Nghiên cứu khả năng chịu cắt tại liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bẹt bê tông cốt thép

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN QUANG KHẢI

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU CẮT TẠI
LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
VỚI DẦM BẸT BÊ TÔNG CỐT THÉP

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và công nghiệp
Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. ĐÀO NGỌC THẾ LỰC

Đà Nẵng - Năm 2018


LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Trần Quang Khải


MỤC LỤC

TRANG PHỤ BÌA
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
ANH MỤC C C ẢNG
ANH MỤC C C H NH
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ........................................................................... 1
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................... 2
5. Kết quả dự kiến ................................................................................................... 2
6. Bố cục của đề tài ................................................................................................. 2
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN CỘT CFST, DẦM BẸT BTCT, LIÊN KẾT GIỮA CỘT
CFST VỚI HỆ DẦM ....................................................................................................... 3
1.1. TỔNG QUAN VỀ CỘT CFST ........................................................................................ 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. Ƣu điểm, nhƣợc điểm của cột ống thép nhồi bê tông ................................... 7
1.1.4. Khả năng áp ụng ......................................................................................... 8
1.2. TỔNG QUAN VỀ SÀN PHẲNG KẾT HỢP DẦM BẸT BTCT ............................... 9
1.2.1. Sàn phẳng có dầm bẹt ................................................................................... 9
1.2.2. Ứng dụng sàn phẳng có dầm bẹt................................................................. 10
1.3. TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP LIÊN KẾT CỘT CFST VỚI DẦM BẸT BTCT12
1.3.1. Nghiên cứu của Nie (2008) và Bai (2008) ................................................. 12
1.3.2. Nghiên cứu của Qing Jun Chen (2015) ..................................................... 14
1.3.3. Nghiên cứu của H.Y.Yu (2013) ................................................................. 15
1.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ............................................................................................... 17
CHƢƠNG 2. NGHIÊN CỨU C C CƠ CHẾ TRUYỀN LỰC CẮT ........................... 18

2.1. C C CƠ CHẾ TRUYỀN LỰC CẮT QUA VẾT NỨT NGHIÊNG ........................ 18
2.2. SỰ CÀI KHÓA CỦA CÁC CỐT LIỆU ....................................................................... 19
2.3. KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA BÊ TÔNG VÙNG NÉN.......................................... 21
2.4. KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA CỐT ĐAI .................................................................. 22
2.5. ĐÓNG GÓP CỦA CỐT DỌC VÀO KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM.......... 23


2.6. HOẠT ĐỘNG CHỊU CẮT CỦA SHEAR-KEY......................................................... 25
2.7. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ............................................................................................... 26
CHƢƠNG 3. KHẢO SÁT LIÊN KẾT BẰNG THỰC NGHIỆM ................................ 27
3.1. CHẾ TẠO MẪU, THIẾT BỊ VÀ THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM ................................. 27
3.1.1. Cấu tạo liên kết cột CFST – dầm bẹt BTCT và thiết kế mẫu thí nghiệm ... 27
3.1.2. Chế tạo mẫu thí nghiệm .............................................................................. 29
3.1.3. Tiến hành đổ bê tông mẫu .......................................................................... 31
3.1.4. Thí nghiệm xác định cƣờng độ vật liệu ...................................................... 32
3.1.5. Thiết bị thí nghiệm...................................................................................... 35
3.1.6. Thiết lập, bố trí thí nghiệm ......................................................................... 39
3.1.7. Kết quả thí nghiệm và quan sát................................................................... 40
3.1.8. Tính toán xác minh lý thuyết tính toán ....................................................... 44
3.2. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 .............................................................................................. 27
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 50
CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ ( ẢN SAO)
BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC
PHẢN BIỆN.


TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU CẮT TẠI LIÊN KẾT
CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BẸT BÊ TÔNG CỐT THÉP
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số: 60.58.02.08, Khóa 33, Trƣờng Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng
Tóm tắt: Giải pháp kết cấu kết hợp cột ống thép nhồi bê tông (CFST) với dầm bẹt bê tông cốt thép
đƣợc sử dụng hiệu quả cho công trình nhà cao tầng với kích thƣớc nhịp lớn nhằm tăng độ cứng ngang,
giảm chiều dài tính toán cho kết cấu sàn đồng thời hạn chế chiều cao tầng so với dầm thông thƣờng.
Đối với hệ kết cấu dầm bẹt - cột CFST, sự làm việc liên tục giữa dầm và cột đƣợc kết nối bởi chốt thép
chịu cắt (shear – key).
Hiện nay, hầu hết các tiêu chuẩn chƣa đề cập đến việc tính toán khả năng chịu cắt tại vị trí liên kết
cột ống thép nhồi bê tông với dầm bẹt bê tông cốt thép và các nghiên cứu về vấn đề này còn rất ít. Cơ
chế truyền lực cắt tại vị trí liên kết chƣa đƣợc hiểu rõ. o đó, luận văn sẽ thực hiện phân tích ảnh
hƣởng của các cơ chế truyền lực cắt khác nhau đến khả năng chịu cắt của dầm bẹt tại vị trí liên kết từ
đó xác định sự đóng góp của từng cơ chế đến khả năng chịu cắt của dầm làm căn cứ cho việc đánh giá
và đề xuất các giải pháp nâng cao khả năng chịu cắt của dầm. Luận văn cũng thực hiện thí nghiệm ứng
xử chịu cắt của dầm tại liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bẹt bê tông cốt thép và kết quả tính
toán từ cơ chế truyền lực cắt sẽ đƣợc xác thực với kết quả thí nghiệm.
Từ khóa - Ống thép nhồi bê tông; bê tông cốt thép; cột, dầm bẹt, liên kết; các cơ chế truyền lực
cắt

