NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT GIỮA CỘT GÓC ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT GIỮA CỘT GÓC ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Học viên: TRẦN PHAN NHẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số:

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN PHAN NHẬT

NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT GIỮA CỘT GÓC ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2018

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN PHAN NHẬT

NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT GIỮA CỘT GÓC ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

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

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi cùng với nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

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

Trần Phan Nhật

NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT GIỮA CỘT GÓC ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

Học viên: TRẦN PHAN NHẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08 Khóa: 32 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt: Cột ống thép nhồi bê tông (CFST) có những ưu điểm: Cường độ cao, độ cứng

lớn, độ dẻo và khả năng phân tán năng lượng lớn, v.v Sàn phẳng bê tông cốt thép có những ưu điểm: Giảm chiều cao của tầng, thuận tiện cho việc bố trí đường ống thiết bị

kỹ thuật, dễ dàng thông gió và linh hoạt bố trí mặt bằng Với những ưu điểm trên việc kết hợp giữa sàn phẳng với cột (CFST) là giải pháp kết cấu hợp lý cho nhà cao tầng Tuy nhiên, hiện nay các nghiên cứu về liên kết giữa cột góc CFST với sàn phẳng BTCT còn hạn chế Do đó, luận văn nghiên cứu đề xuất giải pháp liên kết cột góc CFST với sàn phẳng BTCT, thực hiện tính toán liên kết theo tiêu chuẩn ACI 318 và thực hiện thí nghiệm trên mẫu có kích thước 1,5mx1,5m để xác định khả năng chịu lực của liên kết đề xuất Kết quả thí nghiệm cho thấy khả năng chịu lực của liên kết lớn hơn kết quả tính toán theo tiêu chuẩn Điều này cho thấy sự an toàn khi thiết kế mẫu theo tiêu chuẩn ACI

318 và giải pháp liên kết đề xuất cột góc CFST với sàn phẳng là tin cậy

Từ khóa – Ống thép nhồi bê tông; Sàn phẳng ; Bê tông cốt thép; Liên kết; Cột góc.

studying connectiON BETWEEN concrete filled steel tube CORNER COLUMN AND reinforced concrete flat slab

Abstract: The concrete filled steel tube (CFST) column has the following advantages:

High strength, high ductility and high energy dissipation, etc The reinforced concrete flat floor has the following advantages: Reducing the height of the floor, facilitating the arrangement of technical equipment, ventilation and flexible layout With the above advantages, the combination between RC flat floor with CFST column is a reasonable structural solution for tall buildings However, the current studies on the connection between the CFST column and the reinforced concrete floor are limited Therefore, this thesis proposed the solution for connection betweeen CFST column at corner and the reinforced concrete floor, performing the calculation according to ACI 318 and conducting the experiment on the 1,5x1,5 specimen to determine bearing capacity of the proposed connection The test results show that the bearing capacity of the connection is greater than the calculated result of the standard This shows that the design according to ACI 318 standard is safe and the proposed CFST column solution with flat floor is reliable

Key words - Concrete filled steel tube (CFST); Floor Flat; Reinforced Concrete (RC);

Connection; Corner column (CC)

MỤC LỤC

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1

5 KẾT QUẢ DỰ KIẾN 2

6 BỐ CỤC CỦA ĐỀ TÀI 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CỘT CFST, SÀN PHẲNG BTCT VÀ LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI SÀN PHẲNG BTCT 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 suất trước 9

1.2.3 Sàn Bubbledeck 10

1.2.4 Sàn U-boot Beton 11

1.3 TỔNG QUAN VỀ LIÊN KẾT GIỮA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP 13

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 19

CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP CẤU TẠO VÀ TÍNH TOÁN LÊN KẾT CỘT GÓC CFST VỚI SÀN PHẲNG BTCT 20

2.1 GIẢI PHÁP CẤU TẠO LIÊN KẾT CỘT GÓC – SÀN PHẲNG BTCT 20

2.2 GIẢI PHÁP TÍNH TOÁN LIÊN KẾT CỘT GÓC – SÀN PHẲNG BTCT 23 2.3 THIẾT KẾ LIÊN KẾT SÀN BTCT – CỘT CFST CHO CỘT GÓC 28

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 40

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT LIÊN KẾT BẰNG THỰC NGHIỆM 41

