Ứng xử kháng chọc thủng của liên kết cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐINH THỊ NHƯ THẢO

ỨNG XỬ KHÁNG CHỌC THỦNG CỦA LIÊN KẾT
CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
VÀ SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Đà Nẵng − Năm 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐINH THỊ NHƯ THẢO

ỨNG XỬ KHÁNG CHỌC THỦNG CỦA LIÊN KẾT
CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
VÀ SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
Chuyên ngành : Cơ kỹ thuật
Mã số

: 62 52 01 01

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGÔ HỮU CƯỜNG
PGS.TS. TRƯƠNG HOÀI CHÍNH

Đà Nẵng − Năm 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên là Đinh Thị Như Thảo.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi mà kết quả nghiên cứu là
một phần của đề tài nghiên cứu hợp tác giữa Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.
Hồ Chí Minh và Tập đoàn Thép JFE – Nhật Bản do PGS.TS Ngô Hữu Cường chủ trì.
Công tác thí nghiệm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Kết cấu Công trình Bách Khoa
(BKSEL), Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM.
Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Đà Nẵng, ngày 20 tháng 4 năm 2019
Tác giả luận án

Đinh Thị Như Thảo


i

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC ............................................................................................................. i
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................... v
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................. vii
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1
1.

Tính cấp thiết của luận án .......................................................................... 1

2.

Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................... 2

3.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án ................................. 2

4.

Nội dung nghiên cứu ................................................................................... 2

5.

Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 3

6.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................. 3

7.

Bố cục luận án .............................................................................................. 4

8.

Đóng góp chính của luận án ....................................................................... 4

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFT VÀ LIÊN KẾT VỚI SÀN PHẲNG
BTCT .................................................................................................................... 6
1.1. Cột ống thép nhồi bê tông ........................................................................... 6

1.2. Sàn phẳng bê tông cốt thép ....................................................................... 11


ii

1.3. Liên kết của sàn phẳng BTCT và cột CFT ............................................. 19

1.4. Ưu nhược điểm của các liên kết đã công bố của các tác giả .................. 40

1.5. Khả năng kháng nén thủng của sàn phẳng BTCT theo các tiêu chuẩn
hiện hành ............................................................................................................ 42

1.6. Kết luận ...................................................................................................... 46
Chương 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM LIÊN KẾT SÀN PHẲNG BTCT
VÀ CỘT CFT .................................................................................................... 47
2.1. Mô hình thí nghiệm ................................................................................... 47

2.2. Thiết bị thí nghiệm .................................................................................... 56


iii

2.3. Tiến hành thí nghiệm và xử lý kết quả .................................................... 58

2.4. Kết luận ...................................................................................................... 81
Chương 3 PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT SÀN PHẲNG

BTCT VÀ CỘT CFT BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ....................................... 82
3.1. Đặt vấn đề ................................................................................................... 82
3.2. Giới thiệu về phần mềm ABAQUS .......................................................... 82

3.3. Các bài toán mô phỏng số của tác giả đã thí nghiệm ............................. 94

3.4. Áp dụng tính toán khả năng nén thủng cực hạn của mẫu S-02-M-V theo
các tiêu chuẩn TCVN 5574:2012, EC2 và ACI 318-11 ............................... 118


iv

3.5. Kết luận .................................................................................................... 122
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................... 124
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
TÀI LIỆU THAM KHẢO


v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Ý nghĩa

Ký hiệu
BTCT

Bê tông cốt thép

CFT

Ống thép nhồi bê tông (Concrete-Filled steel Tube)

TTGH

Trạng thái giới hạn

ACI

Viện Bê tông Hoa Kỳ (American Concrete Institute)

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

EC

Tiêu chuẩn Châu Âu (Eurocode)

PTHH

Phần tử hữu hạn


vi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Thông số mẫu thí nghiệm chuỗi thứ 1 của Satoh và Shimazaki (2004)
[37] ...................................................................................................................... 21
Bảng 1.2: Thông số mẫu thí nghiệm chuỗi thứ 2 của Satoh và Shimazaki (2004)
[37] ...................................................................................................................... 22

Bảng 1.3: Thông số mẫu thí nghiệm chuỗi thứ 3 của Satoh và Shimazaki (2004)
[37] ...................................................................................................................... 23
Bảng 1.4: Thông số vật liệu mẫu thí nghiệm của Yan (2011) [44] .................... 30
Bảng 2.1: Số liệu của mẫu S-C-V và S-02-M-V................................................. 51
Bảng 2.2: Danh mục các thiết bị thí nghiệm ....................................................... 57
Bảng 2.3: Cấp phối bê tông B30 ......................................................................... 58
Bảng 2.4: Cường độ nén trung bình .................................................................... 59
Bảng 2.5: Cường độ kéo chẻ trung bình ............................................................. 59
Bảng 2.6: Lực nén thủng cực hạn của liên kết sàn phẳng BTCT − cột CFT và liên
kết sàn phẳng − cột BTCT toàn khối .................................................................. 80
Bảng 3.1: Các công thức xác định các thông số đặc trưng của vật liệu bê tông. 84
Bảng 3.2: Các thông số đặc trưng của vật liệu bê tông mô phỏng ..................... 94
Bảng 3.3: Các dạng tương tác khi mô phỏng mẫu S-C-V .................................. 98
Bảng 3.4: So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng mẫu S-C-V .................. 101
Bảng 3.5: Các dạng tương tác khi mô phỏng mẫu S-02-M-V .......................... 107
Bảng 3.6: So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng mẫu S-02-M-V ............ 112
Bảng 3.7: So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng mẫu S-C-V và mẫu S-02M-V ................................................................................................................... 117
Bảng 3.8: Kết quả tính toán lực kháng nén thủng cực hạn theo các tiêu chuẩn của
mẫu S-02-M-V .................................................................................................. 121
Bảng 3.9: Giá trị lực nén thủng mẫu S-C-V và S-02-M-V nghiên cứu thực nghiệm
và tính toán theo các tiêu chuẩn ........................................................................ 122


vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Cấu tạo điển hình của cột ống thép nhồi bê tông .................................. 7
Hình 1.2: Cấu tạo cột CFT đặc [17] ...................................................................... 7
Hình 1.3: Cấu tạo cột CFT mặt cắt rỗng [17] ....................................................... 8
Hình 1.4: Cấu tạo cột CFT được bọc BTCT [17] ................................................. 8

Hình 1.5: Cấu tạo cột CFT được gia cường bằng cốt thép, cốt cứng (thép hình)
và sườn tăng cứng [17] .......................................................................................... 9
Hình 1.6: Tòa nhà Fleet Place House [34] .......................................................... 10
Hình 1.7: Tòa nhà Queensberry House [34] ....................................................... 10
Hình 1.8: Tòa nhà Strong Building ..................................................................... 11
Hình 1.9: Nén thủng sàn dạng hình côn với những góc 60o, 45o và 30o [31] ..... 12
Hình 1.10: Dạng phá hoại mẫu thí nghiệm của Kinnuen và Nylander (1960) [25]
............................................................................................................................. 13
Hình 1.11: Sự hình thành tháp nén thủng theo thí nghiệm Kinnuen và Nylander
[25] ...................................................................................................................... 13
Hình 1.12: Sự sụp đổ của cao ốc Sampoong-Hàn Quốc do phá hoại nén thủng [16]
............................................................................................................................. 14
Hình 1.13: Sự sụp đổ của chung cư 2000 Commonwealth Avenue, Boston,
Massachusetts, Hoa kỳ do phá hoại nén thủng [24]............................................ 14
Hình 1.14: Sự sụp đổ của căn hộ cao tầng Skyline Plaza ở Bailey’s Crossroad,
Virginia, Hoa Kỳ do phá hoại nén thủng [38]..................................................... 15
Hình 1.15: Ba dạng phá hoại do nén thủng trong sàn phẳng BTCT − Menetrey
(2002) [10]........................................................................................................... 16
Hình 1.16: Cốt thép chịu cắt tại liên kết cột − sàn phẳng BTCT [10], [32] ....... 16
Hình 1.17: Hệ cốt cứng chịu cắt − Corley và Hawkins (1968) [11] ................... 17
Hình 1.18: Sử dụng các chốt chịu cắt của Elgabry và Gali (1987) [14] ............. 18
Hình 1.19: Hệ băng kháng cắt của Pilakoutas và Li (2003) [36]........................ 18
Hình 1.20: Hệ liên kết chịu cắt “NUUL” của Subedi và Baglin (2003) [41] ..... 18
Hình 1.21: Hình dạng phá hoại của liên kết “NUUL” khi bị nén thủng [41] ..... 18
Hình 1.22: Chi tiết liên kết của Satoh và Shimazaki (2004) [37] ....................... 19


viii

Hình 1.23: Mô hình thí nghiệm của Satoh và Shimazaki (2004) [37] ................ 20

