Mô hình ứng xử và khả năng truyền lực của liên kết cắt kiểu perfobond ứng dụng trong kết cấu composite bê tông thép

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

CHU THỊ HẢI VINH

MƠ HÌNH ỨNG XỬ VÀ KHẢ NĂNG TRUYỀN LỰC CỦA LIÊN KẾT CẮT KIỂU PERFOBOND ỨNG DỤNG TRONG KẾT CẤU COMPOSITE BÊTƠNG – THÉP

Chuyên ngành : Xây dựng Cơng trình Dân dụng và Cơng nghiệp

Mã số ngành : 60 58 20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM Ngày … tháng … năm …

Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ gồm: 1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ………

- -o0o -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: CHU THỊ HẢI VINH Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 29-07-1982 Nơi sinh: PHÚ YÊN

Chuyên ngành: Xây Dựng Dân Dụng – Công Nghiệp MSHV: 11210255

Khóa: 2011

1- TÊN ĐỀ TÀI:

Mô hình ứng xử và khả năng truyền lực của liên kết cắt kiểu perfobond ứng dụng

trong kết cấu composite bêtông – thép

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

 Khảo sát thực nghiệm cơ chế truyền lực và khả năng làm việc của liên kết perfobond dạng mở

 Xây dựng mô hình 3D phân tích ứng xử của liên kết bằng phần mềm Ansys

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02 – 07 – 2012

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 03 – 01 – 2013

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS BÙI ĐỨC VINH

TS LÊ VĂN PHƯỚC NHÂN

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Tp HCM, ngày tháng năm

TRƯỞNG BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

Với đề tài luận văn theo hướng thực nghiệm, trong quá trình thực hiện tôi đã gặp rất nhiều trở ngại tưởng chừng bản thân mình không thể vượt qua Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến những người đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua

Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Bùi Đức Vinh và thầy

Lê Văn Phước Nhân đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn Thầy đã chia sẻ cho tôi những kinh nghiệm quý báu trong quá trình thí nghiệm cũng như hướng dẫn cho tôi những kiến thức để có thể hoàn thành tốt luận văn của mình

Chương trình thí nghiệm đòi hỏi nhiều công đoạn cũng như máy móc thiết bị phức tạp, bản thân tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các nhân viên phòng thí nghiệm thuộc công ty Hoàng Vinh T.R.C.C, tôi vô cùng biết ơn và sẽ nhớ mãi quãng thời gian tôi được học tập và làm việc tại công ty Với những kiến thức tích lũy được tôi hy vọng sẽ giúp ích cho mình trong công tác chuyên môn sau này Và đồng thời tôi xin gửi lời cảm ơn đến Công ty Xây dựng Việt Nguyên (thuộc Tổng công ty Xây dựng số 1) đã tài trợ cho tôi một phần kinh phí thực hiện đề tài này

Xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô bạn bè, những người đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập tại trường

Quá trình học tập tuy gặp nhiều khó khăn nhưng tôi luôn nhận được sự quan tâm, yêu thương từ phía gia đình Gia đình luôn bên tôi, là nguồn hỗ trợ đắc lực cho tôi trong suốt thời gian qua Lời cảm ơn chân thành nhất được gửi tới cha mẹ, chồng

và em gái tôi đã quan tâm giúp đỡ động viên tôi, đặc biệt là đã thay tôi chăm sóc cho con trai của tôi để tôi có thể yên tâm hoàn thành tốt nhiệm vụ học tập của mình Với những tình cảm đó, tôi tự hứa luôn cố gắng phấn đấu để xứng đáng với những tình cảm mình nhận được

- -

Trong kết cấu dầm liên hợp bê tông – thép, liên kết kháng cắt (shear connection) đóng vai trò truyền lực từ sàn bê tông sang dầm thép Luận án này giới thiệu một dạng liên kết cắt liên tục kiểu perfobond, đây là một phương án thay thế cho các loại liên kết kiểu đinh truyền thống Các thí nghiệm Push-out đã được thực hiên với 6 nhóm mẫu khác nhau nhằm xác định cơ chế truyền lực, độ dai của liên kết Ngoài ra các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng kháng cắt của liên kết bao gồm cường độ nén của bê tông, diện tích cốt thép và hình dạng của perfobond cũng được khảo sát Kết quả thí nghiệm cho thấy khả năng chịu lực của liên kết tăng lên khi tăng số lượng cốt thép đặt trong liên kết hoặc tăng cường độ chịu nén của bê tông Liên kết perfobond thích hợp cho dầm liên hợp và có thể thay thế được liên kết dạng đinh tán truyền thống Các dữ liệu thí nghiệm còn được sử dụng để xây dựng