3.1 CHẾ TẠO MẪU, THIẾT BỊ VÀ THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM 41

3.1.1 Đề xuất mẫu thí nghiệm 41

3.1.2 Chế tạo mẫu thí nghiệm 41

3.1.3 Thiết bị thí nghiệm 43

3.1.4 Thiết lập thí nghiệm 45

3.2 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CỦA VẬT LIỆU 45

3.2.1 Bê tông 45

3.2.2 Cốt thép 46

3.3.1 Mô tả kết quả thí nghiệm 47

3.3.2 Đánh giá kết quả đo 48

3.3.3 Nhận xét về mô hình phá hoại qua kết quả thí nghiệm liên kết cột góc CFST với sàn phẳng BTCT 49

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 50

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……… 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO………52

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

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+ thép hình H)

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 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 suất 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)[6] 13

Hình 1.14 Sự phá hoại sàn BTCT - thí nghiệm của Jin-Won Kim (2014)[6] 14

Hình 1.15 Mẫu liên kết của Y Su, Y Tian (2010)[12] 15

Hình 1.16 Mô phỏng quá trình thí nghiệm - Y Su, Y Tian (2010) [12] 15

Hình 1.17 Liên kết đề xuất bởi Cheol-Ho Lee (2007) [4] 16

Hình 1.18 Liên kết đề xuất bởi Young K Ju (2013)[13] 17

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

Hình 2.1 Thép mũ chịu cắt trong sàn phẳng 20

Hình 2.2 Dầm tích hợp trong bản sàn 21

Hình 2.3 Chốt thép chịu cắt bố trí trong bản sàn 21

Hình 2.4 Chốt thép chịu cắt bố trí trong bản sàn 22

Hình 2.5 Cấu tạo liên kết cột góc CFST – sàn phẳng BTCT 22

Hình 2.6 Cấu tạo chi tiết liên kết cột góc CFST – sàn phẳng BTCT 23

Hình 2.7 Mặt phá hoại theo kiểu cắt thủng 24

Hình 2.8 Xác định chu vi tiết diện tới hạn khi không có Shear-head 24

Hình 2.9 Xác định chu vi tiết diện tới hạn khi sử dụng Shear-head 25

Hình 2.10 Tiết diện tới hạn và nội lực trong thép mũ chịu cắt 26

Hình 2.11.Các tiết diện làm việc của đường hàn 28

Hình 2.12.Sơ đồ gia tải 30

Hình 2.13 Kiểm tra ứng suất cắt tại tiết diện thứ nhất 32

Hình 2.14 Bố trí thép Shear-head; Chu vi chịu cắt b02=1149mm với lv=750mm 34

Hình 2.15 Tiết diện tính toán ảnh hưởng của tấm thép 35

Hình 2.16 Xác định trục vị trí trục trung hòa 35

Hình 2.17 Xác định chiều cao đường hàn tấm thép vào cột 37

Hình 2.18 Bố trí cốt thép lớp trên (hàm lượng thép ρ = 0,91 %) 38

Hình 2.19 Bố trí cốt thép lớp trên 38

Hình 2.22 Bố trí shear-head 40

Hình 3.1 Mẫu thí nghiệm cột góc liên kết cột CFST-sàn phẳng BTCT 41

Hình 3.2 Chế tạo mẫu cột - tấm thép chịu cắt 42

Hình 3.3 Gia công cốt thép thanh 42

Hình 3.4 Bố trí cốt thép cho mẫu 42

Hình 3.5 Neo cốt thép sàn vào cột mẫu 43

Hình 3.6 Lắp đặt các Strain Gauges và hoàn thành ván khuôn cốt thép 43

Hình 3.7 Đổ bê tông sàn và dưỡng hộ mẫu 43

Hình 3.8 Cảm biến đo biến dạng (Strain Gauges) 44

Hình 3.9 Cảm biến đo chuyển vị LVDT 44

Hình 3.10 Kích thủy lực 250 (tấn) và bơm dầu dùng cho thí nghiệm 45

Hình 3.11 Lắp đặt thiết bị và thiết bị đo cho mẫu thí nghiệm 45

Hình 3.12 Đúc mẫu bê tông mẫu trụ 150×300mm và dưỡng hộ 46

Hình 3.13 Thí nghiệm nén mẫu bê tông 46

Hình 3.14 Mẫu thép, thí nghiệm kéo thép 46

Hình 3.15 Vết nứt đầu tiên trên sàn tại cấp tải P=43kN 47

Hình 3.16 Vết nứt đầu tiên trên sàn tại cấp tải P=113kN 47

Hình 3.17 Vết nứt đầu tiên trên sàn tại cấp tải P=133kN 48

Hình 3.18 Sự phá hoại sàn tại P=226kN 48

Hình 3.19 Đồ thị tải trọng - chuyển vị đứng của sàn 49

Hình 3.20 Đồ thị tải trọng - chuyển vị đứng của sàn so sánh với ACI 318-11 49

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

bố trí mặt bằng Do đó, sử dụng kết cấu sàn phẳng BTCT là hợp lý

Đối với nhà cao tầng, nội lực trong cột lớn nên giải pháp sử dụng cột ống thép nhồi bê tông (CFST) để thay thế cho cột BTCT truyền thống là thích hợp vì những ưu điểm vượt trội về mặt kỹ thuật so với cột BTCT như cường độ cao, độ cứng lớn, độ dẻo và khả năng phân tán năng lượng lớn Ngoài ra, khả năng thi công nhanh, không tốn kém các chi phí và thời gian cho công tác ván khuôn cũng là một ưu điểm vượt trội của loại kết cấu này

