Luận văn thạc sĩ mô phỏng ứng xử liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THÀNH NHÂN

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT
CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI
SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG
VÀ CƠNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THÀNH NHÂN

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT
CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình Dân dụng và Cơng nghiệp
Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

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

Đà Nẵng – Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng 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 cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn

Nguyễn Thành Nhân


MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI
SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
Học viên: Nguyễn Thành Nhân
Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình DD&CN.
Mã số: 60.58.02.08 Khóa: K31 Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt - Hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST- Concrete Filled Steel Tube) với
sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) là giải pháp kết cấu mới với tiềm năng ứng dụng lớn
cho cơng trình nhà cao tầng. Tuy nhiên, để đảm bảo sự làm việc chung của hệ kết cấu cần
phải giải quyết mối liên kết sàn – cột. Các nghiên cứu hiện nay về liên kết chủ yếu là thực
nghiệm, chƣa có nhiều các mơ phỏng số để phân tích liên kết. Trong luận văn này sử dụng
phần mềm ABAQUS để mô phỏng cấu tạo và phân tích trạng thái làm việc của liên kết
sàn phẳng BTCT-cột CFST. Kết quả phân tích sẽ đƣợc xác minh với thí nghiệm để đánh
giá tính chính xác của việc mô phỏng bằng ABAQUS. Từ kết quả mô phỏng bằng phần
mềm ABAQUS, ngƣời kỹ sƣ thiết kế hoặc các nhà nghiên cứu có thể tiến hành các khảo
sát chi tiết hơn về ứng xử của liên kết, khảo sát ảnh hƣởng của các tham số đến sự làm
việc của liên kết để tìm ra liên kết hợp lý hơn và đây cũng là công cụ hiệu quả cho phép

ngƣời kỹ sƣ đi phân tích, thiết kế kết cấu tƣơng tự cũng nhƣ kết cấu có phức tạp cao hơn
bằng ABAQUS.
Từ khóa - Cột ống thép nhồi bê tơng; CFST(CFT); sàn phẳng BTCT; ABAQUS; liên kết.
Abstract - Concrete filled steel tube column and reinforced concrete plate slab structures
is new structural method with great potential application to high rise buildings. However,
to ensure the overall work of the structure, it is necessary to solve the slab -column
connection. Today, the researches on reinforced concrete (RC) plate slab – CFST column
connection mainly focus on experiment, not many simulations for connection analysis.
This thesis uses ABAQUS software to simulate RC plate slab - CFST column
connections. The results of the analysis will be verified with experiments to evaluate the
accuracy of ABAQUS simulation. Result of modeling using ABAQUS, designer and
researcher can make more detailed investigations of connections behavior, investigate the
effect of the parameters on the working of the connection to find more reasonable
connection and also an effective tool that allows engineers to analyze, design similar
structure as well as structure with higher complexity using ABAQUS.
Key word - Concrete filled steel tube column; CFST(CFT); Reinforced concrete plate slab;
ABAQUS; connection.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ...........................................................................1
3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu ..........................................................................2
4. Phƣơng pháp nghiên cứu ....................................................................................2

5. Kết quả dự kiến ...................................................................................................2
6. Bố cục đề bài.......................................................................................................2
CHƢƠNG 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. Ƣu điểm, nhƣợc điểm của cột ống thép nhồi bê tông ...................................6
1.1.4. hả năng áp dụng ......................................................................................... 7
1.2. TỔNG QUAN CÁC LOẠI SÀN PHẲNG BTCT....................................................8
1.2.1. Sàn phẳng BTCT thƣờng ..............................................................................8
1.2.2. Sàn phẳng bê tông ứng suất trƣớc.................................................................9
1.2.3. Sàn Bubbledeck .......................................................................................... 10
1.2.4. Sàn U-boot Beton........................................................................................ 12
1.3. TỔNG QUAN VỀ LIÊN KẾT GIỮA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI
SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ..........................................................................13
1.4. TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI SÀN
PHẲNG BTCT ..............................................................................................................17
1.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ....................................................................................... 21
CHƢƠNG 2 MÔ PHỎNG SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT BẰNG ABAQUS ..23
2.1. MÔ TẢ VỀ LIÊN KẾT .......................................................................................... 23
2.2. MÔ PHỎNG LIÊN KẾT BẰNG ABAQUS .......................................................... 24
2.2.1. Giới thiệu về phần mềm ABAQUS ............................................................ 24
2.2.2. Xây dựng mơ hình cho liên kết...................................................................24