Studying Shear Capacity In Concrete Filled Steel Tube
To Reinforcement Concrete Band Beam Connection
Abstract: The combination of concrete filled steel tube (CFST) column with reinforced concrete
(RC) band beams is effectively used for tall buildings with large spans to increase the horizontal
stiffness, to reduce the calculated length for the floor structure and to limit floor height compared to
normal beams. For band beam – CFST column structures, the continuous behavior between the beam
and the column is performed by shear-keys.
At present, most of the standards do not deal with the calculation of the cutting resistance at the
CFST column - RC beam connection and the studies on this issue are very few. The mechanism of
cutting force at the linking site is not well understood. This article analyzes the effect of different shear

transfer mechanisms on the punching shear of the beam at the connection, thereby determining the
contribution of each mechanism to the punching shear of the beam for evaluating and proposing
solutions to improve the punching shear capacity of the beam. This paper also conducts experiments
for evaluate the shear behavior of the beam at the connection of CFST columns with RC band beam.
These test results will be used to validate the proposed analysis.
Key words - Concrete Filled Steel Tube; reinforced concrete; column, band beam; connection; shear
transfer mechanisms.


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CFST : Concr t

ill

st l tu

(Ống th p nhồi ê tông

Vagg

: Khả năng kháng cắt của cơ chế cài khóa cốt liệu

Vch

: Khả năng kháng cắt của vùng nén bê tông

Vdow

: Khả năng kháng cắt của cốt dọc

Vsw,i

: Khả năng kháng cắt của cốt đai

Vv

: Khả năng kháng cắt của shear - key

Vtot

: Khả năng kháng cắt của cấu kiện

b

: Bề rộng cấu kiện

h

: Chiều cao cấu kiện
pu

w

: Cƣờng độ chịu nén của vữa
: Bề rộng vết nứt
: Độ trƣợt vết nứt

db

: Đƣờng kính cốt thép

Esw

: Mô đun đàn hồi của cốt đai

sw

: Hệ số đàn hồi

lcr

: Chiều dài vết nứt

f ys

: Cƣờng độ chịu uốn của cốt thép

s

ldow
dow

fct

: Ứng suất cắt
: Chiều ài đoạn cốt dọc bị võng
: Độ võng của cốt dọc
: Cƣờng độ bám dính của bê tông

c1
ch

Vch
ch

: Chiều dài lớp bê tông bảo vệ
: Ứng suất cắt tại vùng nén bê tông
: Lực cắt tại vùng nén bê tông
: Ứng suất pháp tại vùng nén bê tông

Nch

: Lực dọc tại vùng nén bê tông

c

: Chiều cao vùng nén bê tông
: Hệ số ma sát

b ,v

: Hệ số


DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

Tên bảng

Trang

3.1.

Kết quả thí nghiệm ê tông

35

3.2.

Kết quả thí nghiệm cốt th p

35

3.3.

Các thông số về vết nứt cắt

44

3.4.

Các thông số về cốt th p

44

3.5.

Các thông số về kích thƣớc mẫu thí nghiệm

45

3.6.

Khả năng chịu cắt của ầm th o các cơ chế truyền lực
cắt (kN

45


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu

Tên hình

Trang

1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
1.7.
1.8.
1.9.
1.10.
1.11.

1.12.

Cấu tạo cột ống th p nhồi ê tông
Mặt cắt điển hình cột ống th p nhồi ê tông
Cột ống th p nhồi ê tông với hai lớp ống th p
Cột CFST đƣợc ao ê tông (Concr t -encased CFST)
Cột CFST tăng cƣờng kết cấu th p và cốt th p gia cƣờng
CFST với sƣờn tăng cứng
Một số tiết iện tổ hợp từ cột CFST
Ví ụ về cầu đƣợc x y ựng ằng kết cấu CFST
Sàn phẳng có ầm ẹt
Công trình sử ụng sàn phẳng kết hợp ầm ẹt
Hình ạng liên kết đề xuất ởi Ni và ai
Thí nghiệm xác minh khả năng chịu lực ọc của liên kết
Thí nghiệm xác định khả năng chịu động đất đối với cột
giữa
Thí nghiệm xác định khả năng chịu động đất đối với cột
biên
Hệ thống ầm xuyên qua liên kết
Thí nghiệm mẫu nguyên hình và kiểm tra riêng vùng liên
kết
Cấu tạo của liên kết và thí nghiệm kiểm tra
Hình ạng phá hoại tại liên kết và tại ầm vòng
Hình ạng vết nứt khi ị phá hoại tại vùng liên kết và ầm
vòng
Cơ chế truyền lực cắt qua vết nứt nghiêng
Cơ chế cài khóa của các cốt liệu
Cơ chế chịu cắt của vùng n n ê tông
Cơ chế chịu cắt của cốt đai
Cơ chế chịu cắt của cốt ọc

Hoạt động chịu cắt của sh ar - key
Cấu tạo liên kết
Chọn kích thƣớc ầm
Chọn kích thƣớc ầm
Công tác lắp đặt cốt th p cho mẫu thí nghiệm
Công tác lắp đặt strain gaug vào cốt đai
ố trí cốt th p cho mẫu và vị trí, kí hiệu Strain gaug

3
4
4
5
5
6
6
8
9
11
12
13

1.13.
1.14.
1.15.
1.16.
1.17.
1.18.
1.19.
2.1.
2.2.