mô hình dự đoán khả năng làm việc của liên kết

Từ khóa: Liên kết cắt, thí nghiệm Push-Out, dầm liên hợp

For composite beam, shear connection plays a role in transferring force from concrete slab to steel beam This research introduces a type of continuous perfobond shear connection to replace conventional shear stud connection Push-out tests were carried out with six different groups in order to determine force transfer mechanism and ductility of connection In addition, factors effect on shear resistance of connection such as compressive strength of concrete, reinforcement area and perforbond sharp were also observed The test results show that the shear capacity

of perfobond connector increases if increase the numbers of reinforcement or compressive strength’s concrete Perfobond connection is suitable for composite beam and can be able to replace conventional shear stud connection The test results are also used to modify simulation result to estimate of connection resistance

Keywords: Shear connector, Push-out test, Composite beam

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Bùi Đức Vinh và TS Lê Văn Phước Nhân Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Học viên

Chu Thị Hải Vinh

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC BẢNG viii

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1-Giới thiệu chung về kết cấu liên hợp bê tông-thép 1

1.2- Động lực cho nghiên cứu 3

1.3- Mục tiêu và giới hạn của đề tài 6

1.4- Nội dung và ý nghĩa của đề tài 6

1.4.1- Nội dung nghiên cứu 6

1.4.2- Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học của đề tài 6

1.5- Phương pháp nghiên cứu 7

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 8

2.1- Liên kết chống cắt trong kết cấu liên hợp bê tông – thép 8

2.1.1- Tổng quan 8

2.1.2- Các giai đoạn làm việc của dầm liên hợp 12

2.1.3- Liên kết chống cắt trong kết cấu dầm 13

2.1.4- Ứng xử của liên kết chống cắt: 15

2.1.5- Sự truyền lực cắt trong liên kết 19

2.2- Đánh giá khả năng chịu lực của một số dạng liên kết chống cắt 20

2.3- Liên kết chống cắt dạng perfobond 27

2.3.1- Liên kết chống cắt dạng perfobond đóng kín 27

2.3.2- Liên kết chống cắt dạng perfobond mở 28

2.3.3- Một số mô hình dự đoán khả năng chịu lực của liên kết chống cắt 29

2.4- Triển vọng áp dụng của liên kết perfobond 31

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM CƠ CHẾ TRUYỀN LỰC VÀ KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT PERFOBOND 32

3.1- Giới thiệu 32

3.2- Nguyên lý và mô hình thí nghiệm push-out 34

3.2.1- Nguyên lý thí nghiệm xác định khả năng chịu lực 34

3.2.2- Mô hình mẫu thí nghiệm 35

3.3- Thí nghiệm xác định các thông số của vật liệu đầu vào 36

3.3.1- Bê tông 36

3.3.2- Thép và cốt thép 43

3.4- Chương trình thí nghiệm Push-Out 43

3.4.1- Nhóm mẫu và mục tiêu khảo sát 43

3.4.2- Mẫu thí nghiệm Push-Out 44

3.4.3- Chế tạo mẫu và chuẩn bị thiết bị thí nghiệm 46

3.4.4- Sơ đồ gia tải và quy trình thí nghiệm 52

3.5- Kết quả thí nghiệm 53

3.6- Đánh giá kết quả thí nghiệm 55

3.6.1-Ảnh hưởng của hình dáng liên kết 55

3.6.2- Ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép 56

3.6.3- Ảnh hưởng của cường độ bê tông 57

3.7- Sự hình thành và phát triển vết nứt 57

3.8- So sánh khả năng chịu lực của liên kết đinh với liên kết perfobond 62

3.9- So sánh kết quả thực nghiệm với các nghiên cứu trước đây 63

3.10- Kết luận 67

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG PHẦN TỬ HỮU HẠN THÍ NGHIỆM PUSH-OUT 68