2.2.3. Mơ hình vật liệu trong Abaqus ...................................................................25
2.2.4. Gán điều kiện biên cho kết cấu ...................................................................29
2.3. TRÌNH TỰ THỰC HIỆN CÁC BƢỚC MÔ PHỎNG TRONG ABAQUS ..........29
2.3.1. Xây dựng cấu kiện ...................................................................................... 29

2.3.2. Định nghĩa vật liệu và thuộc tính mặt cắt ................................................... 31
2.3.3. Định nghĩa thuộc tính mặt cắt .....................................................................33
2.3.4. Định nghĩa lắp ghép cấu kiện .....................................................................33
2.3.5. Thiết lập bƣớc phân tích .............................................................................34
2.3.6. Định nghĩa tải trọng và điều kiện biên........................................................ 34
2.3.7. Chia nhỏ phần tử ......................................................................................... 35
2.3.8. Phân tích dữ liệu ......................................................................................... 36
2.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ....................................................................................... 36
CHƢƠNG 3 PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ......................... 37
3.1. SO SÁNH KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM .......................................37
3.1.1. Mơ tả thí nghiệm ........................................................................................ 37
3.1.2. Phân tích quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị của kết cấu ......................... 39
3.1.3. Đánh giá ứng xử bề mặt sàn từ mơ hình ABAQUS và thực nghiệm .........40
3.1.4. Phân tích ứng suất, biến dạng của tấm thép chịu cắt. .................................41
3.1.5. Phân tích sự hình thành và phát triển tháp chọc thủng. .............................. 44
3.2. KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA CHIỀU DÀI TẤM THÉP CHỊU CẮT ....46
3.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ....................................................................................... 47
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 49
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ ĐƢỢC CƠNG BỐ
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CFST : Concrete filled steel tube (Ống th p nhồi bêtông)
BTCT : Bê tông cốt th p
f’c

: Cƣờng độ chịu nén bê tông

fy

: Cƣờng độ chịu k o của cốt th p

Ec

:

ôđun đàn hồi của bêtông

Es

:

ôđun đàn hồi của cốt th p



: Đƣờng kính cốt thép

d

: Chiều cao làm việc của sàn

hs

: Chiều dày sàn

c

: Hệ số Poisson của bê tông



: Độ lệch tâm của bê tông

σ b0
σ c0

: Tỷ số về cƣờng chịu nén hai trục và một trục

Kc

: Tỷ số cƣờng độ chịu ngoài mặt phẳng làm việc so với cƣờng độ chịu
nén trong mặt phăng làm việc của bê tơng



: Góc phá hủy bê tơng



: Độ nhớt của bê tông


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Số hiệu
bảng

Tên bảng biểu

Trang

biểu
2.1

Các loại phần tử mô phỏng trong liên kết

25

2.2

Thông số miền đàn hồi của bê tơng

25

2.3

Thơng số mơ hình phá hoại dẻo

26

2.4

Các dạng tƣơng tác sử dụng trong mơ phỏng

28

2.5

3.1

ích thƣớc chia nhỏ phần tử
So sánh phản ứng bề mặt sàn từ mô hình ABAQUS và thực

28
40

nghiệm
3.2
3.3

Sự hình thành và phát triển tháp chọc thủng qua từng cấp tải
ích thƣớc các mẫu khảo sát

44
46

3.4

Mơ hình các mẫu khảo sát chiều dài tấm thép

46

3.5

Trạng thái ứng suất trên các mặt cắt cho từng mẫu khảo sát

47

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Số hiệu
hình vẽ

Tên hình vẽ

Trang

1.1

Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tơng

3

1.2

Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tông

4

1.3

Cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép

4

1.4

Cột CFST đƣợc bao bê tông (Concrete-encased CFST)

5

1.5

Cột CFST tăng cƣờng kết cấu thép và cốt th p gia cƣờng

5

1.6

CFST với sƣờn tăng cứng

5

1.7

Một số tiết diện tổ hợp từ cột CFST

6

1.8

Nhà đƣợc xây dựng bằng kết cấu CFST

7

1.9

Ví dụ về cầu đƣợc xây dựng bằng kết cấu CFST

8

1.10

Sàn phẳng bê tông cốt thép

9

1.11

Sàn bê tông ứng suất trƣớc

10

1.12

Sàn Bubbledeck

11

1.13

Sàn U-Boot Beton

12

1.14

Thí nghiệm liên kết cột CFST-sàn BTCT Jin-Won Kim(2014)

13

1.15

Sự phá hoại sàn BTCT - thí nghiệm của Jin-Won Kim (2014)

14

1.16

Liên kết đề xuất bởi Cheol-Ho Lee (2007)

15

1.17

Liên kết cột CFST-sàn BTCT đề xuất bởi Hiroki Satoh (2004)

16

1.18

Mơ hình thí nghiệm đƣợc thực hiện bởi P.Y. Yan, Y.C. Wang

17

1.19

Mơ hình ABAQUS liên kết đề xuất bởi P.Y. Yan, Y.C. Wang

18

1.20

Khảo sát liên đề xuất bởi P.Y. Yan, Y.C. Wang

18

1.21

Liên kết đề xuất bởi Young K. Ju (2013)

19

1.22

Mô phỏng đề xuất bởi Young K. Ju bằng ANSYS

19

1.23

Mẫu liên kết của Y. Su, Y. Tian (2010)

20

1.24

Mô phỏng quá trình thí nghiệm - Y. Su, Y. Tian (2010)

20

1.25

Mơ phỏng kết quả thí nghiệm bằng phần mềm DIANA v9.3

21

2.1

Cấu tạo liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT

24

2.2

Mô phỏng 1/4 liên kết đề xuất giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT

25

2.3

Các đƣờng cong quan hệ bê tông vùng chịu kéo

26

2.4

Các đƣờng cong quan hệ bê tông vùng chịu nén

27


Số hiệu

Tên hình vẽ

hình vẽ

Trang

2.5

Chia nhỏ phần tử

28

2.6

Điều kiện biên, điều kiện chuyển vị cho kết cấu

29

2.7

Mơ hình sàn bê tơng

29

2.8.

Mơ hình cột thép CFST

30

2.9

Mơ hinh lõi bê tơng cột CFST

30

2.10

Mơ hình cốt thép

30

2.11

Mơ hình vật liệu thép

31

2.12

Mơ hình vật liệu bê tơng

33

2.13

Khai báo thuộc tính mặt cắt

33

2.14

Xây dựng 1/4 mơ hình

34

2.15

Thiết lập các bƣớc phân tích

34

2.16

hai báo điều kiện biên, chuyển vị

35

2.17

Chia nhỏ phần tử

35

2.18

Phân tích dữ liệu

36

3.1

Mẫu cột – tấm thép chịu cắt

37

3.2

Bố trí cốt thép sàn

38

3.3

Mẫu thí nghiệm đƣợc tựa trên các gối đỡ

38

3.4

Lắp đặt kích, load cell, và LVDT

39

3.5

Nối thiết bị, thiết lập đồng hồ đo lực, chuyển vị, biến dạng

39

3.6

Đƣờng cong tải trọng chuyển vị theo thí nghiệm và ABAQUS

40

3.7

Vị trí khảo sát trạng thái ứng xử của tấm thép chịu cắt

42

3.8

Phổ ứng suất tấm thép chịu cắt

43

3.9

Các đƣờng cong quan hệ của thép tấm chịu cắt

43

3.10

Sự phân bố ứng suất kéo chính trên các mặt cắt của sàn

45


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, các cơng trình nhà cao tầng đƣợc sử dụng nhiều ở Việt Nam. Việc sử
dụng hệ kết cấu hợp lý sẽ đem lại hiệu quả cao về mặt kết cấu cũng nhƣ khả năng khai
thác cho cơng trình.
Với nhà cao tầng, việc giảm chiều cao nhà sẽ giảm đáng kể tác động của tải trọng
ngang cho cơng trình. ết cấu sàn phẳng bê tông cốt th p (BTCT) đƣợc xem là hiệu
quả cho việc giảm chiều cao tầng nhƣng vẫn đảm bảo khoảng thơng thủy sử dụng.
Ngồi ra, việc sử dụng kết cấu sàn phẳng BTCT sẽ thuận lợi cho việc thi công, rút
ngắn thời gian xây dựng, thuận lợi cho việc bố trí đƣờng ống thiết bị kỹ thuật, dễ dàng
thơng gió và linh hoạt bố trí mặt bằng. Do đó sử dụng hệ kết cấu sàn phẳng BTCT là
hợp lý cho nhà cao tầng.
ết cấu cột ống th p nhồi bê tông (CFST) đƣợc sử dụng phổ biến trong kết cấu nhà
cửa ở nhiều nƣớc trên thế giới và tiến đến thay thế cho cột bê tông cốt th p truyền thống
vì những tính năng vƣợt trội về mặt kỹ thuật nhƣ có độ cứng lớn, cƣờng độ cao, độ dẻo,
khả năng phân tán năng lƣợng tốt và độ chống cháy cao. Về mặt công nghệ cột ống th p
nhồi bê tông dễ thi công, không cần hệ thống coffa nên rút ngăn đƣợc thời gian thi công
xây dựng cơng trình, đặc biệt loại cột này sẽ phát huy hiệu quả trong thi công tầng hầm
bằng phƣơng pháp top – down. Do đó kết cấu cột ống th p nhồi bê tơng là giải pháp thích
hợp cho việc thay thế cột bê tông cốt th p truyền thống trong kết cấu nhà cao tầng.