Từ phân tích trên, nếu kết hợp hai loại kết cấu riêng biệt này thành kết cấu chịu lực mới cho nhà cao tầng sẽ đem lại những hiệu quả đáng kể về mặt kinh tế, kĩ thuật Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất khi kết hợp hai loại kết cấu này là giải quyết mối liên kết Hiện chưa có nhiều nghiên cứu về cấu tạo cho loại liên kết này, ứng xử của liên kết chưa được hiểu rõ, các biện pháp gia cường tại liên kết, cũng như chưa có các công cụ tính toán, các chỉ dẫn thiết kế cụ thể Do đó, việc nghiên cứu liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột ống thép nhồi bê tông là cần thiết để có thể áp dụng rộng rãi hệ kết cấu này vào thực tế xây dựng nhà cao tầng tại Việt Nam và đây là lý do để thực hiện luận

văn với đề tài: “Nghiên cứu liên kết giữa cột góc ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép”

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông, sàn phẳng bê tông cốt thép, liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép và phân tích ưu, nhược điểm của các liên kết đã nghiên cứu;

Đề xuất mới giải pháp cấu tạo cho liên kết và tính toán liên kết mới đề xuất dựa

theo tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-11;

Thí nghiệm đánh giá hiệu quả của liên kết đề xuất;

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu: Cột CFST và sàn phẳng BTCT

Phạm vi nghiên cứu: Mối liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu các liên kết đã được công bố, từ đó so sánh, phân tích ứng xử của liên kết khi làm việc và đề xuất giải pháp cấu tạo liên kết mới

Dựa theo tiêu chuẩn ACI 318-11 đề xuất quy trình tính toán cho liên kết

Lập mô hình thí nghiệm cho liên kết đề xuất

Chương 1:Tổng quan

Chương 2: Giải pháp cấu tạo và tính toán liên kết giữa cột góc CFST và sàn phẳng BTCT

Chương 3: Khảo sát liên kết bằng thực nghiệm

Kiến luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CỘT CFST, SÀN PHẲNG BTCT VÀ

LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI SÀN PHẲNG BTCT

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 viết tắt CFST) là một kết

cấu liên hợp bao gồm vỏ ống thép và lõi bê tông cùng làm việc chung với nhau (Hình

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 vuông 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 ởn 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 đở 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 ởn 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

Ống thép Bêtông

Cốt thép mềm

Cốt thép mềm

Ống thép Bêtông

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 đởi 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 ởn 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 ởn 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 tở hợp các cột CFST riêng lẻ thành các dạng kết cấu CFST tở 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 ởn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả năng chống mĩp méo của vỏ ống thép khi va đập [10];

Giá thành tởng 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 tơng cốt thép hay kết cấu thép thơng thường Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi bê tơng nhỏ hơn so với kết cấu bê tơng do đĩ việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn đồng thời làm giảm tải trọng xuống mĩng Kết cấu ống thép nhồi bê tơng kinh tế hơn

so với kết cấu bê tơng cốt thép vì khơng cần ván khuơn, giá vịm, đai kẹp và các chi tiết đặt sẵn, nĩ cĩ sức chịu đựng tốt hơn ít hư hỏng do va đập Do khơng cĩ cốt chịu lực và cốt ngang nên cĩ thể đở bê tơng với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỉ lệ N/X cĩ thể lấy nhỏ hơn) và sẽ dễ dàng đạt chất lượng bê tơng cao hơn [10],[7]

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 [7];

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.