Hình 1.24: Mô hình thí nghiệm chuỗi số 2 của Satoh và Shimazaki (2004) [37]
............................................................................................................................. 21
Hình 1.25: Cấu hình vết nứt của mẫu Ps.8 [37] .................................................. 22
Hình 1.26: Chi tiết mẫu thí nghiệm chuỗi số 3 của Satoh và Shimazaki (2004) [37]
............................................................................................................................. 23
Hình 1.27: Cấu hình vết nứt các mẫu chuỗi thí nghiệm thứ 3 [37] .................... 24
Hình 1.28: Chi tiết liên kết của Su và Tian (2010) [40] ..................................... 25
Hình 1.29: Cấu tạo mẫu thí nghiệm của Su và Tian (2010) [40] ........................ 26
Hình 1.30: Mô hình thí nghiệm của Su và Tian (2010) [40] .............................. 27
Hình 1.31: Quan hệ lực − chuyển vị đầu cột của mẫu SP1 [40] ......................... 27
Hình 1.32: Cấu tạo liên kết loại 1 của Yan (2011) [44] ...................................... 28
Hình 1.33: Mẫu thí nghiệm liên kết loại 1 của Yan (2011) [44] ........................ 29
Hình 1.34: Cấu tạo liên kết loại 2 của Yan (2011) [44] ...................................... 29
Hình 1.35: Mẫu thí nghiệm liên kết loại 2 của Yan (2011) [44] ........................ 30
Hình 1.36: Mô hình và công tác lắp đặt thí nghiệm của Yan (2011) [44] .......... 30
Hình 1.37: Sơ đồ vị trí theo phương đứng của liên kết chịu cắt [44] ................. 31
Hình 1.38: Mẫu thí nghiệm của Kim cùng cộng sự (2014) [23]......................... 33
Hình 1.39: Mô hình thí nghiệm của Kim cùng cộng sự (2014) [23] .................. 33
Hình 1.40: Hình dạng tháp nén thủng các mẫu thí nghiệm của Kim cùng cộng sự
(2014) [23]........................................................................................................... 34
Hình 1.41: Chi tiết cấu tạo liên kết của Đào Ngọc Thế Lực cùng cộng sự (2017)
[1], [3] .................................................................................................................. 35
Hình 1.42: So sánh ứng xử bề mặt sàn ở cấp tải P=480 kN và đường cong tải trọng
– chuyển vị từ ABAQUS và thí nghiệm của Đào Ngọc Thế Lực cùng cộng sự
(2017) [1], [3] ...................................................................................................... 35
Hình 1.43: Chi tiết cấu tạo liên kết của Nguyễn Quốc Nhật (2018) [2] ............. 36
Hình 1.44: Vết nứt trên sàn tại cấp tải 400 kN mẫu thí nghiệm của Nguyễn Quốc
Nhật [2]................................................................................................................ 37

ix

Hình 1.45: Sự phá hoại sàn tại cấp tải 440 kN mẫu thí nghiệm của Nguyễn Quốc
Nhật [2]................................................................................................................ 37
Hình 1.46: Chi tiết cấu tạo liên kết của Trần Phan Nhật (2018) [5] ................... 38
Hình 1.47: Vết nứt đầu tiên tại cấp tải 43 kN mẫu thí nghiệm của Trần Phan Nhật
[5] ........................................................................................................................ 39
Hình 1.48: Sự phá hoại sàn tại cấp tải 226 kN mẫu thí nghiệm của Trần Phan Nhật
[5] ........................................................................................................................ 39
Hình 1.49: Tháp nén thủng theo TCVN 5574:2012 [4] ...................................... 42
Hình 1.50: Tháp nén thủng theo Tiêu chuẩn Châu Âu EC2 [13] ....................... 43
Hình 1.51: Tháp nén thủng theo Quy phạm Hoa Kỳ ACI 318-11 [8] ................ 45
Hình 2.1: Cấu tạo chi tiết của liên kết ................................................................. 49
Hình 2.2: Hình ảnh thực cấu tạo chi tiết cột, sườn, thép sàn của liên kết........... 49
Hình 2.3: Mặt bằng bố trí lớp thép trên mẫu S-C-V ........................................... 52
Hình 2.4: Mặt bằng bố trí lớp thép dưới mẫu S-C-V .......................................... 52
Hình 2.5: Mặt cắt A-A mẫu S-C-V ..................................................................... 53
Hình 2.6: Mặt bằng bố trí lớp thép trên mẫu S-02-M-V ..................................... 53
Hình 2.7: Mặt bằng bố trí lớp thép dưới mẫu S-02-M-V.................................... 54
Hình 2.8: Mặt cắt A-A mẫu S-02-M-V ............................................................... 54
Hình 2.9: Sơ đồ thí nghiệm ................................................................................. 55
Hình 2.10: Giai đoạn 1 − Cho liên kết chịu chuyển vị cưỡng bức đến giá trị mục
tiêu H/140 ............................................................................................................ 55
Hình 2.11: Giai đoạn 2 − Tiến hành gia tải đứng cho đến khi liên kết phá hoại do
nén thủng ............................................................................................................. 56
Hình 2.12: Cấu tạo hệ khung gia tải.................................................................... 57
Hình 2.13: Thí nghiệm nén và kéo chẻ mẫu bê tông .......................................... 59
Hình 2.14: Quan hệ ứng suất – biến dạng của thép tấm ..................................... 60
Hình 2.15: Quan hệ ứng suất – biến dạng của cốt thép sàn 14 ......................... 61
Hình 2.16: Mặt bằng lắp đặt chuyển vị kế cho mẫu S-C-V và S-02-M-V ......... 61