2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.

13
14
14
15
16
16
17
18
20
21
23
24
25
27
28
29
29
30
30

Số hiệu
3.7.
3.8.
3.9.
3.10.
3.11.
3.12.
3.13.
3.14.
3.15.
3.16.
3.17.
3.18.
3.19.
3.20.
3.21.
3.22.
3.23.
3.24.
3.25.
3.26.
3.27.
3.28.
3.29.
3.30.

Tên hình
Mẫu thí nghiệm sau khi hoàn thành công tác chế tạo

Đổ ê tông cho mẫu thí nghiệm
Mẫu thí nghiệm sau khi hoàn thành công tác đổ ê tông
Công tác lấy mẫu ê tông 150x150mm để thí nghiệm
Công tác lấy mẫu ê tông 150x300mm để thí nghiệm
Thí nghiệm mẫu ê tông 150x300mm
Thí nghiệm mẫu ê tông 150x150mm
Thí nghiệm cƣờng độ cốt th p
Cảm iến đo iến ạng (strain gaug s
Cảm iến đo chuyển vị LV T
Máy ơm ầu ùng cho thí nghiệm
Kích thủy lực 250 (tấn
Sơ đồ ố trí thí nghiệm
Thiết lập thí nghiệm
Hệ thống thu các ữ liệu từ cảm iến
Sự phát triển vết nứt tại cấp tải 300kN
Sự phát triển vết nứt tại cấp tải 400kN
Sự phát triển vết nứt tại cấp tải 500kN
Sự phát triển vết nứt tại cấp tải 628kN
Đồ thị tải trọng – chuyển vị
Đồ thị iến ạng của cốt đai
Sự ph n ố vết nứt trên ầm khi ị phá hoại
iểu đồ thể hiện sự đóng góp của từng cơ chế
iểu đồ thể hiện khả năng kháng cắt th o lý thuyết và thí
nghiệm

Trang
31
31
32
32

33
33
34
34
36
37
38
38
39
39
40
41
41
42
42
43
43
44
45
46


1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, xu hƣớng xây dựng nhà cao tầng ngày càng đƣợc sử dụng nhiều ở Việt
Nam. Một hệ kết cấu hợp lý sẽ đ m lại ý nghĩa lớn về mặt kĩ thuật và hiệu quả sử dụng
cho công trình. Kết cấu sàn phẳng bê tông cốt th p ( TCT đƣợc xem là giải pháp sàn

hiệu quả vì nó làm giảm đƣợc chiều cao tầng, tăng số tầng sử dụng cũng nhƣ thuận
tiện cho thi công đẩy nhanh tiến độ xây dựng, thuận lợi cho việc bố trí đƣờng ống thiết
bị kĩ thuật, dễ dàng thông gió và linh hoạt bố trí mặt bằng so với kết cấu sàn có dầm.
Đối với nhà nhiều tầng, khi nhà càng cao và nhịp khung lớn thì lực dọc trong cột
sẽ càng lớn. Nếu sử dụng giải pháp kết cấu bê tông cốt th p thông thƣờng thì kích
thƣớc cột sẽ rất lớn ảnh hƣởng đến mặt bằng kiến trúc cũng nhƣ không gian sử dụng
công trình, giải pháp cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube - CFST) sẽ
là lựa chọn hợp lý để thay thế cột bê tông cốt thép truyền thống vì những ƣu điểm vƣợt
trội về mặt kĩ thuật nhƣ độ cứng lớn, cƣờng độ cao, độ dẻo và khả năng ph n tán năng
lƣợng lớn, về mặt công nghệ cột ống thép nhồi bê tông dễ dàng thi công và không tốn
coffa, rút ngắn đƣợc thời gian thi công x y ựng công trình.
Từ phân tích trên, ta thấy việc kết hợp hai loại kết cấu sàn phẳng BTCT và cột
ống thép nhồi bê tông cho kết cấu nhà cao tầng sẽ đ m lại hiệu quả cao về mặt kinh tế,
kĩ thuật. Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất khi kết hợp hai loại kết cấu này đấy là liên kết.
Việc liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép phức tạp,
ứng xử của liên kết chƣa đƣợc hiểu rõ. Hiện nay, các nghiên cứu chỉ thực hiện cho liên
kết cột giữa với sàn phẳng TCT và chƣa thấy nghiên cứu đề cập đến liên kết giữa cột
biên CFST và sàn phẳng

TCT.

o đó, việc nghiên cứu liên kết cột biên CFST với

sàn phẳng bê tông cốt thép là cần thiết để đƣa ra các giải pháp cấu tạo, khảo sát các
ứng xử, trạng thái làm việc cũng nhƣ cơ chế truyền lực nhằm áp dụng hiệu quả hệ kết
cấu sàn phẳng BTCT và cột ống thép nhồi bê tông trong xây dựng nhà cao tầng hiện
nay. Đấy là lý o để thực hiện luận văn với đề tài: “Nghiên cứu khả năng chịu cắt tại
liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bẹt bê tông cốt thép”.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu tổng quan về cột CFST, dầm bẹt bê tông cốt thép; liên kết giữa cột