1.1.4 Khả năng áp dụng

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

Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, loại kết cấu này được áp dụng khá nhiều cho cấu kiện chịu lực chính như hệ móng cọc, các cột đỡ của toà nhà cao tầng Hiện nay, việc xây dựng cầu qua các sông rộng và sâu, có nhu cầu lưu thông đường thuỷ lớn và điều kiện địa chất phức tạp đang đòi hỏi phải sử dụng các loại nhịp lớn khẩu

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 1.10 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 suất 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 suất trước

Trong cấu kiện bê tông ứng suất trước, bằng cách đặt vào một lực nén trước tạo bởi lực kéo cốt thép, nhờ tính đàn hồi, cốt thép có xu hướng co lại tạo nên lực nén trước và gây ra ứng suất trước trong bê tông Ứng suất nén trước trong bê tông sẽ triệt tiêu hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng sử dụng gây ra Do đó, khả năng chịu kéo của bê tông được nâng cao và hạn chế sự phát triển vết nứt Ứng suất trước 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 [11] Trong bê tông ứng suất 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 [11]

Sử dụng sàn bê tông ứng suất 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 suất 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 suất trước như tiêu chuẩn FIP của Liên đoàn quốc tế về bê tông ứng suất 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

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

1.2.4 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 chưa tìm được các nghiên cứu về

liên kết giữa cột góc CFST với sàn phẳng BTCT Do đó, phần tổng quan dưới đây sẽ tổng hợp các nghiên cứu về liên kết giữa cột giữa CFST với sàn phẳng BTCT để làm

cơ sở cho việc đề xuất liên kết cho cột góc

Jin-Won Kim (2014) [6] 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 318-11[1] 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)[6]

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 [6]

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 318-11 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 318-11, 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 [6]

số  hiệu chỉnh ảnh hưởng của chiều dài cánh tay vươn đến khả năng chịu cắt thủng của liên kết [6]

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

Y Su, Y.Tian (2010) [12] 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 1.16 và Hình 1.17

Hình 1.15 Mẫu liên kết của Y Su, Y Tian (2010)[12]

Hình 1.16 Mô phỏng quá trình thí nghiệm - Y Su, Y Tian (2010) [12]

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 [12]

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 [12] 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

Cheol-Ho Lee (2007) [4] 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) [4]

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

chuyển vị của sàn Với việc bố trí cốt thép post-punching thì cường độ chịu cắt thủng tăng 14% so với cường độ chịu cắt riêng của bê tông tại tiết diện tới hạn Sau khi phá hoại cắt thủng thì góc gấp khúc của cốt thép chịu kéo và cốt thép hậu chọc thủng tương ứng là 90,100 điều đó có nghĩa là các cốt thép chịu kéo tham gia như nhau trong việc chống lại tải trọng ngoài sau chọc thủng Phương pháp bán giải tích (semi-analytical) thể hiện ứng xử của cột CFST với sàn phẳng Các thông số cho mô hình đề xuất được hiệu chuẩn bằng cách sử dụng các dữ liệu thí nghiệm hạn chế của nghiên cứu này, và ứng dụng của nó để thu gọn tiến trình phân tích sụp đổ cũng đã được chứng minh [4]

Young K Ju (2013) [13] 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 lổ 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 1.19 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 [13]

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 lien kết với khoảng cách đặt lực trên tấm thép [13]

Hình 1.18 Liên kết đề xuất bởi Young K Ju (2013)[13]

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)

0.065 0.944 0.563 0.374 0.232 f 3.45

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 nhóm mẫu chịu tải trọng ngang thì thấy được vị trí tới hạn của tiết diện do lực cắt và mô men uốn xuất hiện tại mặt trước và sau của cột,

mô men xoắn nằm trên các cạnh của cột Với nhóm mẫu thứ 2 thí nghiệm về chọc thủng thì bê tông sàn, các tấm thép liên kết và các đinh sẽ tham gia chịu cắt trong đó cường độ chịu cắt của bê tông có thể được tính theo tiêu chuẩn ACI 318-11 Với nhóm mẫu thứ 3 thí nghiệm về cường độ chịu xoắn thì độ cứng ban đầu và cường độ xuất hiện vết nứt đầu tiên có thể được tính toán bằng lý thuyết đàn hồi với bề rộng cột như

là bề rộng hiệu quả Độ cứng sau khi nứt được tính toán với hệ số giảm độ cứng Bề rộng ảnh hưởng của sự xoắn tăng, sau vết nứt và bề rộng hiệu quả có thể áp dụng tính toán 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