4.1- Giới thiệu 68

4.2- Mô hình vật liệu 69

4.2.1- Mô hình vật liệu cho thép kết cấu và cốt thép 69

4.2.2- Mô hình vât liệu bê tông 70

4.3- Mô hình phần tử hữu hạn cho thí nghiệm push-out 73

4.3.1- Mô hình hình học mẫu thí nghiệm PO 73

4.3.2- Chia lưới phần tử 75

4.3.3- Điều kiện tiếp xúc giữa thép và bê tông 76

4.3.4- Khai báo điều kiện biên: 77

4.4- Kết quả phân tích phần tử hữu hạn 79

4.5- Nhận xét 81

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 82

5.1- Kết luận 82

5.1.1- Liên kết perfobond 82

5.1.2- Khả năng kháng cắt và các yếu tố ảnh hưởng 82

5.1.3- Kết quả thí nghiệm và khả năng ứng dụng của liên kết 83

5.1.4- Mô phỏng phần tử hữu hạn cho thí nghiệm 84

5.2- Hướng phát triển của đề tài 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

PHỤ LỤC 89

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 92

DANH MỤC HÌNH VẼ

CHƯƠNG 1

Hình 1.1: Công trình Millennium Tower, Tp Viên, Áo 2

Hình 1.2: Thi công nút cầu vượt Hàng xanh – Tp HCM 3

Hình 1.3: Dầm cầu thi công bằng liên kết dạng đinh 3

Hình 1.4: Dầm cầu thi công bằng liên kết dạng perfobond 4

Hình 1.5: Cầu vượt sông Lech ở Schongau của Đức 5

CHƯƠNG 2 Hình 2.1: Ứng dụng của kết cấu liên hợp bê tông thép 8

Hình 2.2: Vai trò của liên kết chống cắt trong dầm liên hợp 9

Hình 2.3: Ứng xử của dầm liên hợp 10

Hình 2.4: Biến dạng, chuyển vị và trượt của dầm 11

Hình 2.5: Ảnh hưởng của lực cắt 12

Hình 2.6: Các giai đoạn chịu tải của dầm liên hợp 12

Hình 2.7: Biểu đồ ứng suất – biến dạng 14

Hình 2.8: Ứng xử của liên kết khi chịu tác dụng của lực cắt 15

Hình 2.9: Biểu đồ đánh giá độ mềm của liên kết 16

Hình 2.10: Một số loại liên kết chống cắt 17

Hình 2.11: Các loại liên kết khác 18

Hình 2.12: Mặt cắt qua liên kết bản sàn và cánh trên dầm thép 18

Hình 2.13: Sự phân bố lực cắt của liên kết dạng đinh 19

Hình 2.14: Dạng phá hoại của liên kết 20

Hình 2.15: Kết quả thí nghiệm với liên kết chữ C 22

Hình 2.16: Hình dạng mẫu thí nghiệm 23

Hình 2.17: Kích thước mẫu thí nghiệm 24

Hình 2.18: Mẫu thí nghiệm với Pefobond và T- Pefobond 25

Hình 2.19: Dạng phá hoại bản bê tông và liên kết T-perfobond 26

Hình 2.20: Hình dạng liên kết 27

Hình 2.21: Liên kết chống cắt perfobond dạng chốt kín 27

Hình 2.22: Nguyên lý làm việc của chốt bê tông 28

Hình 2.23: Liên kết dạng perfobond mở 28

CHƯƠNG 3 Hình 3.1: Thí nghiệm push-out 33

Hình 3.2: Mô hình mẫu thí nghiệm push-out 35

Hình 3.3: Thí nghiệm đo ứng suất biến dạng của mẫu bê tông 38

Hình 3.4: Đường quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông B40 38

Hình 3.5: Hình dạng mẫu sau khi thí nghiệm 39

Hình 3.6: Sơ đồ thí nghiệm uốn dầm RILEM 40

Hình 3.7: Các vị trí dán giá đỡ thiết bị đo 40

Hình 3.8: Mẫu đã được gắn thiết bị thí nghiệm 41

Hình 3.9: Dạng phá hoại của mẫu 41

Hình 3.10: Biểu đồ quan hệ giữa lực – chuyển vị 42

Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ giữa lực và độ mở rộng vết nứt 42