CFST với hệ dầm;


2

Nghiên cứu tìm hiểu các cơ chế truyền lực cắt đóng góp vào khả năng kháng cắt
của cấu kiện và công thức tính toán của từng cơ chế;
Tiến hành thiết kế, chế tạo mẫu và thực hiện thí nghiệm mẫu liên kết cột CFST
với dầm bẹt TCT để xác minh khả năng làm việc của liên kết giữa lý thuyết và thực
nghiệm.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu: Mối liên kết giữa cột CFST và dầm bẹt BTCT.
Phạm vi nghiên cứu: Khả năng chịu cắt tại liên kết giữa cột CFST với dầm bẹt
BTCT.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết tính toán; nghiên cứu thực nghiệm.
5. Kết quả dự kiến
Đƣa ra chỉ dẫn tính toán;
Đánh giá tính hiệu quả của liên kết cột CFST với dầm bẹt BTCT bằng thực
nghiệm.
6. Bố cục của đề tài
Mở đầu:
1. Tính cấp thiết của đề tài
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
5. Kết quả dự kiến
Chƣơng 1: Tổng quan về kết cấu cột CFST, dầm bẹt bê tông cốt thép, liên kết
giữa cột CFST với hệ dầm.
Chƣơng 2: Nghiên cứu các cơ chế truyền lực cắt.

Chƣơng 3: Khảo sát liên kết bằng thực nghiệm.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ


3

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN CỘT CFST, DẦM BẸT BTCT, LIÊN KẾT GIỮA CỘT
CFST VỚI HỆ DẦM

1.1. TỔNG QUAN VỀ CỘT CFST
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
1.1).
Loõi beâtoâng

Loõi beâtoâng

a

OÁng theùp

a

A

A

B

B-B

B

D

A-A

Hình 1.1. Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tông
Nhƣ đã iết, cƣờng độ chịu nén của bê tông lớn hơn rất nhiều so với cƣờng độ
chịu k o và cƣờng độ chịu nén của bê tông sẽ đƣợc tăng lên khi ê tông ị hạn chế nở
hông. Đối với kết cấu thép, cƣờng độ chịu k o cao nhƣng ễ bị mất ổn định cục bộ
ƣới tải trọng nén. Trong loại kết cấu cột CFST, cốt th p và ê tông đƣợc 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 ƣu điểm. Loại kết cấu này hiện đang đƣợc nghiên cứu áp dụng cho công trình
nhà, xƣởng, các công trình cầu đƣờng 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 ạng.
cấu tạo cho họ cột này.

ƣới đ y là một số dạng


4

Dạng tiết diện phổ biến nhất của cột CFST là tiết diện mà ê tơng đƣợc nhồi vào
phần rỗng bên trong ống thép có dạng hình tròn (Circular Hollow Section - CHS), hay
cột có tiết diện rỗng hình vng (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 tơng là lớn nhất và bất ổn định cục bộ hầu nhƣ xuất
hiện đối với tiết diện hình vng và chữ nhật. Tuy nhiên cột CFST với các tiết diện
SHS và RHS vẫn tiếp tục đƣợc sử dụng nhiều trong xây dựng với những ƣu điểm riêng
của nó. Những dạng tiết diện ngang khác cũng đƣợc sử dụng cho mục đích nghệ thuật
nhƣ ạng đa giác, ạng lip… (Hình 1.2 .
Ống thép

Lõi bêtông

a

Lõi bêtông

Lõi bêtông

a

D
Ống thép

Lõi bêtông

Ống thép

a

Ống thép

b
Ống thép

Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

Hình 1.2. Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tơng
Một dạng khác của cột CFST là cột có tiết diện với hai lớp ống thép trong và
ngồi đƣợc gọi là cột ống thép nhồi bê tơng với hai lớp ống thép. Tiết diện cột bao
gồm ống thép trong và ống th p ngồi, ê tơng đƣợc nhồi vào giữa hai ống thép (Hình
1.3). Với cấu tạo mặt cắt nhƣ thế này, cột sẽ có độ cứng chống uốn lớn, cƣờng độ cao,
khả năng chống cháy tốt hơn và tránh đƣợc sự bất ổn định đối với cấu kiện khi chịu tác
động của áp lực bên ngồi. Dạng cột này có thể là lựa chọn tối ƣu khi thiết kế những
cấu kiện với tiết diện ngang lớn.
Ống thép

Ống thép

Lõi bêtông

Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

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

Ống thép

Lõi bêtông


5

Một trƣờng hợp khác của kết cấu CFST là sử dụng bê tơng cốt thép truyền thống
để bao bọc CFST nhƣ Hình 1.4. Cấu tạo tiết diện gồm ống th p ên trong đƣợc lắp đặt
trƣớc tiếp theo là lắp đặt các hệ th p gia cƣờng, lớp bê tơng bên trong và bên ngồi
đƣợc đổ sau đó. Việc nhồi bê tơng vào trong ống sẽ làm tăng tối đa khả năng giam
hãm ê tơng n ng cao cƣờng độ tới hạn của tiết diện. Bê tơng cốt thép bao bọc bên
ngồi tạo thành một lớp chống cháy cho lõi ên trong, o đó khả năng chống cháy của
loại cột này đƣợc tăng đáng kể so với cột CFST truyền thống. Ngồi ra, loại cột này
còn có khả năng kháng ất ổn định cục bộ, chống ăn mòn 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