Nhận xét:

Qua tổng quan ở trên, các tác giả đã đề xuất các kiểu liên kết khác nhau cho cột giữa CFST với sàn phẳng BTCT Nhìn chung các liên kết đều đảm bảo về khả năng chịu lực và các hình thức liên kết này sẽ là gợi ý để đề xuất liên kết cho cột góc CFST với sàn phẳng BTCT Liên kết đề xuất sẽ đảm bảo được sự liên tục của cột, cốt thép neo vào cột không ảnh hưởng đến vấn đề đổ bê tông cột, chi tiết liên kết đảm bảo được

cơ chế truyền lực từ sàn vào cột Cấu tạo cụ thể sẽ trình bày trong chương 2

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

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

+ Tổng quan về kết cấu CFST mà cụ thể là cột CFST

+ Tổng quan về các loại sàn phẳng đang sử dụng hiện nay như sàn phẳng bê tông cốt thép thường, sàn bê tông dự ứng lực, sàn Bubbledeck, U-Boot Beton + Tổng quan về các loại liên kết sàn phẳng bê tông cốt thép với cột giữa ống thép nhồi bê tông để làm cơ sở cho việc nghiên cứu liên kết cột góc với sàn phẳng BTCT

Qua tổng quan thấy được các ưu điểm của kết cấu sàn phẳng và kết cấu cột CFST cũng như hiệu quả mang lại khi kết hợp giữa sàn phẳng và cột CFST trong kết cấu công trình đặc biệt là kết cấu nhà nhiều tầng Tuy nhiên, cần phải giải quyết vấn đề liên kết giữa sàn và cột Trong phạm vi luận văn liên kết giữa cột góc và sàn phẳng BTCT sẽ được thực hiện nghiên cứu trong chương 2

CHƯƠNG 2 GIẢI PHÁP CẤU TẠO VÀ TÍNH TỐN

LIÊN KẾT CỘT GĨC CFST VỚI SÀN PHẲNG BTCT

Trong hệ kết cấu cột CFST và sàn phẳng BTCT thì liên kết đĩng vai trị quan

trọng đảm bảo sự liên tục giữa sàn – cột giúp cho các cấu kiện phát huy hết khả năng

làm việc, bảo vệ cho cơng trình khơng bị sụp đở Chương 2 sẽ thực hiện giải quyết hai

mục tiêu đĩ là đưa ra giải pháp cấu tạo và giải pháp tính tốn liên kết cột gĩc với sàn

phẳng BTCT

2.1 GIẢI PHÁP CẤU TẠO LIÊN KẾT CỘT GĨC – SÀN PHẲNG BTCT

Trong kết cấu sàn phẳng, tại vị trí sàn gối lên cột thường xảy ra phá hoại cắt

thủng sàn Do đĩ, cần phải cấu tạo liên kết đảm bảo khả năng kháng thủng cho sàn

Trước hết cần tìm hiểu các giải pháp nâng cao khả năng chịu cắt cho sàn phẳng:

+ Sử dụng thép mũ chịu cắt (shearheads): Thép mũ chịu cắt là loại chi tiết thép

được chế tạo sẵn như thanh thép vai bị, thép hình, bản thép…(Hình 2.1) đặt vào trong

bản sàn trước khi đở bê tơng Các chi tiết thép này đặt trong bản sàn tại vị trí cột và

vươn ra ngồi mặt cột Chúng cĩ tác dụng làm tăng chu vi tính tốn tiết diện tới hạn

của bản sàn đối với lực cắt Ngồi ra, các chi tiết thép này cĩ thể gĩp phần vào khả

năng chịu mơ men âm của bản sàn

Tiết diện tới hạn

Thép hình I,C (tổ hợp hàn)

Tiết diện tới hạn

Thép hình I,C (tổ hợp hàn)

Thép vai bò chịu cắt

d 2

d 2

d 2

Hình 2.1 Thép mũ chịu cắt trong sàn phẳng + 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 2.2

90 và 1350)

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

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

Hình 2.3 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 2.3 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