Từ phân tích trên xét thấy việc kết hợp hai loại kết cấu sàn phẳng BTCT và cột
ống th p nhồi bê tông cho kết cấu nhà cao tầng sẽ đem lại hiệu quả cao về mặt kinh tế,
kỹ thuật. Tuy nhiên vấn đề lớn nhất khi kết hợp hai loại kết cấu này đấy là liên kết
giữa chúng, hiện nay các nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc đề xuất liên kết và tiến hành
thí nghiệm đánh giá độ tin cậy của liên kết chứ chƣa có những mơ phỏng và phân tích
cụ thể về ứng xử của liên kết (trạng thái ứng suất và cơ chế phá hoại), mức độ ảnh
hƣởng các chi tiết cấu tạo đến sự làm việc của liên kết. Do đó việc mơ phỏng liên kết
giữa sàn phẳng BTCT và cột ống th p nhồi bê tông là cần thiết nhằm cung cấp một cơ
sở lý luận chi tiết về ứng xử của liên kết giúp ngƣời thiết kế hiểu rõ bản chất làm việc
để cấu tạo chi tiết liên kết hợp lý và đó là lý do để thực hiện luận văn với đề tài “Mô
phỏng ứng xử liên kết cột 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 CFST và sàn phẳng BTCT, liên kết giữa CFST với sàn
phẳng BTCT;
Nghiên cứu mô phỏng liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT bằng phần
mềm ABAQUS;
So sánh kết quả mô phỏng bằng ABAQUS với thí nghiệm;
hảo sát sự ảnh hƣởng của tấm th p chịu cắt đến sự làm việc của kết cấu.


2

3. i t ng ph m vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu: Cột CFST và sàn phẳng BTCT.
Phạm vi nghiên cứu: ô phỏng liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT.
4. Ph ơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan về cột ống th p nhồi bê tông, sàn phẳng BTCT;
Nghiên cứu mô phỏng sử dụng phần mềm ABAQUS.
5. Kết quả dự kiến
Tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông, sàn phẳng bê tông cốt thép, liên kết giữa

cột CFST với sàn phẳng BTCT;
Tổng quan về mô phỏng liên kết giữa cột CFST với sàn phẳng BTCT bằng
ABAQUS;
Phân tích, đánh giá kết quả mơ phỏng ABAQUS với thí nghiệm ;
Đánh giá khả năng ảnh hƣởng tấm thép chịu cắt đến sự làm việc của kết cấu.
6. B cục đề bài
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
Chƣơng 1: Tổng quan về kết cấu cột CFST, sàn phẳng BTCT và liên kết giữa
cột CFST với sàn phẳng BTCT.
Chƣơng 2: Mô phỏng sự làm việc của liên kết bằng ABAQUS.
Chƣơng 3: Phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng.


3

CHƢƠNG 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 ng 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 tơng cùng làm việc chung với nhau
(Hình 1.1).
Lõi bêtông

Lõi bêtông

a

Ống thép

a

A

A

B

B

B-B

D

A-A
Hình 1.1. Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tơng
Nhƣ đã biết, cƣờng độ chịu nén của bê tông lớn hơn rất nhiều so với cƣờng độ
chịu kéo và cƣờng độ chịu nén của bê tông sẽ đƣợc tăng lên khi bê tông bị hạn chế
nở hông. Đối với kết cấu th p, cƣờng độ chịu kéo cao nhƣng dễ bị mất ổn định cục
bộ dƣới tải trọng nén. Trong loại kết cấu cột CFST, cốt th p và bê tơng 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 cơng
trình nhà, xƣởng, các cơng trình cầu đƣờng ở Việt Nam.
1.1.2. Phân lo i cột ng thép nhồi bê tông
Cột ống thép nhồi bê tông về mặt cấu tạo rất đa dạng. Dƣới 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 đƣợc nhồi vào
phần rỗng bên trong ống thép có dạng hình trịn (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