Ống thép

Cốt thép
mềm

Bêtông

Ống thép

Cốt thép
mềm

Bêtông

Cốt thép
mềm

Hình 1.4. Cột CFST được bao bê tơng (Concrete-encased CFST)
Kết cấu thép và kết cấu th p gia cƣờng ln ln đƣợc sử dụng để tăng sức
kháng tải của cấu kiện CFST mơ tả ở Hình 1.5. Mặt cắt kết cấu th p đóng góp lớn vào
khả năng chịu lực của cột mà khơng làm thay đổi dạng tiết diện cột. Sự đóng góp đến
khả năng chịu lực của cột có thể đƣợc x m x t nhƣ khả năng kết hợp của kết cấu thép
với những phần của cột CFST.
Cốt thép hình

Ống thép

Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

Cốt thép mềm

Lõi bêtông

Hình 1.5. Cột CFST tăng cường kết cấu thép và cốt thép gia cường
Trong cột CFST thơng thƣờng, bất ổn định cục bộ của ống th p thơng thƣờng
xuất hiện sau khi tiết diện liên hợp đạt đến cƣờng độ tới hạn. Điều này có thể là một
vấn đề quan trọng cho sự phát triển và ứng dụng ống thành mỏng với th p cƣờng độ
cao. Những sƣờn tăng cứng ngang và dọc có thể đƣợc hàn vào ống th p để cải thiện


6

cƣờng độ và độ dẻo của cột liên hợp. Đối với cột có tiết diện ngang lớn, các sƣờn tăng
cứng có thể hàn vào mặt trong của ống. Các thanh nối cũng có thể đƣợc hàn nối các
sƣờn gia cƣờng nhƣ Hình 1.6. Hiệu quả của sƣờn tăng cứng trong việc trì hỗn bất ổn
định cục bộ của ống th p đã đƣợc kiểm tra bằng những nghiên cứu thực nghiệm.
Thanh nối

Sườn tăng cứng

Sườn tăng cứng

Ống thép

Ống thép

Lõi bêtông

Lõi bêtông

Hình 1.6. CFST với sườn tăng cứng
Ngồi ra, với các kết cấu u cầu khả năng chịu lực lớn, độ cứng lớn có thể tổ
hợp các cột CFST riêng lẻ thành các dạng kết cấu CFST tổ hợp để phát huy các ƣu
điểm của kết cấu thép bê tơng liên hợp nhƣ 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 vòm trong
cầu. Những loại tiết diện này cũng đã đƣợc sử dụng cho các kết cấu nhà cao tầng cũng
nhƣ kết cấu cầu ở Trung Quốc.
CFST

Bêtông

CFST

CFST

Tấm thép

CFST

Mối hàn
CFST

(a)

(b)

CFST

Ống thép

rỗng

CFST

Kết cấu BTCT

Ống thép
rỗng

(c)

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

(d)

CFST


7

1.1.3. Ƣu điểm, nhƣợc điểm của cột ống thép nhồi bê tông
a. Ưu điểm
Độ bền của lõi bê tông (lớp vỏ thép với chức năng nhƣ lớp áo bọc chặt bên
ngoài đã đƣợc tăng khoảng 2 lần so với độ bền của ê tông thƣờng;
Cách sắp xếp vật liệu trên trên mặt cắt ngang làm tối ƣu cƣờng độ và độ cứng của
cấu kiện. Cốt th p đƣợc phân bố ở chu vi ngoài cùng của tiết diện nên phát huy hiệu
quả làm việc cao nhất khi chịu mô men uốn. Bê tông tạo một lõi lý tƣởng để chống lại
tải trọng nén trong quá trình làm việc, trì hoãn và chống lại sự bất ổn định cục bộ của
ống th p đặc biệt các cấu kiện có tiết diện hình vuông hoặc chữ nhật. Ngoài ra, ống
thép cản trở biến dạng nở hông của lõi ê tông làm tăng cƣờng độ chịu n n và độ dẻo

ai đối với cấu kiện CFST;
Việc nhồi bê tông vào trong ống th p làm n ng cao độ chống ăn mòn ên trong
ống thép, làm giảm độ mảnh, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng
khả năng chống móp méo của vỏ ống th p khi va đập;
Giá thành tổng thể của công trình làm bằng kết cấu ống thép nhồi bê tông nói
chung nhỏ hơn nhiều so với giá thành của công trình tƣơng tự làm bằng kết cấu bê
tông cốt thép hay kết cấu th p thông thƣờng. Khối lƣợng của kết cấu ống thép nhồi bê
tông nhỏ hơn so với kết cấu bê tông o đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ àng hơn
đồng thời làm giảm tải trọng xuống móng. Kết cấu ống thép nhồi bê tông kinh tế hơn
so với kết cấu bê tông cốt thép vì không cần ván khuôn, giá vòm, đai kẹp và các chi
tiết đặt sẵn, nó có sức chịu đựng tốt hơn ít hƣ hỏng o va đập. Do không có cốt chịu
lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tông với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỉ lệ N/X có
thể lấy nhỏ hơn và sẽ dễ àng đạt chất lƣợng ê tông cao hơn.
b. Nhược điểm
Một cấu kiện CFST bao gồm hai vật liệu với sự khác nhau về đƣờng cong ứng
suất-biến dạng và ứng xử cũng có sự khác biệt rõ rệt. Sự tƣơng tác giữa hai vật liệu
này đặt ra một bài toán khó trong việc xác định thuộc tính kết hợp nhƣ mô m n quán
tính, mô ul đàn hồi;
Cơ chế phá hoại cấu kiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ hình ạng, chiều dài,
đƣờng kính, chiều dày ống th p, cƣờng độ th p và cƣờng 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 ƣ, hiện tƣợng từ biến, sự co ngót và các dạng tải trọng làm phức