+ 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) [8] Đại học Sheffield, Anh (Hình 2.4) 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 2.4 Chốt thép chịu cắt bố trí trong bản sàn

Nhận xét và đề xuất giải pháp cấu tạo:

Trên đây là 4 giải pháp gia cường để chống sự phá hoại cắt thủng cho sàn Nhưng

để kết hợp với ống thép thì phương án sử dụng thép mũ chịu cắt ở dạng thép hình là thích hợp nhất Vì thép mũ chịu cắt ở dạng thép hình sẽ được hàn vào cột vừa đảm bảo cường độ, độ cứng cho liên kết cũng như khả năng chống cắt thủng cho sàn

Căn cứ vào phân tích cơ chế truyền tải trọng và cơ chế phá hoại do cắt thủng trong liên kết sàn phẳng BTCT với cột gĩc CFST kết hợp với các kết quả nghiên cứu tiêu chuẩn ACI 318 Liên kết giữa sàn phẳng BTCT với cột gĩc CFST được đề xuất như sau:

4

2

2

3 1

AI

1

2 1- Cột ống thép nhồi bê tông (CFST)

2- Mũ thép chịu cắt (shear-head) chữ H

3- Tấm đệm 4- Khoan lỗ neo cốt thép vào cột

3

1 3

1

Hình 2.5 Cấu tạo liên kết cột gĩc CFST – sàn phẳng BTCT

* Mũ thép chịu cắt (shear-head): Sử dụng thép chữ H hoặc chữ I, một phần cánh được cắt bỏ để chừa lại phần bụng Phần này được đưa vào bên trong cột qua rãnh được xẻ trên mặt cột Shear-head đĩng vai trị quan trọng trong việc làm tăng khả năng

chịu cắt cho sàn và xem như một cái chốt (shear key) đảm bảo tính liên tục giữa sàn và cột CFST

* Tấm thép liên tục bao quanh chu vi cột (Continuity plate): Chi tiết này bố trí phía dưới của cánh dưới tiết hiện H hoặc I, được hàn theo chu vi cột và liên kết với thép Shear-head Tạo điểm tựa để truyền lực từ sàn vào cột cho phần sàn khơng bố trí Shear-head

Cột CFST

Tấm thép

Cốt thép vòng

Shear-head Cốt đai C Thép lớp trên/lớp dưới

Hình 2.6 Cấu tạo chi tiết liên kết cột gĩc CFST – sàn phẳng BTCT

* Bên cạnh các chi tiết Shear – head và tấm đệm, liên kết cịn bở sung thêm cốt đai dạng chữ C ngược Bố trí theo suốt chiều dày của sàn với mĩc neo tiêu chuẩn theo ACI 318 nhằm gia cường khả năng chịu cắt cho sàn

* Cốt thép vịng bố trí vào mặt trên của sàn Cốt thép này bố trí theo yêu cầu cấu tạo sao cho thỏa mãn khoảng cách cốt đai và chịu mơ men tiếp tuyến của sàn

2.2 GIẢI PHÁP TÍNH TỐN LIÊN KẾT CỘT GĨC – SÀN PHẲNG BTCT

Hiện nay, chưa cĩ tiêu chuẩn nào đề cập đến việc tính tốn khả năng chịu cắt tại liên kết giữa cột CFST với sàn phẳng BTCT Tuy nhiên, với cách cấu tạo liên kết sử dụng các dầm thép hình tiết diện H hoặc I tương tự như cấu tạo mà tiêu chuẩn ACI

318 sử dụng để gia cường khả năng chịu cắt thủng cho liên kết cột BTCT thường - sàn BTCT, luận văn sẽ lấy cách tính tốn của ACI 318 làm cơ sở cho việc tính tốn khả năng chịu lực của liên kết

Phần tính tốn gồm các phần như sau:

- Xác định khả năng chịu cắt của bê tơng sàn khi khơng cĩ thép hình I, H: Mục

đích là kiểm tra khả năng chịu cắt của bê tơng tại tiết diện tới hạn cách mặt cột d/2 do lực cắt Vu và mơ men khơng cân bằng Mu chuyển lực cắt vào cột, nếu thỏa mãn khả năng chịu cắt thì Shear-head sẽ bố trí cấu tạo Trường hợp khơng thỏa cần phải tính tốn xác định các kích thước cụ thể của Shear-head;

- Xác định khả năng chịu cắt của bê tơng sàn khi cĩ thép hình chịu cắt I,H;