Hình 3.12: Thép tấm liên kết dạng perfobond 45

Hình 3.13: Các trường hợp bố trí cốt thép trong liên kết 45

Hình 3.14: Hàn thép vào dầm H 47

Hình 3.15: Mẫu sau khi được hàn xong 47

Hình 3.16: Mẫu thí nghiệm được lắp vào ván khuôn 48

Hình 3.17: Trộn bê tông 48

Hình 3.18: Mẫu thí nghiệm sau khi đổ bê tông xong 49

Hình 3.19: Mẫu thí nghiệm hoàn chỉnh 50

Hình 3.20: Thiết bị đo biến dạng ngang SENSOTEC 50

Hình 3.21: Thiết bị đo biến dạng trượt LSC- TRANSDUCER 51

Hình 3.22: Mẫu chuẩn bị thí nghiệm 52

Hình 3.23: Sơ đồ chu 6rình gia tải thí nghiệm Push-Out 52

Hình 3.24: Biến dạng trượt tương đối giữa bê tông và thép 54

Hình 3.25: Biến dạng trượt trung bình nhóm N1 và N2 55

Hình 3.26: Biến dạng trượt trung bình nhóm N2 và N3 56

Hình 3.27: Vị trí đặt cốt thép trong liên kết perfobond 56

Hình 3.28: Biến dạng trượt trung bình nhóm N2 và N5 57

Hình 3.29: Cơ chế phá hoại mẫu 58

Hình 3.30: Vết nứt trên mẫu N1 khi kết thúc thí nghiệm 58

Hình 3.31: Biến dạng ngang của bản bê tông 59

Hình 3.32: Vết nứt xiên 60

Hình 3.33: Vết nứt xiên của nhóm mẫu M6 61

Hình 3.34: Hình dạng cốt thép sau khi mẫu bị phá hoại 62

Hình 3.35: Biểu đồ quan hệ giữa lực và chuyển vị trượt của 2 loại liên kết 63

Hình 3.36: Khả năng chịu lực của của mẫu có cấp độ bền chịu nén bê tôngB25 65

Hình 3.37: Khả năng chịu lực của của mẫu có cấp độ bền chịu nén bê tôngB40 65

CHƯƠNG 4 Hình 4.1: Mô hình vật liệu dùng cho vật liệu thép 69

Hình 4.2: Phần tử SOLID185 70

Hình 4.3: Dạng 3D mặt phá hủy bê tông của Willam và Warnke 70

Hình 4.4: Đường cong ứng suất kéo nén dọc trục của bê tông 71

Hình 4.5: Đường cong ứng suất biến dạng của bê tông khi chịu nén dọc trục 72

Hình 4.6: Phần tử SOLID65 73

Hình 4.7: Mô hình khối hoàn chỉnh 73

Hình 4.8: Diện tích thép hình, thép tấm liên kết và cốt thép 74

Hình 4.9: Thép dầm H và liên kết perfobond 74

Hình 4.10: Chia lưới cho phần diện tích 75

Hình 4.11:Chia lưới cho khối thép 75

Hình 4.12: Mô hình sau khi chia lưới hoàn chỉnh 75

Hình 4.13: Chia lưới phần tử tại vị trí giao nhau của bê tông và cốt thép 76

Hình 4.14: Khai báo điều kiện tiếp xúc giữa dầm thép và bê tông 76

Hình 4.15: Khai báo điều kiện tiếp xúc giữa liên kết perfobbond và bê tông.76 Hình 4.16: Vị trí áp đặt điều kiện biên 78

Hình 4.17: Điều kiện biên cho mô hình ba chiều 78

Hình 4.18: Biểu đồ vector chuyển vị của mô hình 79

Hình 4.19: Biểu đồ ứng suất theo phương Y của tấm liên kết 80

Hình 4.20: Biểu đồ ứng suất theo phương Y của bê tông 80

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Thành phần cấp phối bê tông 37

Bảng 3.2: Tóm tắt kết quả thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi 43

Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật của thép 43

Bảng 3.4: Các nhóm mẫu thí nghiệm 44

Bảng 3.5: Kết quả thí nghiệm các nhóm mẫu 53

Bảng 3.6: So sánh kết quả thí nghiệm của liên kết dạng đinh và perfobond 62

Bảng 3.7: Các kết quả so sánh khả năng chịu lực 64

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 tiết 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

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

2.1- Liên kết chống cắt trong kết cấu liên hợp bê tông – thép

2.1.1- Tổng quan

Kết cấu liên hợp là sự kết hợp của bê tông cốt thép và kết cấu thép (gọi chung là thép hình), phần thép định hình có thế có dạng tấm, thanh định hình hay ống Trong tổng thể công trình kết cấu liên hợp được dùng cho các cấu kiện chịu lực như dầm, sàn, cột, dàn vòm hay các chi tiết liên kết ở các vị trí chịu lực đặc biệt Thông thường phần thép hình có thể nằm ngoài bao lấy bê tông hoặc được đặt bên trong tiết diện

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

Slip mm

- 5

5

8 4

-4

-8 c) slip

a) deflected shape

S

L/2 L/2

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

u

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