4

chế biến dạng ngang của lõi bê tông 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 dạng đa giác, dạng elip… (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
ngoài đƣợc gọi là cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép. Tiết diện cột bao
gồm ống thép trong và ống thép ngồi, bê 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

Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

Hình 1.3. Cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép
Một trƣờng hợp khác của kết cấu CFST là sử dụng bê tông cốt thép truyền thống
để bao bọc CFST nhƣ (Hình 1.4). Cấu tạo tiết diện gồm ống thép bên 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 bê tông nâng cao cƣờng 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 đó khả năng chống cháy của
loại cột này đƣợc tăng đáng kể so với cột CFST truyền thống. Ngoài ra, loại cột này


5

cịn có khả năng kháng bất ổn định cục bộ, chống ăn mòn đối với ống thép rất tốt và dễ
liên kết với những dầm bê tông cốt thép hoặc dầm thép trong hệ kết cấu cơng trình.
Ống thép

Bêtông

Bêtông

Ống thép

Cốt thép
mềm

Bêtông

Ống thép

Cốt thép
mềm

Cốt thép
mềm

Hình 1.4. Cột CFST được bao bê tông (Concrete-encased CFST)
Kết cấu thép và kết cấu th p gia cƣờng luôn luôn 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 không làm thay đổi dạng tiết diện cột. Sự đóng góp đến
khả năng chịu lực của cột có thể đƣợc xem x t nhƣ khả năng kết hợp của kết cấu thép
với những phần của cột CFST.
Cốt thép hình

Ống thép

Ống thép

Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

Cốt thép mềm

Lõi bêtông

Lõi bêtông

Hình 1.5. Cột CFST tăng cường kết cấu thép và cốt thép gia cường
Trong cột CFST thông thƣờng, bất ổn định cục bộ của ống th p thông 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
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.
Sườn tăng cứng

Thanh nối

Sườn tăng cứng

Ống thép

Ống thép

Lõi bêtông

Lõi bêtông

Hình 1.6. CFST với sườn tăng cứng
Ngoài ra, với các kết cấu yêu 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


6

điểm của kết cấu thép bê tông liên hợp nhƣ Hình 1.7 a,b,c hay kết hợp cùng với kết
cấu bê tơng cốt thép (Hình 1.7 d) 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

CFST

Ống thép
rỗng

(c)

(d)

Hình 1.7. Một số tiết diện tổ hợp từ cột CFST
1.1.3. Ưu điểm, nh c điểm của cột ng 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 bê tông thƣờng [1].
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 q trình làm việc, trì hỗn và chống lại sự bất ổn định cục bộ của ống
thép đặc biệt các cấu kiện có tiết diện hình vng hoặc chữ nhật [2]. Ngoài ra, ống thép
cản trở biến dạng nở hông của lõi bê tông làm tăng cƣờng độ chịu nén và độ dẻo dai đối
với cấu kiện CFST;
Việc nhồi bê tông vào trong ống thép làm nâng cao độ chống ăn mòn bên 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 [1];
Giá thành tổng thể của cơng trình làm bằng kết cấu ống thép nhồi bê tơng nói
chung nhỏ hơn nhiều so với giá thành của cơng 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 tơng do đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn
đồng thời làm giảm tải trọng xuống móng. Kết cấu ống thép nhồi bê tông kinh tế hơn
so với kết cấu bê tông cốt thép vì khơng cần ván khn, giá vịm, đai kẹp và các chi
tiết đặt sẵn, nó có sức chịu đựng tốt hơn ít hƣ hỏng do va đập. Do khơng có cốt chịu