- Tính khả năng chịu uốn của Shear-head;

- Tính tốn đường hàn liên kết

+ Xác định khả năng chịu cắt của bê tơng sàn khi khơng cĩ cốt thép chịu cắt

Trong thực tế hầu hết khả năng chịu lực của sàn phẳng dưới tác dụng của tải trọng được quyết định bởi khả năng chịu cắt của chúng Vị trí được xem xét về khả

năng chịu cắt là các vị trí tới hạn gần với cột hoặc các gối tựa khác

Đặc điểm của cắt thủng là vết nứt cắt theo dạng hình cơn hoặc hình tháp xung quanh cột, mũ cột hoặc bản mũ cột Gĩc nghiêng của tháp cắt thủng so với mặt nằm ngang là θ phụ thuộc vào bản chất và số lượng cốt thép trong bản sàn lấy trong khoảng θ=200 - 450 Tiết diện tới hạn lấy bằng d/2 tính từ mép gối tựa Lực cắt tính tốn Vu được tính tốn từ tởng tải trọng tính tốn trên phần diện tích giới hạn bởi các đường tim của các ơ sàn xung quanh cột trừ đi tải trọng tính tốn nằm phía trong chu

vi của tiết diện tới hạn

Mặt cắt thủng

Mặt cắt thủng

c

d/2

Hình 2.7 Mặt phá hoại theo kiểu cắt thủng

Đối với cột gĩc, do tồn tại mơ men khơng cân bằng nên ảnh hưởng của mơ men

sẽ làm tăng ứng suất cắt trên tiết diện tới hạn Do đĩ, với trường hợp khơng sử dụng thép mũ chịu cắt (shear-head) ứng suất cắt trên tiết diện tới hạn cách mặt cột d/2 được kiểm tra theo cơng thức:

Trong đĩ: bo1 là chu vi tiết diện tới hạn cách d/2 từ chu vi của cột;

c, J là các đặc trưng của tiết diện tới hạn cách d/2 từ chu vi của cột;

Vu, Mu lực cắt trực tiếp, mơ men khơng cân bằng trên tiết diện tới hạn

0,85

  đối với lực cắt

Tiết diện cột góc

Chu vi tiết diện tới hạn bo1 d/2

c 2

c 1

Hình 2.8 Xác định chu vi tiết diện tới hạn khi khơng cĩ Shear-head

+ Xác định khả năng chịu cắt bê tơng sàn khi bố trí cốt thép chịu cắt H

Khi bố trí mũ chịu cắt vào trong bản sàn, ứng suất cắt danh nghĩa theo lực cắt của

bản sàn tại tiết diện tới hạn cách mặt gối tựa một khoảng d/2 được kiểm tra khơng được lớn hơn  '

Trong đĩ: bo2 là chu vi tiết diện tới hạn lấy trên hình 2.9

c, J là các đặc trưng của tiết diện tới hạn cách d/2 từ chu vi của cột;

Vu, Mu lực cắt trực tiếp, mơ men khơng cân bằng trên tiết diện tới hạn

Shear - head dạng chữ H

Mu

c 2

c 1

Cạnh sàn

Hình 2.9 Xác định chu vi tiết diện tới hạn khi sử dụng Shear-head

Trong các cơng thức tính ở trên hệ số chuyển lực cắt do mơ men Mu gây ra trên tiết diện tới hạn xác định theo cơng thức sau:

+ Tính tốn khả năng chịu uốn của Shear-head

Thép mũ chịu cắt là loại chi tiết thép được chế tạo sẵn và đặt vào trong bản sàn trước khi đở bê tơng Theo tiêu chuẩn ACI 318-11 [1], các chi tiết thép được đặt trong

bản sàn tại vị trí cột để làm tăng khả năng chịu cắt thủng và góp phần vào khả năng chịu mômen âm của sàn (Hình 2.10).

M p

Moâ men trong taám theùp chòu caét

Hình 2.10 Tiết diện tới hạn và nội lực trong thép mũ chịu cắt

Phần lực cắt do phần chiều dài vươn mũ chịu cắt chịu tỷ lệ với tỷ số độ cứng αv

s s v

Biểu đồ mômen tìm được từ việc tích phân biểu đồ lực cắt Nếu V /2 = V /2Φ, c umômen dẻo Mp tại mặt gối tựa [11.12.4.6, ACI 318] [5] sẽ là: