sự có mặt của cốt đai sẽ kìm hãm

sự phát triển của các khe nứt nghiêng do lực cắt đồng thời đẩy chu vi phá hoại ra xa khỏi vùng

bố trí cốt đai nâng cao khả năng chịu cắt thủng cho sàn phẳng

Từ khóa - CFST, Cột ống thép nhồi bê tông, liên kết, cốt đai, khả năng chịu cắt thủng

RESEARCH EFFECTS OF THE STIRRUP TO THE SHEAR STRENGTH

OF THE SLAB IN THE CONCRETE FILLED STEEL TUBE

TO FLAT SLAB CONNECTION Abstract - The structural system combined with flat salb (reinforced concrete flat slab or pre-

stressed concrete floor) and concrete filled steel tube column for high-rise buildings will bring

high economic and technical efficiency However, the biggest problem when combining these

two types of structures is connection Currently, studies only carry out a general study of the

middle column conncetion with flat slab and there are not many studies mentioning the

contribution of each component to the shear resistance of the flat slab For flat slab the issue

of concern is punching shear strength The solution to use the stirrup increase in shear

resistance and ductile behavior for connection The results of the thesis show that the presence

of stirrup will inhibit the development of the cracks by the shear force and push the

destructive circumference away from the area of reinforcing bar to improve shear resistance

for flat slab

Keywords - CFST, Concrete filled steel tube column, Connection, Stirrup, Punching shear

strength

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết quả dự kiến 2

6 Bố cục đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỘT CFST, SÀN PHẲNG VÀ MỐI LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI SÀN PHẲNG 3

1.1 Tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông 3

1.1.1 Khái niệm về cột ống thép nhồi bê tông 3

1.1.2 Phân loại cột ống thép nhồi bê tông 3

1.1.3 Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông 6

1.1.4 Khả năng áp dụng 7

1.2 Tổng quan các loại sàn phẳng BTCT 8

1.2.1 Sàn phẳng BTCT thường 8

1.2.2 Sàn phẳng bê tông ứng lực trước 9

1.2.3 Sàn Bubbledeck 10

1.3 Tổng quan về liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép 13 1.3.1 Nghiên cứu của Jin-Won Kim 13

1.3.2 Nghiên cứu của Y Su, Y Tian 15

1.3.3 Nghiên cứu của Cheol-Ho Lee 16

1.3.4 Nghiên cứu của Young K.Ju 17

1.3.5 Nghiên cứu của Hiroki Satoh 18

1.3.6 Nghiên cứu của Alessandra L Carvalho 19

1.3.7 Nghiên cứu của Thibault Clément 19

1.4 Các hình thức bố trí cốt đai trong sàn 19

1.5 Kết luận chương 1 20

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT THỦNG CỦA SÀN 22

2.1 Cơ chế chịu cắt của cốt đai trên tiết diện nghiêng 22

2.2 Phân tích sự đóng góp của cốt đai đến khả năng chịu cắt của sàn 23

2.3 Tiêu chuẩn tính toán khả năng chịu cắt thủng của sàn có kể đến cốt đai 27

2.3.1 Tiêu chuẩn ACI 318-14 27

2.3.2 Tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2 (EC2 2004) 29

2.4 Kết luận chương 2 31

CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU CẮT THỦNG CỦA SÀN 32

3.1 Chế tạo mẫu, thiết bị và thiết lập thí nghiệm 32

3.1.1 Cấu tạo liên kết cột CFST với sàn phẳng bê tông ứng lực trước 32

3.1.2 Thiết kết mẫu thí nghiệm 33

3.1.3 Chế tạo mẫu thí nghiệm 34

3.1.4 Thiết bị thí nghiệm 36

3.2 Thí nghiệm xác định cường độ của vật liệu 38

3.2.1 Thí nghiệm bê tông 38

3.2.2 Cốt thép thanh 39

3.2.3 Cáp ứng lực trước 40

3.3 Thiết lập thí nghiệm 40

3.4 Mô tả kết quả thí nghiệm và đánh giá kết quả đo 42

3.4.1 Mô tả kết quả thí nghiệm 42

3.4.2 Đánh giá kết quả thí nghiệm 44

3.5 Kết luận chương 3 48

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao)

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CFST : Concrete filled steel tube (Ống thép nhồi bêtông)

BTCT : Bê tông cốt thép

f'c : Cường độ chịu nén của bêtông

fy : Cường độ chịu kéo của cốt thép

Ec : Môđun đàn hồi của bêtông

Es : Môđun đàn hồi của cốt thép

Is : Mômen quán tính của tấm thép chịu cắt

Ic : Mômen quán tính của tiết diện bê tông bao quanh mũ chịu cắt

wu : Tải trọng phân bố đều trên sàn

db : Đường kính cốt thép

d : chiều cao làm việc của sàn

h : Chiều dày sàn

b : Bề rộng dải bản sàn

b0 : Chu vi tiết diện tới hạn của tháp chọc thủng cách mặt cột d/2

b01 : Chu vi tiết diện tới hạn của tháp chọc thủng cách mặt cột 3/4 chiều

dài cánh tay vươn chịu cắt

As : Tổng diện tích cốt thép chịu kéo trên bề rộng b của dải sàn

Asm : Diện tích cốt thép post-punching theo mỗi phương của sàn

a : Chiều cao vùng nén bêtông

Mp : Mômen dẻo của tấm thép chịu cắt

Vu : Lực cắt tổng cột tác dụng vào cột

Vn : Lực cắt danh nghĩa tại tiết diện d/2 gồm (BT+tấm thép)

Vc : Khả năng chịu cắt danh nghĩa của bê tông sàn

fwf : Cường độ tính toán chịu cắt quy ước của que hàn

hf : Chiều cao đường hàn

lw : Chiều dài đường hàn

τtd : Ứng suất tiếp trên đường hàn

tw : Chiều dày tấm thép

hw : Chiều cao tấm thép

S : Mômen tĩnh của một nữa tiết diện chữ nhật tấm thép

fv : Cường độ tính toán về cắt của vật liệu tấm thép

fws : Cường độ tính toán chịu cắt quy ước của thép cơ bản

βf : Hệ số chiều sâu nóng chảy trên tiết diện qua đường hàn

βs : Hệ số chiều sâu nóng chảy trên tiết diện qua thép cơ bản

Awf : Diện tích tính toán của tiết diện đường hàn ứng với tiết diện 1

Aws : Diện tích tính toán của tiết diện đường hàn ứng với tiết diện 2

Wws : Mô men kháng của tiết diện đường hàn ứng với tiết diện 1

Wwf : Mô men kháng của tiết diện đường hàn ứng với tiết diện 2

ldb : Chiều dài neo cơ bản

Ab : Diện tích thanh thép neo

ldh : Chiều dài neo thép có móc neo tiêu chuẩn

ld : Chiều dài neo thép thẳng

Vmax : Lực cắt lớn nhất trên dầm

Vp : Lực cắt truyền vào một tấm thép

η : Số lượng tấm thép chịu cắt

 : Hệ số độ tin cậy của bê tông chịu cắt

γc : Hệ số điều kiện làm việc

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Số hiệu

bảng

3.2 Số liệu thí nghiệm kéo cốt thép thanh 10 40 3.3 Số liệu thí nghiệm kéo cốt thép thanh 14 40

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tông 3

Hình 1.2 Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tông 4

Hình 1.3 Cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép 4

Hình 1.4 Cột CFST được bao bê tông (Concrete-encased CFST) 5

Hình 1.5 Cột CFST tăng cường kết cấu thép và cốt thép gia cường 5

Hình 1.6 CFST với sườn tăng cứng 5

Hình 1.7 Một số tiết diện tổ hợp từ cột CFST 6

Hình 1.8 Ví dụ về cầu được xây dựng bằng kết cấu CFST 8

Hình 1.9 Sàn phẳng bê tông cốt thép 9

Hình 1.10 Sàn bê tông ứng lực trước 10

Hình 1.11 Sàn Bubbledeck 10

Hình 1.12 Sàn U-Boot Beton 12

Hình 1.13 Thí nghiệm liên kết cột CFST-sàn BTCT Jin-Won Kim(2014)[5] 13

Hình 1.14 Sự phá hoại sàn BTCT - thí nghiệm của Jin-Won Kim (2014)[5] 14

Hình 1.15 Mẫu liên kết của Y Su, Y Tian (2010)[10] 15

Hình 1.16 Mô phỏng quá trình thí nghiệm - Y Su, Y Tian (2010) [10] 15 Hình 1.17 Liên kết đề xuất bởi Cheol-Ho Lee (2007) [3] 16

Hình 1.18 Liên kết đề xuất bởi Young K Ju (2013)[12] 18

Hình 1.19 Liên kết cột CFST - sàn BTCT đề xuất bởi Hiroki Satoh (2004)[2] 18

Hình 1.20 Dầm tích hợp trong bản sàn 19

Hình 1.21 Chốt thép chịu cắt bố trí trong bản sàn 20

Hình 1.22 Chốt thép chịu cắt bố trí trong bản sàn 20

Hình 2.1 Cơ chế chuyển lực cắt qua khe nứt nghiêng 22

Hình 2.2 Các mô hình phá hoại sàn có bố trí cốt đai 23 Hình 2.3 Sự đóng góp của bê tông và cốt đai vào khả năng chịu cắt của

sàn 23

Hình 2.4 Góc xoay của sàn 24

Hình 2.5 a) Sự mở rộng của vết nứt tại góc 450, (b-d) Sự phân bố ứng suất trong cốt đai phụ thuộc vào độ mở rộng của vết nứt và điều kiện dính bám, Sự phân bố ứng suất nếu không có dính bám 24

Hình 2.6 a) Sự mở rộng của vết nứt giả thiết tại giữa cốt đai; b) Sự phân bố ứng suất trong cốt đai nếu w < wlim; c) Sự phân bố ứng suất trong cốt đai nếu w > wlim 26

Hình 2.7 Xác định chu vi tiết diện tới hạn 27

Hình 2.8 Chu vi tại tiết diện tới hạn sử dụng thép mũ chịu cắt 28

Hình 2.9.Xác định chu vi tiết diện tới hạn theo EU2 2004 29

Hình 2.10.Chu vi tại tiết diện tới hạn cho trường hợp có cốt thép chịu cắt 30

Hình 3.1 Mặt cắt dọc bố trí liên kết cột CFST- sàn phẳng BTCT 32

Hình 3.2 Cấu tạo chi tiết liên kết và bố trí cốt thép sàn 33

Hình 3.3 Bố trí cốt thép đai 34

Hình 3.4 Chế tạo liên kết cột CFST- sàn phẳng BTCT 34

Hình 3.5 Lắp đặt cốt thép và cáp dự ứng lực 35

Hình 3.6 Đổ bê tông sàn và dưỡng hộ mẫu 35

Hình 3.7 Cảm biến đo biến dạng bê tông (strain gauges) 36

Hình 3.8 Cảm biến đo chuyển vị LVDT 36

Hình 3.9 Máy bơm dầu 37

Hình 3.10 Kích thủy lực 250 tấn 37

Hình 3.11 Đúc mẫu bê tông mẫu trụ 150×300mm và dưỡng hộ 38

Hình 3.12 Thí nghiệm nén mẫu bê tông 39

Hình 3.13 Thí nghiệp ép chẻ 39

Hình 3.14 Mẫu thép, thí nghiệm kéo thép 39

Hình 3.15 Lắp đặt thiết bị và thiết bị đo cho mẫu thí nghiệm 41

Hình 3.16 Kết quả ứng xử của sàn bằng mô phỏng ABAQUS 41

Hình 3.17 Bố trí cốt đai trong sàn 42

Hình 3.18 Bố trí strain gauge trên cốt đai 42

Hình 3.19 Vết nứt trên sàn tại cấp tải P=1080kN 43

Hình 3.20 Vết nứt trên sàn tại cấp tải P=1530kN 43

Hình 3.21 Sự phá hoại sàn tại P=1780kN 44

Hình 3.22 Kết quả quan sát ứng xử tại các vết nứt trên sàn 45

Hình 3.23 Kết quả đồ thị tải trọng chuyển vị trong cốt đai SS2 46

Hình 3.24 Kết quả đồ thị tải trọng chuyển vị trong cốt đai SS2 và SS3 47 Hình 3.25 Đồ thị tải trọng chuyển vị trong cốt đai SS4 47