7

lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tơng với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỉ lệ N/X có
thể lấy nhỏ hơn) và sẽ dễ dàng đạt chất lƣợng bê tông cao hơn [1],[2].
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 tốn khó trong việc xác định thuộc tính kết hợp nhƣ mơ men qn
tính, môdul đàn hồi;
Cơ chế phá hoại cấu kiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ hình dạng, chiều dài,
đƣờng kính, chiều dày ống th p, cƣờng độ thép 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 dƣ, hiện tƣợng 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 [2].
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 do đó gây
ra khơng ít những khó khăn cho tính tốn 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 dần hoàn thiện các yêu cầu về mặt cấu tạo, lý thuyết tính tốn cũng nhƣ nhận thức
sâu hơn về ứng xử của loại kết cấu này.
1.1.4. Khả n ng áp dụng
Kết cấu ống th p nhồi bêtông đƣợc ứng dụng rộng rãi cho rất nhiều lĩnh vực
nhƣ nhà dân dụng và công nghiệp, cầu đƣờng, giàn khoan dầu...
Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, loại kết cấu này đƣợc áp dụng khá nhiều
cho cấu kiện chịu lực chính nhƣ hệ móng cọc, các cột đỡ của toà nhà cao tầng.
Chẳng hạn, toà nhà đƣợc xây dựng bằng kết cấu CFST ở Chuo-ku, thành phố obe,
Nhật Bản (Hình 1.8). Các cơng trình nhà ở tại thành phố obe đƣợc xây dựng
nhằm chống lại những tác động lớn từ những động đất và kết cấu CFST đáp ứng
đƣợc điều này.

Hình 1.8. Nhà được xây dựng bằng kết cấu CFST


8

Hiện nay, việc xây dựng cầu qua các sông rộng và sâu, có nhu cầu lƣu thơng
đƣờng thuỷ lớn và điều kiện địa chất phức tạp đang đòi hỏi phải sử dụng các loại
nhịp lớn kh u 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
dựng 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 vịm chính

của cầu vịm, 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 1.9.
về c u được ây ựng ằng ết cấu
T
Trong lĩnh vực xây dựng dầu khí, năm 1989 tại 2 dàn khoan dầu ở biển Đen và
biển Azov của iên ô đã sử dụng cấu kiện mặt cắt rỗng tổ hợp 3 loại vật liệu th p bêtơng làm các trụ đỡ chính của dàn khoan, nhờ đó giảm đƣợc 3
lƣợng th p so
với dần khoan bằng th p c ng loại; hơn nữa, phần rỗng cịn đƣợc d ng để lắp các
thiết bị cơng nghệ và cáp thông tin.
1.2. TỔNG QUAN CÁC LOẠI SÀN PHẲNG BTCT
Với xu hƣớng phát triển của công nghệ cũng nhƣ yêu cầu về mặt kiến trúc,
th m mỹ kinh tế cho cơng 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 dụng linh hoạt, dễ dàng cho việc bố trí khơng gian sử dụng ph hợp với cơng
năng của cơng trình, giảm số lƣợng cột, chiều cao thơng thuỷ hợp lý, dễ dàng đáp
ứng các yêu cầu bố trí hệ kĩ thuật. Dƣới đây sẽ giới thiệu tổng quan về một số loại
sàn phẳng đƣợc sử dụng ở Việt Nam.
1.2.1. Sàn phẳng BTCT th ờng
Là hệ thống chịu lực theo một hoặc hai phƣơng đƣợc kê trực tiếp lên cột hoặc
tƣờng chịu lực nhƣ 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 nhƣ
không đổi tạo ra mặt phẳng phía dƣới 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 khơng


9

cần phải sử dụng trần giả. Nhịp kinh tế của sàn phẳng với tải trọng từ nhỏ tới trung
bình thƣờng bị giới hạn bởi việc kiểm soát độ võng dài hạn và có thể cần phải tạo độ
vồng tƣờng hợp lý (không quá lớn) hoặc sử dụng sàn bê tông ứng suất trƣớc. 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 và 32D đối với nhịp trong của sàn nhiều
nhịp trong đó D là chiều dày sàn.