Hình 2.17: Mặt đứng lắp đặt chuyển vị kế cho mẫu S-C-V và S-02-M-V ......... 62


x

Hình 2.18: Sơ đồ lắp đặt cảm biến đo biến dạng của cốt thép lớp trên mẫu S-C-V
............................................................................................................................. 63
Hình 2.19: Sơ đồ lắp đặt cảm biến đo biến dạng của bê tông mẫu S-C-V ......... 63
Hình 2.20: Sơ đồ lắp đặt cảm biến đo biến dạng của bê tông và cốt thép lớp trên
mẫu S-02-M-V .................................................................................................... 64
Hình 2.21: Lắp đặt ván khuôn và cốt thép cho mẫu S-C-V ................................ 65
Hình 2.22: Đổ bê tông cho mẫu S-C-V ............................................................... 66
Hình 2.23: Lắp đặt ván khuôn và cốt thép cho mẫu S-02-M-V.......................... 66
Hình 2.24: Đổ bê tông cho mẫu S-02-M-V ........................................................ 66
Hình 2.25: Lắp đặt mẫu S-C-V vào khung gia tải .............................................. 68
Hình 2.26: Lắp đặt mẫu S-02-M-V vào giá gia tải ............................................. 68
Hình 2.27: Lắp đặt thiết bị gia tải cho mẫu S-C-V và S-02-M-V....................... 69
Hình 2.28: Lắp đặt chuyển vị kế cho mẫu S-C-V ............................................... 70
Hình 2.29: Lắp đặt chuyển vị kế cho mẫu S-02-M-V......................................... 70
Hình 2.30: Gắn cảm biến đo biến dạng của bê tông và cốt thép sàn cho mẫu S-CV và mẫu S-02-M-V............................................................................................ 70
Hình 2.31: Kết nối các dây cảm biến và chuyển vị kế vào data logger .............. 71
Hình 2.32: Đường quan hệ lực − chuyển vị mẫu S-C-V .................................... 72
Hình 2.33: Đường quan hệ lực − biến dạng của cốt thép sàn mẫu S-C-V .......... 72
Hình 2.34: Đường quan hệ lực − biến dạng của cốt thép sàn mẫu S-C-V .......... 73
Hình 2.35: Đường quan hệ lực − biến dạng của bê tông sàn mẫu S-C-V........... 73
Hình 2.36: Hình dạng tháp nén thủng của mẫu S-C-V ....................................... 74
Hình 2.37: Đường cong trễ lực – chuyển vị ngang đầu cột ................................ 75
Hình 2.38: Quan hệ lực – chuyển vị ngang đầu cột mẫu S-02-M-V .................. 76
Hình 2.39: Đường quan hệ lực – chuyển vị mẫu S-02-M-V .............................. 77
Hình 2.40: Đường quan hệ lực − biến dạng của cốt thép sàn mẫu S-02-M-V .. 77

Hình 2.41: Đường quan hệ lực − biến dạng của bê tông sàn mẫu S-02-M-V .... 78
Hình 2.42: Hình dạng tháp nén thủng của của mẫu S-02-M-V .......................... 79
Hình 3.1: Một số loại phần tử trong thư viện của ABAQUS [7] ........................ 83
Hình 3.2: Hệ tọa độ của phần tử C3D8 trong ABAQUS [7] .............................. 83


xi

Hình 3.3: Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông khi chịu nén [6], [37] ...... 85
Hình 3.4: Ảnh hưởng của chiều dài phần tử bê tông đến quan hệ ứng suất – biến
dạng của bê tông khi chịu nén [22] ..................................................................... 86
Hình 3.5: Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông khi chịu kéo [22], [43] .... 87
Hình 3.6: Quan hệ ứng suất – bề rộng vết nứt của bê tông trong giai đoạn giảm
bền theo các mô hình [12] ................................................................................... 88
Hình 3.7: (a) Mô phỏng vết nứt theo vùng nứt; (b) theo vết nứt rời rạc [22] ..... 89
Hình 3.8: Ứng xử chịu nén của bê tông trong mô hình phá hoại dẻo [43] ......... 89
Hình 3.9: Ứng xử chịu kéo của bê tông trong mô hình phá hoại dẻo [43] ......... 90
Hình 3.10: Bề mặt chảy dẻo Lubliner và cộng sự (1989) [30] và Lee và Fenves
(1998) của mô hình phá hoại dẻo [27] ................................................................ 91
Hình 3.11: Dạng tương tác “Tie” [7] .................................................................. 92
Hình 3.12: Sự hình thành điều kiện biên động học giữa các nút khi sử dụng tương
tác “Embedded” với dung sai hình học giữa các nút [7]..................................... 92
Hình 3.13: Ràng buộc về động học “kinematic coupling” [7]............................ 93
Hình 3.14: Ràng buộc dạng phân bố “distributing coupling” [7] ....................... 93
Hình 3.15: Sự tương tác “hard contact” giữa các nút của mặt phụ (slave surface)
và mặt chính (master surface) [7]........................................................................ 94
Hình 3.16: Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông khi chịu nén .................. 95
Hình 3.17: Quan hệ ứng suất – bề rộng vết nứt của bê tông khi chịu kéo .......... 95
Hình 3.18: Hình dạng mô phỏng của mẫu S-C-V ............................................... 96
Hình 3.19: Mô phỏng sàn cột bê tông của mẫu S-C-V ....................................... 96