8

tạp thêm sự phân tích và thiết kế đối với cấu kiện CFST;
Một hạn chế nữa ảnh hƣởng 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 chƣa đƣợc hiểu rõ o đó g y

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 đƣợc nghiên cứu để
dần hoàn thiện các yêu cầu về mặt cấu tạo, lý thuyết tính toán cũng nhƣ nhận thức sâu
hơn về ứng xử của loại kết cấu này.
1.1.4. Khả năng áp dụng
Kết cấu ống th p nhồi bê tông đƣợc ứng ụng rộng rãi cho rất nhiều lĩnh vực
nhƣ nhà dân ụng và công nghiệp, cầu đƣờng, giàn khoan dầu...
Trong lĩnh vực xây ựng dân ụng, loại kết cấu này đƣợc áp ụng khá nhiều
cho cấu kiện chịu lực chính nhƣ hệ móng cọc, các cột đ của toà nhà cao tầng. Các
công trình nhà ở tại thành phố Ko

đƣợc xây dựng nhằm chống lại những tác động lớn

từ động đất và kết cấu CFST đáp ứng đƣợc điều này. Hiện nay, việc xây ựng cầu qua
các sông rộng và sâu, có nhu cầu lƣu thông đƣờng thu lớn và điều kiện địa chất
phức tạp đang đòi hỏi phải sử ụng các loại nhịp lớn khẩu độ hàng trăm m t. Với
các kích thƣớc nhƣ 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 ựng cũng nhƣ 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 n n chính nhƣ vòm chính của cầu vòm, thanh mạ cong
trong cầu dàn, hệ móng cọc của kết cấu trụ, thân trụ sẽ đáp ứng đƣợc yêu cầu về
chịu lực cao, độ cứng lớn vừa đáp ứng đƣợc việc giảm trọng lƣợng bản thân kết cấu.

Hình 1.8.

d về c u được ây dựng b ng ết cấu CFST


9

Trong lĩnh vực xây ựng dầu khí, năm 1989 tại 2 dàn khoan dầu ở biển Đen và
biển Azov của Liên Xô đã sử ụng cấu kiện mặt cắt rỗng tổ hợp 3 loại vật liệu th p
- bê tông làm các trụ đ chính của dàn khoan, nhờ đó giảm đƣợc 30% lƣợng th p so
với dàn khoan bằng th p cùng loại; hơn nữa, phần rỗng còn đƣợc ùng để lắp các
thiết ị công nghệ và cáp thông tin.
1.2. TỔNG QUAN VỀ SÀN PHẲNG KẾT HỢP DẦM BẸT BTCT
Với xu hƣớng phát triển của công nghệ cũng nhƣ yêu cầu về mặt kiến trúc, thẩm
mỹ kinh tế cho công trình thì hệ kết cấu sàn sƣờn truyền thống dần dần đƣợc thay thế
bởi hệ sàn phẳng không dầm với nhiều ƣu điểm nổi trội nhƣ tạo ra không gian sử ụng
linh hoạt, ễ àng cho việc ố trí không gian sử ụng phù hợp với công năng của công
trình, giảm số lƣợng cột, chiều cao thông thu hợp lý, ễ àng đáp ứng các yêu cầu ố
trí hệ kĩ thuật. ƣới đ y sẽ giới thiệu tổng quan về sàn phẳng kết hợp dầm bẹt đƣợc sử
dụng ở Việt Nam.
1.2.1. Sàn phẳng có dầm bẹt
Với các kết cấu nhịp lớn có thể nối các mũ cột của sàn phẳng thành các ăng
(dải) liên tục gọi là sàn dải - bản hay còn gọi là sàn phẳng có dầm bẹt. Dầm có chiều
dài tiết diện thấp, bề rộng dầm lớn hơn nhiều so với chiều cao dầm. Dầm đƣợc bố trí
th o 1 phƣơng hay 2 phƣơng tùy thuộc vào hệ lƣới cột sàn.