Hình 3.26 Đồ thị tải trọng chuyển vị trong cốt đai SS5 và SS6 48

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, xu hướng xây dựng nhà cao tầng ngày càng được sử dụng nhiều ở Việt Nam Một hệ kết cấu hợp lý sẽ đem lại ý nghĩa lớn về mặt kĩ thuật và hiệu quả sử dụng cho công trình Kết cấu sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép hoặc sàn phẳng bê tông ứng lực trước) được xem là giải háp sàn hiệu quả vì nó làm giảm được chiều cao tầng, tăng số tầng sử dụng cũng như thuận tiện cho thi công đẩy nhanh tiến độ xây dựng, thuận lợi cho việc bố trí đường ống thiết bị kĩ thuật, dễ dàng thông gió và linh hoạt bố trí mặt bằng so với kết cấu sàn có dầm

Đối với nhà nhiều tầng, khi nhà càng cao và nhịp khung lớn thì lực dọc trong cột

sẽ càng lớn Nếu sử dụng giải pháp kết cấu bê tông cốt thép thông thường thì kích thước cột sẽ rất lớn ảnh hưởng đến mặt bằng kiến trúc cũng như không gian sử dụng công trình, giải pháp cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube - CFST) sẽ

là lựa chọn hợp lý để thay thế cột bê tông cốt thép truyền thống vì những ưu điểm vượt trội về mặt kĩ thuật như độ cứng lớn, cường độ cao, độ dẻo và khả năng phân tán năng lượng lớn, về mặt công nghệ cột ống thép nhồi bê tông dễ dàng thi công và không tốn coffa, rút ngắn được thời gian thi công xây dựng công trình

Như vậy, việc kết hợp hai loại kết cấu sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép hoặc sàn phẳng bê tông ứng lực trước) và cột ống thép nhồi bê tông cho kết cấu nhà cao tầng sẽ đem lại hiệu quả cao về mặt kinh tế, kĩ thuật Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất khi kết hợp hai loại kết cấu này đấy là liên kết Cơ chế ứng xử của liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng là phức tạp và chưa được hiểu rõ Hiện nay, các nghiên cứu chỉ thực hiện nghiên cứu tổng thể cho liên kết cột giữa với sàn phẳng và chưa có nhiều các nghiên cứu đề cập đến sự đóng góp của từng bộ phận liên kết đến khả năng chịu cắt của liên kết cột giữa CFST và sàn phẳng Đối với sàn phẳng vấn đề cần quan tâm đó là khả năng chịu cắt thủng của sàn Giải pháp sử dụng cốt đai sẽ đáp ứng việc tăng cường độ chịu cắt và ứng xử dẻo cho liên kết Do đó, cần có các nghiên cứu cụ thể ảnh hưởng của cốt đai đến khả năng chịu cắt của sàn như đề xuất các vị cần

bố trí cốt đai, kiểu cấu tạo cốt đai cũng như đánh giả khả năng làm việc của cốt đai với tiêu chuẩn thiết kế để từ đó đưa ra các giải pháp cấu tạo, tính toán hợp lý nhằm áp dụng hiệu quả hệ kết cấu sàn phẳng và cột ống thép nhồi bê tông trong xây dựng nhà

cao tầng hiện nay Đấy là lý do để thực hiện luận văn với đề tài: “nghiên cứu sự làm việc của cốt đai đến khả năng chịu cắt của sàn trong liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng”

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu tổng quan về cột CFST, kết cấu sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép hoặc sàn phẳng bê tông ứng lực trước) và liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng, sự làm việc của cốt đai chịu cắt;

- Nghiên cứu thực nghiệm sự đóng góp của cốt đai đến khả năng chịu cắt trong liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép hoặc sàn phẳng bê tông ứng lực trước);

- Đưa ra các lưu ý khi thiết kế, cấu tạo cốt đai tại liên kết

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu: Mối liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép hoặc sàn phẳng bê tông ứng lực trước)

Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát sự làm việc của cốt đai trong liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết; nghiên cứu thực nghiệm

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan về kết cấu cột CFST, sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt

thép hoặc sàn phẳng bê tông ứng lực trước) và mối liên kết giữa cột CFST với sàn phẳng

Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của cốt thép đai trong liên kết cột

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỘT CFST, SÀN PHẲNG

VÀ MỐI LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI SÀN PHẲNG

1.1 Tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông

1.1.1 Khái niệm về cột ống thép nhồi bê tông

Cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube - 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

Như đã biết, cường độ chịu nén của bê tông lớn hơn rất nhiều so với cường độ chịu kéo và cường độ 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 Trong loại kết cấu cột CFST, cốt thép và bê tông được sử dụng kết hợp để có thể phát huy hết bản chất tự nhiên và các đặc điểm nổi trội tạo ra kết cấu có nhiều ưu điểm Loại kết cấu này hiện đang được nghiên cứu áp dụng cho công trình nhà, xưởng, các công trình cầu đường ở Việt Nam

1.1.2 Phân loại cột ống thép nhồi bê tông

Cột ống thép nhồi bê tông về mặt cấu tạo rất đa dạng Dưới đây là một số dạng cấu tạo cho họ cột này

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 tông là lớn nhất và bất ổn định cục bộ hầu như 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… (Hình 1.2)

b

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

Một dạng khác của cột CFST là cột cĩ tiết diện với hai lớp ống thép trong và ngồi được gọi là cột ống thép nhồi bê tơng với hai lớp ống thép Tiết diện cột bao gồm ống thép trong và ống thép ngồi, bê tơng được nhồi 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 bất 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

Lõi bêtông

Lõi bêtông Lõi bêtông Lõi bêtông

Lõi bêtông

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

Một trường hợp khác của kết cấu CFST là sử dụng bê tơng cốt thép truyền thống

để bao bọc CFST như Hình 1.4 Cấu tạo tiết diện gồm 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 nhồi 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 bất 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

Cốt thép mềm

Cốt thép mềm

Cốt thép mềm

Hình 1.4 Cột CFST được bao bê tơng (Concrete-encased CFST)

Kết cấu thép và kết cấu thép gia cường luơn luơn được sử dụng để tăng sức kháng tải của cấu kiện CFST mơ tả ở Hình 1.5 Mặt cắt kết cấu thép đĩng gĩp lớn vào khả năng chịu lực của cột mà khơng làm thay đổi dạng tiết diện cột Sự đĩng gĩp đến khả năng chịu lực của cột cĩ thể được xem xét như khả năng kết hợp của kết cấu thép với những phần của cột CFST

Lõi bêtông Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

Cốt thép hình

Lõi bêtông Cốt thép mềm

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

Trong cột CFST thơng thường, bất ổn định cục bộ của ống thép thơng thường xuất hiện sau khi tiết diện liên hợp đạt đến cường độ tới hạn Điều này cĩ thể là một vấn đề quan trọng cho sự phát triển và ứng dụng ống thành mỏng với thép 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 Hiệu quả của sườn tăng cứng trong việc trì hỗn bất ổn định cục bộ của ống thép đã được kiểm tra bằng những nghiên cứu thực nghiệm

Hình 1.6 CFST với sườn tăng cứng

Ngồi ra, với các kết cấu yêu cầu khả năng chịu lực lớn, độ cứng lớn cĩ thể tổ hợp các cột CFST riêng lẻ thành các dạng kết cấu CFST tổ hợp để phát huy các ưu điểm của kết cấu thép bê tơng liên hợp như Hình 1.7 a,b,c hay kết hợp cùng với kết cấu bê tơng cốt thép (Hình 1.7d) tạo ra mặt cắt liên hợp cho cột trụ, những vịm trong cầu Những loại tiết diện này cũng đã được sử dụng cho các kết cấu nhà cao tầng cũng như kết cấu cầu ở Trung Quốc

CFST

Tấm thép Bêtông

CFST

Mối hàn CFST

Việc nhồi bê tơng vào trong ống thép làm nâng cao độ chống ăn mịn bên trong ống thép, làm giảm độ mảnh, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả năng chống mĩp méo của vỏ ống thép khi va đập [8];

Giá thành tổng thể của cơng trình làm bằng kết cấu ống thép nhồi bê tơng nĩi chung nhỏ hơn nhiều so với giá thành của cơng 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 [8],[6]

b Nhược điểm

Một cấu kiện CFST bao gồm hai vật liệu với sự khác nhau về đường cong ứng suất-biến dạng và ứng xử cũng có sự khác biệt rõ rệt Sự tương tác giữa hai vật liệu này đặt ra một bài toán khó trong việc xác định thuộc tính kết hợp như mô men quán tính, môdul đàn hồi;

Cơ chế phá hoại cấu kiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng, chiều dài, đường kính, chiều dày ống thép, cường độ thép và cường độ bê tông cùng với các thông số về sự kết dính giữa hai mặt tiếp xúc của vật liệu thép và bê tông, sự giam hãm của bê tông ứng suất dư, hiện tượng từ biến, sự co ngót và các dạng tải trọng làm phức tạp thêm sự phân tích và thiết kế đối với cấu kiện CFST [6];

Một hạn chế nữa ảnh hưởng đến việc sử dụng rộng rãi loại kết cấu này đó là cấu tạo liên kết giữa cột CFST và 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;

Hiện nay, các hạn chế tồn tại của loại kết cấu CFST tiếp tục được nghiên cứu để dần hoàn thiện các yêu cầu về mặt cấu tạo, lý thuyết tính toán cũng như nhận thức sâu hơn về ứng xử của loại kết cấu này

độ hàng trăm mét Với các kích thước như vậy, cấu kiện sẽ nặng và trở thành một nguyên nhân làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu, làm tăng chi phí xây dựng cũng như tạo thêm nhiều phức tạp cho việc vận chuyển, lắp ráp, thi công kết cấu Với việc sử dụng kết cấu CFST cho cấu kiện chịu lực nén chính như vòm chính của cầu vòm, thanh mạ cong trong cầu dàn, hệ móng cọc của kết cấu trụ, thân trụ sẽ đáp ứng

được yêu cầu về chịu lực cao, độ cứng lớn vừa đáp ứng được việc giảm trọng lượng bản thân kết cấu

Hình 1.8 Ví dụ về cầu được xây dựng bằng kết cấu CFST

Trong lĩnh vực xây dựng dầu khí, năm 1989 tại 2 dàn khoan dầu ở biển Đen và biển Azov của Liên Xô đã sử dụng cấu kiện mặt cắt rỗng tổ hợp 3 loại vật liệu thép

- bêtông làm các trụ đỡ chính của dàn khoan, nhờ đó giảm được 30% lượng thép so với dần khoan bằng thép cùng loại; hơn nữa, phần rỗng còn được dùng để lắp các thiết bị công nghệ và cáp thông tin

1.2 Tổng quan các loại sàn phẳng BTCT

Với xu hướng phát triển của công nghệ cũng như yêu cầu về mặt kiến trúc, thẩm

mỹ kinh tế cho công trình thì 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, dễ dàng cho việc bố trí không gian sử dụng phù hợp với công năng của công trình, giảm số lượng cột, chiều cao thông thuỷ hợp lý, dễ dàng đáp ứng các yêu cầu bố trí hệ kĩ thuật Dưới đây sẽ giới thiệu tổng quan về một số loại sàn phẳng được sử dụng

ở Việt Nam

1.2.1 Sàn phẳng BTCT thường

Là hệ thống chịu lực theo một hoặc hai phương được kê trực tiếp lên cột hoặc tường chịu lực như Hình 1.9 Nó là một trong những dạng kết cấu sàn phổ biến nhất trong các tòa nhà Điểm đặc biệt của loại sàn này là chiều dày không đổi hoặc gần như không đổi tạo ra mặt phẳng phía dưới của sàn dẫn tới sự đơn giản trong việc làm cốt pha và 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 với tải trọng từ nhỏ tới trung bình thường bị giới hạn bởi việc kiểm soát độ võng dài hạn và có thể cần phải tạo độ vồng tường hợp lý (không quá lớn) hoặc sử dụng sàn bê tông ứng lực trước Nhịp kinh

tế đối với sàn phẳng BTCT là 6m đến 8m Nhịp L của sàn phẳng BTCT xấp xỉ 28D

đối với nhịp đơn,30D đối với nhịp biên và32D đối với nhịp trong của sàn nhiều nhịp trong đó D là chiều dày sàn