Hình 3.20: Mô phỏng cốt thép sàn và cột của mẫu S-C-V ................................. 97
Hình 3.21: Mô phỏng gối đệm trên, dưới của mẫu S-C-V ................................. 97
Hình 3.22: Mô phỏng sự làm việc đồng thời của bê tông và cốt thép mẫu S-C-V
............................................................................................................................. 98
Hình 3.23: Khai báo tương tác dạng “coupling” mẫu S-C-V ............................. 98
Hình 3.24: Mô phỏng điều kiện biên mặt trên của mẫu S-C-V .......................... 99
Hình 3.25: Mô phỏng điều kiện biên mặt dưới của mẫu S-C-V ......................... 99
Hình 3.26: Mô phỏng chia lưới tạo phần tử của mẫu S-C-V ............................ 100


xii

Hình 3.27: Quan hệ lực – chuyển vị D1 mẫu S-C-V ........................................ 100
Hình 3.28: Quan hệ lực – chuyển vị D3 mẫu S-C-V ........................................ 101
Hình 3.29: Quan hệ lực – biến dạng S1 mẫu S-C-V ......................................... 101
Hình 3.30: Quan hệ lực – biến dạng S3 mẫu S-C-V ......................................... 102
Hình 3.31: Quan hệ lực – biến dạng C1 mẫu S-C-V ........................................ 102
Hình 3.32: Các vết nứt tiếp tuyến đầu tiên xuất hiện mẫu S-C-V .................... 103
Hình 3.33: Các vết nứt hướng tâm về phía 4 góc sàn mẫu S-C-V................... 103
Hình 3.34: Hình dạng tháp nén thủng mẫu S-C-V............................................ 103
Hình 3.35: Hình dạng mô phỏng của mẫu S-02-M-V ...................................... 104
Hình 3.36: Mô phỏng sàn bê tông của mẫu S-02-M-V..................................... 105
Hình 3.37: Mô phỏng cốt thép sàn của mẫu S-02-M-V .................................... 105
Hình 3.38: Mô phỏng hệ sườn, bản thép đầu cột và cột thép mẫu S-02-M-V .. 106
Hình 3.39: Mô phỏng cột thép và lõi bê tông cột của mẫu S-02-M-V ............. 106
Hình 3.40: Mô phỏng gối đệm trên, dưới, bên của mẫu S-02-M-V ................ 107
Hình 3.41: Mô phỏng sự làm việc đồng thời của bê tông-cốt thép mẫu S-02-M-V
........................................................................................................................... 108
Hình 3.42: Khai báo tương tác dạng “coupling” mẫu S-02-M-V ..................... 108
Hình 3.43: Mô phỏng điều kiện biên mặt trên của mẫu S-02-M-V .................. 109

Hình 3.44: Mô phỏng điều kiện biên mặt dưới của mẫu S-02-M-V................. 109
Hình 3.45: Mô phỏng chia lưới tạo phần tử của mẫu S-02-M-V...................... 110
Hình 3.46: Hình dạng của liên kết S-02-M-V khi chuyển vị ngang đầu cột có giá
trị 17 mm ........................................................................................................... 110
Hình 3.47: Quan hệ lực – chuyển vị ngang đầu cột mẫu S-02-M-V ................ 111
Hình 3.48: Ứng suất Mises trong sàn khi chuyển vị ngang đầu cột có giá trị 17
mm của mẫu S-02-M-V..................................................................................... 111
Hình 3.49: Quan hệ lực – chuyển vị D1 mẫu S-02-M-V ................................. 112
Hình 3.50: Quan hệ lực – chuyển vị D3 mẫu S-02-M-V ................................. 112
Hình 3.51: Quan hệ lực – Biến dạng S1 mẫu S-02-M-V .................................. 113
Hình 3.52: Quan hệ lực – biến dạng S3 mẫu S-02-M-V .................................. 113
Hình 3.53: Quan hệ lực – biến dạng C1 mẫu S-02-M-V .................................. 113


xiii

Hình 3.54: Các vết nứt tiếp tuyến đầu tiên xuất hiện mẫu S-02-M-V .............. 114
Hình 3.55: Các vết nứt hướng tâm về phía 4 góc sàn mẫu S-02-M-V ............ 115
Hình 3.56: Hình dạng tháp nén thủng mẫu S-02-M-V ..................................... 115
Hình 3.57: Hình dạng tháp nén thủng mẫu S-02-M-V bằng thực nghiệm và mô
phỏng số ............................................................................................................ 115
Hình 3.58: Quan hệ lực – chuyển vị D1 mẫu S-C-V và mẫu S-02-M-V.......... 116
Hình 3.59: Nghiên cứu của Winkler và Stangenberg (2008) [43] ................... 117
Hình 3.60: Kết quả nghiên cứu của Islam (2014) [20] .................................... 118
Hình 3.61: Hình ảnh chuyển vị của mẫu S-02-M-V ......................................... 119
Hình 3.62: Tháp nén thủng của mẫu S-02-M-V theo TCVN 5574:2012 ......... 119
Hình 3.63: Tháp nén thủng của mẫu S-02-M-V theo EC2 ............................... 120
Hình 3.64: Tháp nén thủng của mẫu S-02-M-V theo ACI 318-11 ................... 120