Hình 1.9. Sàn phẳng có d m bẹt


10

Ƣu điểm: Tiết kiệm vật liệu, tăng đƣợc số tầng, tạo đƣợc không gian lớn với kết
cấu thanh mảnh, trần phẳng không cần làm thêm trần treo che kết cấu, giải quyết cơ
bản vƣớng mắc giữa yêu cầu công năng sử ụng trong thiết kế kiến trúc và giải pháp
kết cấu phù hợp.
Tuy nhiên khi dùng hệ kết cấu này điều quan trọng là tìm bề rộng phù hợp của
dầm bẹt nhằm thõa mãn sự làm việc đồng thời của dầm và sàn, nhằm hạn chế độ võng

của sàn. Cần xét ảnh hƣởng của hệ sàn có dầm bẹt đến độ cứng ngang của công trình ,
đặc biệt là kết cấu nhà cao tầng.
Thích hợp với nhịp sàn <= 9m, nhịp dầm <= 15m
Việc nghiên cứu về dầm bẹt cũng nhƣ ề rộng của dầm bẹt chƣa đƣợc đề cập
nhiều trong các nghiên cứu trƣớc đ y và các tiêu chuẩn. Theo Ed cross – Postten
sionning in building structures thì bề rộng dầm bẹt có thể chọn sơ ộ trong khoảng
(0,15 - 0,25 ln trong đó ln là kích thƣớc nhịp th o phƣơng vuông góc với trục dầm.
Theo TCXDVN 375-2006, quy định bề rộng dầm cần đảm bảo theo yêu cầu kháng
chấn, theo công thức:
Bw<= min (bc+hw, 2bc)
Trong đó:
- c: kích thƣớc tiết diện ngang của cột (kích thƣớc cột lớn nhất).
- Bw, hw: chiều rộng và chiều cao dầm.
1.2.2. Ứng dụng sàn phẳng có dầm bẹt
Nhƣ đã ph n tích ở trên, o giải quyết đƣợc vƣớng mắc giữa yêu cầu công năng
sử ụng trong thiết kế kiến trúc và kết cấu nên sàn phẳng có ầm ẹt đang đƣợc sử
ụng ngày càng rộng rãi. Một số công trình tiêu iểu ở Đà Nẵng sử ụng hệ sàn phẳng
có ầm ẹt nhƣ:

Công trình Indochina Riverside Tower
+ Địa điểm xây dựng: Số 74 đƣờng Bạch Đằng (tiếp giáp 3 mặt tiền đƣờng Bạch
Đằng – Phan Đình Phùng – Trần Phú), Quận Hải Châu.
+ Chủ đầu tƣ: Công ty TNHH In ochina Riv rsi
+ Đơn vị thiết kế: Kiến trúc sƣ

tow r.

n Woo và công ty Gravity Partn rship (thiết

kế kiến trúc).

+ Công trình là khu thƣơng mại, dịch vụ, giải trí, văn phòng cho thuê và căn hộ,
gồm 3 khối: Khối ch n đế Podium, khối office và khối Apartment.
+ Khối office là nhà có 12 tầng, chiều cao 66m. Móng cọc khoan nhồi. Kết cấu
công trình là hệ khung kết hợp lõi cứng bê tông cốt thép chịu lực ƣớc cột chính 8,4 x


11

8,4 m. Vách, lõi có chiều dày 200mm, 300mm, 450 mm. Sàn thiết kế th o phƣơng án
sàn sƣờn toàn khối dày 220 mm. Hệ dầm bẹt th o phƣơng ngang nhà có kích thƣớc
1500 x 500 mm, 1200 x 500 mm.
+ Khối Apartment là nhà có 24 tầng, chiều cao 95,3 m. Móng cọc khoan nhồi.
Kết cấu công trình là hệ khung kết hợp lõi cứng bê tông cốt thép chịu lực.

ƣớc cột

chính 6,6 x 6,9 m. Vách, lõi có chiều dày 200, 300, 450 mm. Sàn thiết kế th o phƣơng
án sàn sƣờn toàn khối dày 220 mm; hệ dầm bẹt th o phƣơng ngang nhà có kích thƣớc
1000 x 450, 1000 x 400 mm.

a) Indochina Riverside Tower

b) Trung tâm CN ph n mềm N

Hình 1.10. Công trình sử d ng sàn phẳng kết hợp d m bẹt

Trung tâm công nghệ phần mềm Đà Nẵng
+ Địa điểm x y ựng: Số 02 đƣờng Quang Trung, Quận Hải Ch u.
+ Chủ đầu tƣ: Sở Khoa học Công nghệ Môi trƣờng.
+ Đơn vị thiết kế: Công ty tƣ vấn thiết kế x y ựng Đà Nẵng C C.

+ Công trình là nhà có 20 tầng và 1 tầng hầm, chiều cao 74,2 m. Móng cọc khoan
nhồi. Kết cấu khung kết hợp lõi thang máy ằng bê tông cốt th p ƣớc cột chính 8 x
9,3 m. Vách, lõi cứng bê tông cốt th p có chiều ày 200, 300 mm. Sàn sƣờn toàn khối
có chiều ày 150 mm. Hệ ầm có các kích thƣớc: 1000 x 500 mm, 800 x 600 mm,
600 x 600 mm.
Ngoài ra một số công trình khác sử ụng ầm ẹt gia cƣờng cho sàn ứng lực
trƣớc nhƣ Novot l Hot l, Vĩnh Trung plaza, Gr n Plaza Hot l…