Hình 1.10. 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;
+ Khơng dầm, tạo khoảng thơng thủy lớn ở dƣới sàn;
+ Chiều dày kết cấu nhỏ và từ đó giảm đƣợc 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 thƣớc
lớn hơn;
+ Cần kiểm sốt độ võng dài hạn;
1.2.2. Sàn phẳng bê tông ứng suất tr ớc
Trong cấu kiện bê tông ứng suất trƣớc, bằng cách đặt vào một lực n n trƣớc tạo
bởi lực kéo cốt thép, nhờ tính đàn hồi, cốt thép có xu hƣớng co lại tạo nên lực nén
trƣớc và gây ra ứng suất trƣớc trong bê tông. Ứng suất n n trƣớc 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 đƣợc nâng cao và hạn chế sự phát triển vết nứt. Ứng suất trƣớc chính là
việc tạo cho kết cấu một cách có chủ ý các ứng suất tạm thời nhằm tăng cƣờng sự làm
việc của vật liệu trong các điều kiện sử dụng khác nhau. Nói cách khác trƣớc khi cấu
kiện chịu tải trọng sử dụng cốt th p đã bị căng trƣớc cịn bê tơng đã bị n n trƣớc [3].
Trong bê tơng ứng suất trƣớc do có thể khống chế sự xuất hiện khe nứt bằng lực
căng trƣớc nên cần thiết và có thể dùng cốt th p cƣờng độ cao. Mặt khác để có thể
giảm đƣợc kích thƣớc tiết diện và từ đó giảm trọng lƣợng bản thân của cấu kiện, đồng

thời tăng ứng suất tập trung ở vùng neo cần phải sử dụng bê tông cƣờng độ cao. Bê


10

tông ứng lực trƣớc đã trở thành một sự kết hợp lý tƣởng giữa hai loại vật liệu hiện đại
có cƣờng độ cao [3].

Hình 1.11. Sàn bê tơng ứng suất trước
Sử dụng sàn bê tơng ứng suất trƣớc có nhiều ƣu điểm nhƣ có khả năng vƣợt nhịp
lớn, khả năng chịu uốn, chịu cắt cao hơn so với sàn bê tơng cốt thép thƣờng có cùng
tiết diện, hạn chế đƣợc biến dạng, khe nứt, tăng độ bền của kết cấu, do sử dụng đƣợc
vật liệu có cƣờng độ cao nên giảm đƣợc kích thƣớc tiết diện, tiết kiệm đƣợc khối
lƣợng vật liệu, làm giảm trọng lƣợng bản thân, giảm chi phí cho nền móng ….
Về lý thuyết tính tốn, nhiều tổ chức và quốc gia trên thế giới đã nghiên cứu và
cho ra đời các tiêu chu n, quy phạm về bê tông ứng suất trƣớc nhƣ tiêu chu n FIP của
iên đồn quốc tế về bê tơng ứng suất trƣớc; Tiêu chu n AASHTO cho cầu đƣờng,
tiêu chu n ACI cho xây dựng dân dụng của Mỹ; Quy phạm Eurocode của khối liên
hiệp châu Âu; Tiêu chu n Anh BS; Quy phạm BPEL của Pháp; Quy phạm CHII của
iên ô (cũ)… Các tiêu chu n, quy phạm kể trên khơng ngừng đƣợc cải tiến, hồn
thiện và ln đƣợc sửa đổi, cập nhật từ hai đến bốn năm một lần. Tại Việt Nam tiêu
chu n 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 tơng khơng hoặc ít chịu lực ở giữa chiều cao tiết diện sàn. Ở bên trên và bên
dƣới của quả bóng đƣợc gia cƣờng bằng các lớp lƣới th p đƣợc tính tốn cụ thể. Các
quả bóng nhựa có vai trị giảm thiểu phần bê tơng khơng cần thiết đối với khả năng
chịu lực của kết cấu sàn, giảm nhẹ trọng lƣợng của sàn, cải thiện các khả năng cách
âm, cách nhiệt.
Công nghệ này thi công không quá phức tạp, cho phép giảm 35% khối lƣợng bê

tông so với sàn truyền thống. Từ đó góp phần giảm đƣợc trọng lƣợng tổng thể của
cơng trình và tăng khả năng vƣợt nhịp. Sàn có khả năng chịu lực theo hai phƣơng,
khơng dùng dầm nên giảm chiều cao xây dựng mỗi tầng, cải thiện khả năng cách âm,
cách nhiệt cho sàn.


11

Công nghệ lắp gh p, bán lắp gh p cho ph p cơng xƣởng hóa và cơ giới hóa các
q trình chế tạo, vận chuyển, lắp đặt nên thi cơng nhanh, sử dụng ít lao động, sản
ph m làm ra có độ chu n hóa cao. Do sử dụng các vật liệu tái chế trong sản xuất và thi
công nên cơng nghệ này giúp giảm chi phí vật liệu và thân thiện với mơi trƣờng.