Hình 1.9 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 có cốt thép chống chọc thủng ở xung quanh cột hoặc cột cần có kích thước lớn hơn;

+ Cần kiểm soát độ võng dài hạn;

1.2.2 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 lực 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 lực trước chính 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 [9] Trong bê tông ứng lực trước do có thể khống chế sự xuất hiện khe nứt bằng lực căng trước nên cần thiết và có thể dùng cốt thép cường độ cao Mặt khác để có thể giảm được kích thước tiết diện và từ đó giảm trọng lượng bản thân của cấu kiện, đồng thời tăng ứng suất tập trung ở vùng neo cần phải sử dụng bê tông cường độ cao Bê tông ứng lực trước đã trở thành một sự kết hợp lý tưởng giữa hai loại vật liệu hiện đại

có cường độ cao [9]

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 …

Hình 1.10 Sàn bê tông ứng lực trước

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 lực trước như tiêu chuẩn FIP của Liên đoàn quốc tế về bê tông ứng lực trước; Tiêu chuẩn AASHTO cho cầu đường, tiêu chuẩn ACI cho xây dựng dân dụng của Mỹ; Quy phạm Eurocode của khối liên hiệp châu Âu; Tiêu chuẩn Anh BS; Quy phạm BPEL của Pháp; Quy phạm CHII của Liên

Xô (cũ)… Các tiêu chuẩn, quy phạm kể trên không ngừng được cải tiến, hoàn thiện và luôn được sửa đổi, cập nhật từ hai đến bốn năm một lần Tại Việt Nam tiêu chuẩn TCVN 5574-2012 cũng đã có những chỉ dẫn để thiết kế loại kết cấu này

1.2.3 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

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

Năm 2007, Bubbledeck đã có mặt tại Việt Nam với tên giao dịch là Bubble Deck Viet Nam Joint Venture Company và Việt Nam là quốc gia thứ 15 trên thế giới tiếp cận công nghệ này Trong thời gian từ 2007 đến 2009, công ty TADITS đã đầu tư công sức để thử nghiệm thiết kế, thi công sàn Bubbledeck sao cho phù hợp với điều kiện tại Việt Nam

Quá trình xác định nhịp lớn nhất mà Bubbledeck có thể vượt qua dựa trên tiêu chuẩn Anh BS 8100 và Eurocode 2 có bổ sung hệ số 1,5 để kể đến việc giảm nhẹ bản thân sàn so với sàn đặc truyền thống

Với cùng một khả năng chịu lực, sàn Bubbledeck chỉ sử dụng 50% khối lượng bê tông so với sàn đặc hoặc cùng độ dày thì sàn Bubbledeck có thể chịu tải gấp đôi tấm sàn đặc nhưng chỉ sử dụng 65% lượng bê tông

Khi thiết kế chống uốn, bề dày của phần bê tông có ứng suất nén tập trung ở phần

bê tông đặc, nằm giữa phần ngoài cùng của quả cầu và bề mặt tấm sàn Đôi khi, với những tấm sàn chịu ứng suất lớn, khối ứng suất sẽ hơi lấn sang vùng quả cầu rỗng nhưng nó tác động không đáng kể đến khả năng chịu lực của sàn

Các nghiên cứu và thí nghiệm cho thấy, nếu như cùng khả năng chịu lực thì sàn Bubbledeck có độ cứng chống uốn xấp xỉ 87% so với sàn đặc Khả năng chịu cắt đo được từ 72-91% so với sàn đặc Để tính toán khả năng chịu cắt của sàn Bubbledeck, người ta đưa vào hệ số 0,6 sử dụng cho khả năng chịu cắt của tấm sàn đặc với cùng chiều cao Điều này đảm bảo được sự an toàn, khả năng chịu lực của sàn Tại những vị trí có lực cắt lớn khu vực xung quanh cột, vách, lõi có thể bỏ bớt bóng để tăng khả năng chịu cắt của sàn

Ngoài ra, bằng việc loại bỏ lượng bê tông ở thớ giữa bản sàn, Bubbledeck đã góp phần đáng kể vào việc tác động có lợi đến môi trường

c 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 Ngoài ra bản sàn U-boot Beton còn là một sản phẩm cải tiến của BubbleDeck

U-Boot Beton có cấu tạo đặc biệt với 4 chân hình côn và phụ kiện liên kết giúp tạo ra một hệ thống dầm vuông góc nằm giữa lớp sàn bê tông trên và dưới Có 2 dạng

là hộp đơn và hộp đôi Ngoài ra, giữa các hộp còn có các cốt liên kết với nhau theo cả

Hình 1.12 Sàn U-Boot Beton

Sử dụng U-Boot Beton trong kết cấu sàn rất phù hợp với những công trình có yêu cầu kết cấu sàn nhẹ, tiết kiệm vật liệu U-Boot Beton là giải pháp lý tưởng để tạo sàn với nhịp lớn và khả năng chịu tải cao, đặc biệt phù hợp với những kết cấu có yêu cầu về không gian mở như trung tâm thương mại, nhà công nghiệp, bệnh viện, trường học cũng như các công trình công cộng và nhà ở U-Boot Beton giúp bố trí cột thuận tiện hơn vì không cần dùng dầm Trong trường hợp những công trường khó vận chuyển

và thi công thì U-Boot Beton với tính năng linh hoạt, nhẹ nhàng, thuận tiện rất thuận lợi cho điều kiện thi công, không cần các thiết bị vận chuyển, nâng phức tạp Khi sử dụng U-Boot Beton cho móng bè thì móng có thể có độ dày lớn hơn mà vẫn giảm lượng bê tông sử dụng

Ngoài ra khả năng làm việc chung giữa bê tông với cốt pha hộp nhựa U - Boot cũng hơn hẳn với bóng nhựa, vì cấu tạo của hộp nhựa có các rãnh, tạo bề mặt gồ ghề

nên tăng độ bám dính, tăng ma sát khi làm việc chung với bê tông, trong khi quả bóng nhựa thì tròn trơn nên khả năng bám dính kém hơn