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Trong những thập niên qua, kết cấu thép – bê tông liên hợp đã được sử dụng
ngày càng rộng rãi trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp ở nhiều
nước trên thế giới do có các ưu điểm nổi trội về mặt kết cấu và thi công của cả hai
loại vật liệu thép kết cấu và bê tông truyền thống. Công trình sử dụng giải pháp kết
cấu liên hợp có khả năng chịu lực, độ cứng và độ dẻo dai cao, đáp ứng tốt công năng
sử dụng, có hiệu quả về kinh tế và đảm bảo tính thẩm mỹ, đồng thời tăng cường khả
năng chống cháy so với kết cấu thép truyền thống.
Trong nhà nhiều tầng, chiều cao tầng, kích thước cột và nhịp của cấu kiện là
những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế và công năng sử dụng của
công trình. Do đó, nhu cầu cần có một hệ kết cấu mới có thể giảm chiều cao tầng,
giảm kích thước cột, tăng nhịp cấu kiện, rút ngắn thời gian thi công và tiết kiệm chi
phí xây dựng là một điều hết sức cần thiết. Hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFT
− Concrete Filled steel Tube) và sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) là hệ kết cấu
tương đối mới, phù hợp với các tiêu chí trên và được mong đợi sẽ được áp dụng rộng
rãi trên thế giới trong tương lai gần. Tuy nhiên, dạng liên kết hiệu quả giữa cột CFT
và sàn phẳng BTCT cùng ứng xử kháng nén thủng của nó, là một yếu tố then chốt
trong việc đảm bảo khả năng chịu lực của hệ, vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ và
đang thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu.
Qua việc tham khảo và phân tích ưu nhược điểm của các chi tiết liên kết đã
được công bố trên thế giới, luận án đề xuất một chi tiết liên kết mới giữa sàn phẳng
BTCT và cột giữa CFT có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo và phù hợp với điều kiện thi
công ở Việt Nam. Thông qua tính toán và mô phỏng sơ bộ, kích thước và cấu tạo chi
tiết của liên kết sẽ được đề xuất. Ứng xử chịu cắt và khả năng kháng nén thủng của
liên kết kích thước thật sẽ được khảo sát thông qua nghiên cứu thực nghiệm. Thêm
nữa, liên kết cũng sẽ được mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS và độ tin cậy của kỹ
thuật mô phỏng sẽ được kiểm chứng qua việc so sánh với kết quả thực nghiệm.

2

2. Mục tiêu nghiên cứu
− Nghiên cứu đề xuất loại liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT phù
hợp và hiệu quả với điều kiện thi công của Việt Nam.
− Nghiên cứu ứng xử và khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng
BTCT và cột giữa CFT được đề xuất bằng thực nghiệm và mô phỏng số.
− Đề xuất công thức dự đoán khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng
BTCT và cột giữa CFT.

3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học
Ở Việt Nam, việc sử dụng cột CFT trong các công trình xây dựng còn khá mới
mẻ và chưa được phổ biến. Những kết quả thu được từ thí nghiệm và mô phỏng số
trong nghiên cứu này sẽ góp phần bổ sung thêm những luận điểm, kiến thức mới và
là nguồn dữ liệu bổ ích phục vụ cho những nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.

Ý nghĩa thực tiễn
Hiện nay liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT đã được nhiều tác giả đề
xuất và khảo sát để tìm hiểu ứng xử kết cấu và sự hiệu quả nhằm phục vụ cho việc
ứng dụng vào thực tiễn. Việc đề xuất một chi tiết liên kết giữa sàn phẳng BTCT và
cột giữa CFT có cấu tạo đơn giản nhưng hiệu quả, phù hợp với điều kiện thi công tại
Việt Nam sẽ là bước khởi đầu cho việc nghiên cứu thêm các dạng liên kết khác để có
thể phát triển giải pháp kết cấu cột CFT – sàn phẳng BTCT cho công trình xây dựng.
Đặc biệt, việc xây dựng một mô hình số cho phép dự đoán khả năng chịu lực của liên
kết phù hợp với kết quả thực nghiệm là một điều cần thiết để có được kết quả tin cậy
trong việc áp dụng cho công tác thiết kế loại liên kết này trong thực tiễn mà không
cần thực hiện các thí nghiệm tốn kém và mất thời gian.

4. Nội dung nghiên cứu
− Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài.
− Đề xuất chi tiết liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT.


3

− Chế tạo liên kết và tiến hành đúc mẫu thí nghiệm.
− Thiết lập quy trình thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm.
− Xử lý, phân tích số liệu và đánh giá kết quả thí nghiệm.
− Mô phỏng số ứng xử của liên kết bằng phần mềm PTHH ABAQUS có xét
tác động phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu.
− Kiểm chứng độ tin cậy của kỹ thuật mô phỏng qua việc so sánh kết quả phân
tích với kết quả thực nghiệm.
− Rút ra những kết luận, kiến nghị.

5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của đề tài là phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
kết hợp với mô phỏng số. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để phân tích ứng xử
và khả năng chịu lực cũng như để đánh giá tính khả thi và sự hiệu quả của việc ứng
dụng liên kết đề xuất mới cho giải pháp kết cấu cột CFT – sàn phẳng BTCT. Bên
cạnh đó, một quy trình và kỹ thuật mô phỏng số liên kết bằng phần mềm PTHH
ABAQUS cũng được thiết lập để dự đoán ứng xử của liên kết.

6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
Ứng xử cắt thủng của liên kết sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT.