12

1.3. TỔNG QUAN CÁC GIẢI PHÁP LIÊN KẾT CỘT CFST VỚI DẦM BẸT BTCT
Nghiên cứu về khung gồm cột CFST và ầm bê tông cốt th p chƣa đƣợc nghiên
cứu phổ iến nhƣ khung gồm cột CFST với ầm th p hình. Một số nghiên cứu gần đ y
của Ni (2008 [1] và Bai (2008) [2], Qing Jun Chen (2015) [3], H.Y. Yu (2013) [4],
D.V Bompa (2015) [5] đã góp phần làm sáng tỏ về loại liên kết này đồng thời cung
cấp các ữ liệu quý giá làm nên tảng cho các nghiên cứu s u hơn về loại liên kết này
trong tƣơng lai.
1.3.1. Nghiên cứu của Nie (2008) [1] và Bai (2008) [2]
Nie (2008) [1] và Bai (2008) [2] đã phát triển một hệ thống liên kết gồm cột
CFST đƣợc ọc ên trong cột bê tông cốt th p và ầm bê tông cốt th p sẽ đi xuyên qua
vị trí liên kết.
Trong nghiên cứu này, tại vị trí liên kết cột - ầm o ống th p ị gián đoạn, một
ầm vòng gia cƣờng ring- am

ằng bê tông cốt th p đã đƣợc sử ụng nhằm mục

đích cung cấp một hiệu ứng hạn chế nở hông cho vùng bê tông lõi. Vì thế khả năng
chịu lực ọc của cột tại vị trí liên kết đƣợc đảm ảo.

Hình 1.11. Hình dạng liên kết đề xuất bởi Nie và Bai


13

Để đánh giá sự hiệu quả và nghiên cứu ứng xử của liên kết. Ni (2008 [1] và Bai
(2008) [2] đã tiến hành 2 thí nghiệm kiểm tra liên kết:
(1 Thí nghiệm xác định khả năng chịu lực n n ọc của liên kết. Các tham số
nghiên cứu là tỉ lệ th p ọc trong ầm vòng gia cƣờng và iện tích mặt cắt ngang của
ầm vòng gia cƣờng, iện tích của cột, chiều ày của ống th p.
(2 Thí nghiệm xác định khả năng chịu tải trọng động đất của liên kết. Liên kết
ầm bê tông - cột CFST đối với cột tại vị trí giữa nhà và cột iên đã đƣợc tiến hành
nghiên cứu nhằm xác định ứng xử động đất và khả năng ph n tán năng lƣợng của
liên kết.

Hình 1.12. Thí nghiệm xác minh khả năng chịu lực dọc của liên kết

Hình 1.13. Thí nghiệm ác định khả năng chịu động đất đối với cột giữa


14

Hình 1.14. Thí nghiệm ác định khả năng chịu động đất đối với cột biên
1.3.2. Nghiên cứu của Qing Jun Chen (2015) [3]
Qing Jun Chen (2015) [3] đã giới thiệu một kiểu liên kết cột CFST với ầm bê
tông cốt th p và liên kết này đã đƣợc áp ụng tại tầng hầm của một tòa nhà cao tầng ở
Quảng Ch u, Trung Quốc.
Trong hệ thống này, ống th p ị gián đoạn tại vị trí liên kết ầm - cột, và th p
ọc ầm sẽ xuyên qua vùng kết nối.

ầm vòng ring- am

ằng bê tông cốt th p

đƣợc sử ụng để ù đắp cho sự suy giảm khả năng chịu lực n n ọc o sự gián đoạn
của ống th p.
Qing Jun Chen (2014) [3] đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm và ph n tích
nghiên cứu cho ứng xử động đất của loại liên kết này. Lợi ích của kiểu kết nối này khi
ứng xử động đất đã đƣợc chứng minh trong các kiểm tra. Tuy nhiên việc điều tra ứng
xử của liên kết chịu ảnh hƣởng của lực ọc cũng rất cần thiết. Ví ụ nhƣ liên kết này
đặt tại tầng hầm của một tòa nhà cao tầng, nó chịu một lực n n ọc rất lớn.

Hình 1.15. Hệ thống d m xuyên qua liên kết


15

Thí nghiệm của Qing Jun Ch n (2015 [3] tập trung vào nghiên cứu ứng xử của
kết nối ƣới tác ụng của lực ọc trục. Hai tập hợp mẫu đã đƣợc nghiên cứu. Trong
tập hợp mẫu đầu tiên gồm 5 mẫu với tỉ lệ nguyên hình ùng để kiểm tra chính xác khả
năng chịu lực ọc của kiểu kết nối này. Trong tập hợp mẫu thứ 2 ao gồm 27 mẫu với
chỉ riêng vùng kết nối, để điều tra cƣờng độ giới hạn của kết nối, x m x t các yếu tố
ảnh hƣởng đến khả năng chịu lực của kết nối. Một công thức để ự đoán cƣờng độ
chịu n n giới hạn của kết nối đƣợc đề xuất và đƣợc tiến hành so sánh với các ữ liệu
thực nghiệm.

Hình 1.16. Thí nghiệm mẫu nguyên hình và kiểm tra riêng vùng liên kết
1.3.3. Nghiên cứu của H.Y.Yu (2013) [4]
Nhận thấy khả năng chịu lực của các liên kết ƣới tác ụng của động đất là rất
quan trọng cho toàn ộ công trình, với việc x m x t cơ chế mạnh liên kết - yếu các

thành viên" H.Y. Yu (2013) [4] đề xuất một loại liên kết mới nhằm mục đích tăng
cƣờng khả năng chịu lực tại các vị trí quan trọng.
Trong liên kết này, th o chiều ọc, liên kết gồm lớp bê tông cốt th p ên ngoài
ọc cột CFST ên trong (RC CFSTL , và th o chiều ngang, liên kết sử ụng ầm