Bên cạnh đó giữa các hộp nhựa lại được liên kết với nhau bằng các chốt, làm tăng khả năng truyền lực giữa các hộp cốt pha, trong khi quả bóng trong sàn BubbleDeck lại không có được điều này

Đối với U-Boot Beton khả năng vượt nhịp đối với sàn rỗng gần giống với sàn Bubble Deck

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

Việc sử dụng cột ống thép nhồi bê tông với sàn bê tông cốt thép ngày càng phổ biến ở nhiều nước như Mỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc, Nhật Bản Với sự kết hợp giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT tạo ra hệ thống kết cấu tối ưu hơn, hiệu quả hơn Tuy nhiên, tồn tại lớn nhất để sử dụng loại kết cấu này trong kết cấu công trình là giải quyết vấn đề liên kết giữa cột và sàn phẳng.Hiện có rất ít các nghiên cứu về liên kết giữa cột CFST với sàn phẳng BTCT Do đó, phần tổng quan dưới đây sẽ tổng hợp các nghiên cứu về liên kết giữa cột CFST với sàn phẳng BTCT để làm cơ sở cho việc đề xuất liên kết cho cột

1.3.1 Nghiên cứu của Jin-Won Kim

Jin-Won Kim (2014) [5] tiến hành nghiên cứu thực nghiệm liên kết cột CFST và sàn phẳng BTCT dựa trên các điều khoản thiết kế của tiêu chuẩn ACI 318-14[11] Mục tiêu của nghiên cứu là đề xuất ra mô hình liên kết có tính thực thi dựa trên quan sát ứng xử và các dữ liệu đo được trong thí nghiệm Tác giả tiến hành thí nghiệm với

10 mẫu có kích thước thật

Hình 1.13 Thí nghiệm liên kết cột CFST-sàn BTCT Jin-Won Kim(2014)[5]

Các thông số thay đổi trong các mẫu là chiều dài vươn của mũ chịu cắt, cường độ

bê tông, kích thước của ống thép, chiều dày sàn Trong 10 mẫu có 8 mẫu có bố trí thép

mũ chịu cắt (thép hình chữ I được hàn vào bề mặt ống thép) và 2 mẫu không bố trí với chiều dày sàn là 200mm và 300mm Hàm lượng cốt thép chịu uốn lấy từ 0,52% -

1,32% Chiều dày thành ống thép là 40mm và 2 mẫu có chiều dày 19mm Việc bố trí thép mũ chịu cắt nhằm tạo ra một vùng cứng để đưa chu vi tiết diện tới hạn dịch chuyển ra xa khỏi mặt cột khi đó khả năng chịu cắt của bản sàn tăng lên và lực cắt tại tiết diện tới hạn giảm xuống [5]

Kết quả thí nghiệm cho thấy sự phá hoại dẻo của thép chịu uốn xảy ra trước và phá hoại dẻo của thép mũ chịu cắt xảy ra sau, sự phá hoại thủng xảy ra sau cùng đúng với kết quả dự đoán ban đầu 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 với cánh tay vươn dài lớn hơn so với mẫu có cánh tay vươn ngắn và một chiều dài tối thiểu của cánh tay vươn bằng 4h (h là chiều cao dầm I) để đạt đến cường độ danh nghĩa theo tiêu chuẩn ACI 318-14 là 7 f b d c, 0 (psi) Ngoài ra, kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ chịu cắt thủng của mẫu không có thép chịu cắt, đạt đến 90% cường độ chịu cắt thủng danh nghĩa theo ACI 318-14, điều này có được là do sự ma sát với thành ống thép và sự làm việc của các chốt thép xuyên cột tại bề mặt cột Trường hợp mô men không cân bằng lớn tại vị trí cột thì sự ma sát không ảnh hưởng đến khả năng chịu cắt Kết quả thí nghiệm còn chỉ ra rằng, bê tông lõi chỉ có tác dụng ngăn cản biến dạng móp thành ống thép ở phía cánh dầm I chịu nén [5]

Qua kết quả thí nghiệm tác giả đề xuất công thức tính toán cường độ chịu cắt thủng riêng cho từng phần bê tông và thép mũ chịu cắt điều này không được đề cập trong các điều khoản thiết kế của tiêu chuẩn ACI 318-14 Ở đây tác giả còn đưa ra hệ

số  hiệu chỉnh ảnh hưởng của chiều dài cánh tay vươn đến khả năng chịu cắt thủng của liên kết [5]

Tuy nhiên, nhược điểm của liên kết này đã khảo sát chiều dày thành ống quá lớn đây là điều kiện thuận lợi cho việc hàn dầm thép I vào thành ống và chống ổn định cục

bộ tại vị trí liên kết nhưng lại không tiết kiệm vật liệu

1.3.2 Nghiên cứu của Y Su, Y Tian

Y Su, Y.Tian (2010) [10] 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 động như Hình 1.15 và Hình 1.16

Hình 1.15 Mẫu liên kết của Y Su, Y Tian (2010)[10]

Hình 1.16 Mô phỏng quá trình thí nghiệm - Y Su, Y Tian (2010) [10]

Mục đích của nghiên cứu là tạo một liên kết chủ yếu chịu tải trọng ngang để giảm biến dạng ngang do động đất và đảm bảo khả năng chịu tải trọng đứng Mấu chốt vấn đề mà tác giả đưa ra để thiết lập liên kết là liên kết phải giảm ứng suất tập trung gây ra bởi mô men âm trong sàn do tải trọng ngang gây ra đồng thời vẫn duy trì được

khả năng chịu tải trọng đứng Từ nhận định trên một liên kết được đề xuất là tấm sàn BTCT được đở 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

mô men 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 [10]

Qua phân tích 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 [10] Tuy nhiên, liên kết đề xuất này vẫn còn tồn tại là không xác định rõ độ vươn của tấm thép để đảm bảo sàn không bị chọc thủng Liên kết giữa sàn và cột là khớp nên sàn sẽ

có chuyển vị lớn Sự phân phối mô men trong sàn không hợp lý

1.3.3 Nghiên cứu của Cheol-Ho Lee

Cheol-Ho Lee (2007) [3] đã nghiên cứu cường độ chịu cắt thủng và ứng xử sau chọc thủng của liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT Hai mục tiêu nghiên cứu

là đề xuất mô hình bán giải tích (semi-analytical) về ứng xử chọc thủng của liên kết đề xuất và áp dụng mô hình tĩnh phi tuyến thu gọn để phân tích tiến trình phá hoại