Phạm vi nghiên cứu

− Nghiên cứu ứng xử nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT thường (không
có tác động ứng suất trước, không có lỗ mở gần liên kết) - cột giữa CFT (không phải
cột ở biên hoặc góc);
− Nghiên cứu khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT – cột
giữa CFT mà không xét đến ứng xử chịu mômen đồng thời của liên kết;
− Nghiên cứu khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT – cột
giữa CFT chỉ chịu tác động tải tĩnh đẩy dần, không phải là tải lặp lại hoặc tải động.


4

7. Bố cục luận án
Trên cơ sở các nội dung nghiên cứu để đạt mục tiêu đề ra và đảm bảo tính
logic và hoàn thiện của vấn đề nghiên cứu, cấu trúc của luận án gồm các phần và các
chương như sau:
Mở đầu.
Chương 1: Tổng quan về cột CFT và liên kết với sàn phẳng BTCT.
Giới thiệu tổng quan về cột CFT và sàn phẳng BTCT; các phương pháp liên
kết nhằm đảm bảo khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT – cột giữa
CFT và các kết quả nghiên cứu liên quan của các tác giả khác đã công bố. Trình bày
cách tính toán khả năng kháng nén thủng của sàn phẳng BTCT trong các tiêu chuẩn
hiện hành.
Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm liên kết sàn phẳng BTCT và cột CFT.
Đề xuất chi tiết liên kết phù hợp và hiệu quả; Đề xuất quy trình thí nghiệm;
Trình bày quá trình thí nghiệm và kết quả ứng xử nén thủng của liên kết đề xuất khi
chịu tải; So sánh kết quả thí nghiệm của liên kết đề xuất với liên kết sàn phẳng – cột
BTCT toàn khối để làm rõ sự hiệu quả.
Chương 3: Phân tích sự làm việc của liên kết sàn phẳng BTCT và cột CFT
bằng phương pháp số.
Trình bày cơ sở lý thuyết của phần mềm ABAQUS và thiết lập quy trình mô

phỏng số cho liên kết đề xuất và liên kết đối chứng; So sánh kết quả mô phỏng với
kết quả thí nghiệm để làm rõ độ tin cậy của mô hình số; Đề xuất hướng dẫn tính toán
để dự đoán khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT
theo các tiêu chuẩn TCVN 5574:2012, EC2 và ACI 318-11.
Kết luận – Hướng phát triển.

8. Đóng góp chính của luận án
− Qua việc tham khảo và phân tích ưu nhược điểm của các chi tiết liên kết đã
được công bố trên thế giới, luận án đã đề xuất một chi tiết liên kết mới giữa sàn phẳng
BTCT và cột giữa CFT khá đơn giản và phù hợp với điều kiện thi công trong nước.


5

− Thiết lập quy trình thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm để khảo sát ứng xử
chịu cắt và khả năng kháng nén thủng của liên kết.
− Mô phỏng số phân tích ứng xử kháng nén thủng của liên kết bằng phần mềm
ABAQUS và so sánh với kết quả thực nghiệm.
− Đề xuất hướng dẫn tính toán để dự đoán khả năng kháng nén thủng của liên
kết theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012, Tiêu chuẩn Châu Âu EC2, Quy
phạm Hoa Kỳ ACI 318-11.


6

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFT VÀ LIÊN KẾT
VỚI SÀN PHẲNG BTCT
1.1.

Cột ống thép nhồi bê tông

Đặc điểm
Cột CFT là cấu kiện kết cấu liên hợp gồm vỏ ống thép và bê tông lõi cùng làm

việc chung (Hình 1.1). Cột CFT ngày càng được sử dụng rộng rãi do có nhiều ưu
điểm hơn so với cột thép và cột BTCT truyền thống về mặt kết cấu, thi công và kiến
trúc như sau [34]:
− Hiệu quả về mặt kết cấu:
+ Sự tương tác giữa ống thép và lõi bê tông: Lõi bê tông giúp giảm
nguy cơ xảy ra mất ổn định cục bộ và hạn chế sự suy giảm cường độ sau khi mất ổn
định cục bộ của ống thép; Cường độ chịu nén của bê tông được tăng lên do hiệu ứng
bó lõi bê tông của ống thép và sự suy giảm cường độ của lõi bê tông cũng không xảy
ra đột ngột do có vỏ thép ngăn sự nứt tách của bê tông; Những điều trên làm tăng
cường độ, độ dẻo dai và khả năng hấp thu năng lượng khi chịu động đất của cấu kiện;
+ Sự co ngót và từ biến của bê tông nhỏ hơn nhiều so với BTCT thông
thường;
+ Khả năng chống va đập của bề mặt cột cao.
− Hiệu quả về mặt thi công: Ống thép làm kiêm nhiệm vụ cốp pha và thường
không cần cốt thép; Thông thường cột ống thép được thi công trước để tạo hệ kết cấu
chắc chắn và ổn định thì bê tông mới được bơm nhồi vào nên có thể đẩy nhanh tốc
độ thi công và giảm chi phí làm sạch công trường.
− Khả năng chống cháy: Tốt hơn cột thép do có lõi bê tông ngăn cản sự tăng
nhiệt của vỏ thép khi chịu lửa.
− Cột CFT tiết diện nhỏ gọn nên tiết kiệm không gian sử dụng và cấu kiện
thanh mảnh nên có tính thẩm mỹ cao.


7

Lõi bê tông

Vỏ thép
a) Cột vuông, chữ nhật

b) Cột tròn

Hình 1.1: Cấu tạo điển hình của cột ống thép nhồi bê tông

Phân loại
Cấu tạo của cột CFT rất đa dạng. Dựa vào hình dạng và cấu tạo của mặt cắt
ngang, cột CFT được phân loại như sau:

Cột CFT đặc
Cột CFT đặc là loại cột CFT điển hình có cấu tạo gồm ống thép tiết diện rỗng
hình tròn, hình vuông, hình chữ nhật được nhồi bê tông đặc [17]. Trong một số trường
hợp do yêu cầu về mặt kiến trúc và cần có sự chịu lực khác nhau theo hai phương,
tiết diện ống thép có thể là hình đa giác, ô-van hay e-lip như Hình 1.2.
Ống thép

Ống thép

Bê tông

Bê tông

Ống thép
Bê tông

Ống thép

Bê tông

Bê tông

Ống thép

Bê tông

Ống thép

Hình 1.2: Cấu tạo cột CFT đặc [17]
Trong các trường hợp trên, cột tròn có tác động bó lõi bê tông tốt nhất trong


8

khi sự mất ổn định cục bộ dễ xảy ra đối với cột tiết diện vuông hoặc chữ nhật.

Cột CFT mặt cắt rỗng
Cột CFT mặt cắt rỗng có 2 lớp vỏ thép bọc mặt ngoài và mặt trong, kẹp ở giữa
là lớp lõi bê tông (Hình 1.3). Dạng cột này có khả năng chịu lực, độ cứng kháng uốn,
độ dẻo dai và khả năng chống cháy cao hơn so với cột CFT đặc, phù hợp với dạng
cột có tiết diện ngang lớn. Chiều dày vỏ và trọng lượng bản thân của cấu kiện loại
này cũng nhỏ hơn so với cột CFT đặc. Thêm nữa, các loại vật liệu khác nhau có thể
được sử dụng cho loại cột này để đảm bảo tính thẩm mỹ và khả năng chống ăn mòn,
ví dụ ống thép ngoài có thể dùng thép không gỉ trong khi ống thép trong vẫn dùng
thép thông thường [17].
Ống thép

Bê tông

Hình 1.3: Cấu tạo cột CFT mặt cắt rỗng [17]

Cột CFT được bọc BTCT
Cột CFT được bao bởi BTCT có cấu tạo gồm ống thép nhồi bê tông đặt bên
trong cột BTCT truyền thống (Hình 1.4). Ống thép đặt chìm ở phía trong sẽ làm tăng
sự bó lõi của bê tông bên trong và làm tăng khả năng chịu lực của cột. Phần BTCT
bọc bên ngoài tạo thành lớp chống cháy cho phần cột CFT bên trong làm cho khả
năng chống cháy của loại cấu kiện này tốt hơn cột CFT thông thường. Loại cột này
có thể liên kết dễ dàng với sàn phẳng BTCT hay sàn sườn BTCT hay dầm thép [17].
Bê tông

Ống thép

Cốt thép

Bê tông

Ống thép

Bê tông

Cốt thép

Hình 1.4: Cấu tạo cột CFT được bọc BTCT [17]


9

Cột CFT có gia cường bằng cốt thép, cốt cứng và sườn tăng cứng
Việc gia cường cốt thép và cốt cứng nằm bên trong ống thép (Hình 1.5) làm

tăng khả năng chịu lực của cột mà không làm thay đổi dạng tiết diện của cột. Trường
hợp cột có tiết diện lớn hoặc có vỏ thép thành mỏng làm bằng thép cường độ cao cần
bố trí các sườn tăng cứng, có thể hàn bên trong ống theo phương dọc trục hoặc hàn
vuông góc tiết diện ống, giúp giảm nguy cơ ổn định cục bộ của ống thép và làm tăng
thêm độ dẻo dai của cột [17].
Ống thép

Ống thép bên trong

Cốt cứng

Bê tông
Cốt thép

Sườn tăng cứng
Ống thép

Bê tông

Hình 1.5: Cấu tạo cột CFT được gia cường bằng cốt thép,
cốt cứng (thép hình) và sườn tăng cứng [17]

Một số công trình sử dụng cột CFT
Cột CFT có nhiều ưu điểm nên được sử dụng thay thế cho cột BTCT và cột
thép truyền thống trong giải pháp kết cấu công trình ở các nước như Anh, Nhật Bản,
Trung Quốc, Việt Nam… cho nhà dân dụng và công nghiệp, ga điện ngầm, tháp điện
cao thế, cột điện, cầu… Sau đây sẽ trình bày một số công trình nhà tiêu biểu.

Tòa nhà Fleet Place House (Anh)
Tòa nhà phức hợp Fleet Place House ở nước Anh gồm 8 tầng (Hình 1.6) sử

dụng cột ống thép tròn nhồi bê tông với đường kính ngoài của ống thép là 323.9 mm.
Độ dày của thành ống thép của tầng 1 là 30 mm, tầng 2 đến tầng 6 là 16 mm và các