Chi tiết liên kết được tác giả đề xuất dựa trên quan điểm: (1) đó là tính nguyên vặn của liên kết và dễ dàng cho thi công; (2) đảm bảo tính toàn khối của liên kết, điều

đó có nghĩa là một loại chốt chịu cắt được yêu cầu để tăng tính toàn khối và độ siêu tĩnh cho vùng liên kết Lúc đó cường độ chịu cắt thủng của liên kết sử dụng chốt chịu cắt cao hơn so với liên kết với sàn bê tông cốt thép thường; (3) để đảm bảo độ tin cậy của liên kết cần phải chế tạo và thí nghiệm mẫu

Hình 1.17 Liên kết đề xuất bởi Cheol-Ho Lee (2007) [3]

Từ những yêu cầu nêu trên tác giả đề xuất các dạng liên kết như hình Hình 1.18 với chốt chịu cắt đề xuất là tiết diện chữ T và tiết diện chữ I Việc bố trí các đinh hàn vào bề mặt bên ngoài của ống thép với mục đích ngăn cản sự phân tách sớm của bê tông ra khỏi bề mặt cột

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 dự định trong thiết kế là; (1) cốt thép chịu uốn chảy dẻo trước chốt chịu cắt; (2) Phá hoại thủng xảy ra sau cùng và sự tách

bê tông ra khỏi mặt cột không xảy ra sớm Thí nghiệm còn cho thấy với mẫu có bố trí thép hậu chọc thủng (post-punching) thì khả năng chịu cắt thủng của mẫu tăng từ 20%-40% so với mẫu không có vì cốt thép này bố trí ở vùng nén và trì hoãn sự ép vỡ

1.3.4 Nghiên cứu của Young K.Ju

Young K Ju (2013) [12] dựa trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm các liên kết giữa cột CFST và sàn BTCT mà các tác giả trước đó đã nghiên cứu và thí nghiệm Tác giả đã đề xuất một liên kết mới với 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 Hình 1.18 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 [12]

84 mẫu được phân tích 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 lp× tp, khoảng cách từ cốt thép neo vào tấm đến cạnh tấm thép ls, và tỉ số cường độ chảy dẻo của ống thép với tấm thép cfy/pfy Trạng thái giới

hạn của liên kết khi thành ống thép biến dạng ra ngoài mặt phẳng 5mm

Qua 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 thì chiều dày thành ống cũng tăng thêm Khi chiều dày thành ống thép, 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 [12]

Hình 1.18 Liên kết đề xuất bởi Young K Ju (2013)[12]

Sử dụng kết quả phân tích phần tử hữu hạn, bằng phương pháp hồi quy tuyến tính, cường độ thiết kế của liên kết được xác định theo công thức (1.1)

0.108 0.065 0.944 0.563 0.374 0.232 f3.45

1.3.5 Nghiên cứu của Hiroki Satoh

Tại hội nghị thế giới về kĩ thuật động đất lần thứ 13 tại Vancouver B.C., Canada, Hiroki Satoh (2004) [2] đã công bố kết quả về nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu tải của liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT Tác giả đã thực hiện 3 nhóm thí nghiệm; (1) thí nghiệm tải trọng ngang cho liên kết cột sàn bên trong; (2) nhóm mẫu thí nghiệm về cường độ chọc thủng; (3) nhóm mẫu thí nghiệm cường độ chịu xoắn [2] Liên kết được tác giả 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 Hình 1.19

Hình 1.19 Liên kết cột CFST - sàn BTCT đề xuất bởi Hiroki Satoh (2004)[2]

Qua kết quả thí nghiệm với nhĩm mẫu chịu tải trọng ngang thì thấy được vị trí tới hạn của tiết diện do lực cắt và mơ men uốn xuất hiện tại mặt trước và sau của cột,

mơ men xoắn nằm trên các cạnh của cột Với nhĩm mẫu thứ 2 thí nghiệm về chọc thủng thì bê tơng sàn, các tấm thép liên kết và các đinh sẽ tham gia chịu cắt trong đĩ cường độ chịu cắt của bê tơng cĩ thể được tính theo tiêu chuẩn ACI 318-14 Với nhĩm mẫu thứ 3 thí nghiệm về cường độ chịu xoắn thì độ cứng ban đầu và cường độ xuất hiện vết nứt đầu tiên cĩ thể được tính tốn bằng lý thuyết đàn hồi với bề rộng cột như

là bề rộng hiệu quả Độ cứng sau khi nứt được tính tốn với hệ số giảm độ cứng Bề rộng ảnh hưởng của sự xoắn tăng, sau vết nứt và bề rộng hiệu quả cĩ thể áp dụng tính tốn độ cứng và cường độ Từ kết quả thí nghiệm một phương thức thiết kế được đề xuất dựa trên tiêu chuẩn Nhật Bản AIJ

1.3.6 Nghiên cứu của Alessandra L Carvalho

Nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu cắt thủng của sàn bê tơng ứng lực trước căng sau khơng bám dính cĩ bố trí các Stub chịu cắt trong sàn (Punching Shear in Post-Tensioned Flat Slabs with Stud Rail Shear Reinforcement - 2011)

1.3.7 Nghiên cứu của Thibault Clément

Nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của ứng lực trước đến khả năng chịu cắt của sàn (Influence of prestressing on the punching strength of post-tensioned Slab - 2014)

1.4 Các hình thức bố trí cốt đai trong sàn

a Dùng dầm tích hợp (Intergral beams): Kiểu cốt thép chịu cắt được thiết kế ở

dạng khung cốt thép cho kết cấu dầm (cốt thép dọc và thép đai) Các khung cốt thép này được đặt theo các phương hướng tâm và vuơng gĩc với trục cột Kích thước của các khung thép này nằm trong phạm vi chiều dày bản sàn Hình thức này tạo thành kết cấu dầm nằm trong bản sàn và được gọi là “dầm tích hợp ” như Hình 1.20

d

2

Cốt thép dầm tích hợp

Hình 1.20 Dầm tích hợp trong bản sàn

Tác dụng của dầm tích hợp tương tự như thép mũ chịu cắt Cốt thép trong dầm

tích hợp giống như kết cấu trong dầm chịu uốn Tuy nhiên, nếu chiều dày của bản sàn nhỏ hơn 25cm, các cốt đai khó có thể đảm bảo chiều dài neo Vì vậy trong tất cả các trường hợp cốt thép đai phải là cốt thép đai kín với các móc tiêu chuẩn ( 0

90 và 1350)

và tại góc của cốt thép đai phải bố trí một thanh thép dọc

b Tăng cường khả năng chịu cắt thủng bằng chốt thép chịu cắt

Hình 1.21 Chốt thép chịu cắt bố trí trong bản sàn

Sử dụng chốt thép chịu cắt bao gồm các chốt thép (đinh chịu cắt) được hàn với các dải thép bản và được đặt vào trong bản sàn tại vị trí cột trước khi đổ bê tông như Hình 1.21 Các chốt thép sử dụng phải có các đầu neo dạng hình tròn hay hình chữ nhật với diện tích ít nhất bằng 10 lần diện tích tiết diện thân chốt để chốt thép không bị

kéo tụt ra khỏi bê tông Dải thanh thép neo cố định các chốt thép ở phía dưới phải có

chiều dày không đổi và phải lớn hơn hoặc bằng đường kính các chốt thép

c Tăng cường khả năng chịu cắt thủng bằng “Shearband”

Việc bố trí “Shearband” để làm tăng khả năng chịu cắt cho sàn được nghiên cứu

và phát triển bởi Pilakoutas and Li (2003) [7] Đại học Sheffield, Anh (Hình 1.22) Hệ thống này được tạo bởi các dải thép có độ dẻo cao, việc thi công rất dễ dàng, tạo độ dẻo của liên kết và đảm bảo đoạn neo

Hình 1.22 Chốt thép chịu cắt bố trí trong bản sàn

1.5 Kết luận chương 1

Trong chương này đã thực hiện tổng quan các vấn đề sau:

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN KHẢ NĂNG

CHỊU CẮT THỦNG CỦA SÀN

Trong chương 2 trình bày cơ chế chịu cắt của cốt đai trên vết nứt nghiêng do lực

cắt, từ đó trình bày mô hình tính toán sức kháng cắt của cốt đai cho sàn Các tiêu

chuẩn tính toán EU2 và ACI 318 cũng được sử dụng để phân tích sự đóng góp của cốt

đai đến khả năng chịu cắt của sàn

2.1 Cơ chế chịu cắt của cốt đai trên tiết diện nghiêng

Trên những vị trí đầu cột nơi có lực cắt lớn ứng suất tiếp do lực cắt và ứng suất

pháp do mômen sẽ gây ra những ứng suất kéo chính nghiêng với trục 1 góc nào đó

Khi ứng suất kéo chính vượt qua cường độ chịu kéo của bê tông sẽ gây ra các khe nứt

nghiêng Theo đó tại vị trí vết nứt nghiêng hình thành sẽ xuất hiện các thành phần lực

để chống lại lực cắt đó Các thành phần lực kháng cắt bao gồm: Sự cài khóa của các

cốt liệu, Vagg - Aggregate interlock; Sự kháng cắt của bê tông vùng nén, Vch - Concrete

compressive zone; Sự kháng cắt của cốt dọc, Vdow - Dowel action ; Sự làm việc của cốt

đai, Vsw,i - Transverse reinforcement ; Sự làm việc của Shear - key, V (Hình 2.1)

L/2

VÕt nøt c¾t chÝnh Cét CSFT

Hình 2.1 Cơ chế chuyển lực cắt qua khe nứt nghiêng

Như vậy, khả năng chịu cắt trên khe nứt nghiêng là tổng các sự kháng cắt trong

từng cơ chế được thể hiện qua công thức tổng quát sau:

Đối với cấu kiện bê tông cốt thép, cốt đai đóng vai trò quan trọng trong việc tham

gia vào khả năng chịu cắt của cấu kiện Khi cấu kiện chịu lực cắt trên bề mặt sẽ xuất

hiện vết nứt nghiêng, lúc này cốt đai đóng vài trò ngăn cản sự tách hai phần sàn khi

vết nứt phát triển, tạo ra lực để ngăn cản sự phát triển của vết nứt

Khi cấu kiện BTCT chịu cắt sẽ xuất hiện nhiều vết nứt nghiêng với chiều dài và

bề rộng khác nhau Tuy nhiên, khả năng chịu cắt lớn nhất của cốt đai được tính toán

dựa vào vết nứt chính hay nói cách khác là vết nứt có chiều dài và bề rộng vết nứt

lớn nhất

Khả năng đóng góp của cơ chế này vào khả năng kháng cắt của cấu kiện phụ thuộc lớn vào mô đun đàn hồi của cốt đai, đường kính cốt đai, chiều dài, bề rộng vết nứt chính, chiều dài neo của cốt đai

2.2 Phân tích sự đóng góp của cốt đai đến khả năng chịu cắt của sàn

Trong trường hợp sàn bố trí cốt đai thì mô hình phá hoại có thể xảy ra trong sàn được mô tả trong Hình 2.2 gồm: (a) phá hoại trong phạm vi bố trí cốt thép chịu cắt; (b) phá hoại bởi sự nén vỡ của thanh chống bê tông; (c) phá hoại bên ngoài phạm vi bố trí thép chịu cắt và (d) phá hoại uốn

Hình 2.2 Các mô hình phá hoại sàn có bố trí cốt đai

+ Phá hoại trong vùng cốt thép chịu cắt được giả thiết xảy ra khi vết nứt cắt tới

hạn mở và biến dạng cục bộ Nó được giả thiết rằng bê tông mang một phần của lực cắt phụ thuộc vào độ mở rộng và thô nám của vết nứt tới hạn Phần khác được mang bởi cốt thép chịu cắt phụ thuộc vào độ mở rộng của vết nứt cắt tới hạn Do đó cường

độ tính toán định nghĩa là tổng của hai thành phần:

Hình 2.3 Sự đóng góp của bê tông và cốt đai vào khả năng chịu cắt của sàn