Hình 1.12. Sàn Bubbledeck
Năm 2 7, 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 2 7 đến 2009, công ty TADITS đã đầu tƣ
công sức để thử nghiệm thiết kế, thi công sàn Bubbledeck sao cho ph hợp với điều
kiện tại Việt Nam.
Quá trình xác định nhịp lớn nhất mà Bubbledeck có thể vƣợt qua dựa trên tiêu
chu n 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 lƣợng bê
tông so với sàn đặc hoặc c ng độ dày thì sàn Bubbledeck có thể chịu tải gấp đôi tấm
sàn đặc nhƣng chỉ sử dụng 65 lƣợng bê tông.
Khi thiết kế chống uốn, bề dày của phần bê tơng có ứng suất nén tập trung ở phần
bê tơng 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
nhƣng nó tác động khơng đáng kể đến khả năng chịu lực của sàn.
Các nghiên cứu và thí nghiệm cho thấy, nếu nhƣ c ng khả năng chịu lực thì sàn

Bubbledeck có độ cứng chống uốn xấp xỉ 87% so với sàn đặc. Khả năng chịu cắt đo
đƣợc từ 72-91% so với sàn đặc. Để tính tốn khả năng chịu cắt của sàn Bubbledeck,
ngƣời ta đƣa vào hệ số 0,6 sử dụng cho khả năng chịu cắt của tấm sàn đặc với cùng
chiều cao. Điều này đảm bảo đƣợc 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 lƣợng bê tông ở thớ giữa bản sàn, Bubbledeck đã góp
phần đáng kể vào việc tác động có lợi đến mơi trƣờng.


12

1.2.4. Sàn U-boot Beton
U-boot Beton là sản ph m 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 tơng khơng hoặc ít tham gia chịu lực ở thớ giữa của bản sàn, giúp
giảm trọng lƣợng kết cấu, giảm kích thƣớc hệ cột, vách, móng, tƣờng, vách chịu lực và
tăng khoảng cách lƣới 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 ƣu điểm về mặt kỹ thuật
và kinh tế. Ngồi ra bản sàn U-boot Beton cịn là một sản ph m cải tiến của
BubbleDeck.
U-Boot Beton có cấu tạo đặc biệt với 4 chân hình cơn và phụ kiện liên kết giúp
tạo ra một hệ thống dầm vng góc nằm giữa lớp sàn bê tơng trên và dƣới. Có 2 dạng
là hộp đơn và hộp đơi. Ngồi ra, giữa các hộp cịn có các cốt liên kết với nhau theo cả
2 phƣơng vng góc.
Sàn U-Boot Beton có cấu tạo gồm: Một lớp th p trên, một lớp th p dƣới, và ở
giữa các khoảng hở là các th p gia cƣờng.
Việc đặt U-Boot Beton vào vùng bê tông không làm việc làm giảm trọng lƣợng
của sàn, cho ph p sàn vƣợt nhịp lớn, giảm lƣợng bê tông và cốt thép.
U-Boot Beton đƣợc ứng dụng trong sàn phẳng không dầm vƣợt nhịp cũng nhƣ

chịu tải trọng lớn. Với trọng lƣợng nhẹ, tính cơ động cũng nhƣ mơ đun đa dạng, ngƣời
thiết kế có thể thay đổi thơng số kỹ thuật khi cần trong mọi trƣờng hợp để phù hợp với
các yêu cầu kiến trúc.

Hình 1.13. Sàn U-Boot Beton
Sử dụng U-Boot Beton trong kết cấu sàn rất phù hợp với những cơng trình có
u cầu kết cấu sàn nhẹ, tiết kiệm vật liệu. U-Boot Beton là giải pháp lý tƣởng để tạo
sàn với nhịp lớn và khả năng chịu tải cao, đặc biệt phù hợp với những kết cấu có u
cầu về khơng gian mở nhƣ trung tâm thƣơng mại, nhà công nghiệp, bệnh viện, trƣờng
học cũng nhƣ các cơng trình cơng cộng và nhà ở. U-Boot Beton giúp bố trí cột thuận
tiện hơn vì khơng cần dùng dầm. Trong trƣờng hợp những cơng trƣờng khó vận chuyển
và thi cơng 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


13

dụng U-Boot Beton cho móng bè thì móng có thể có độ dày lớn hơn mà vẫn giảm
lƣợng bê tơng 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 tơng, trong khi quả bóng
nhựa thì trịn trơn nên khả năng bám dính k m hơn.
Bên cạnh đó giữa các hộp nhựa lại đƣợc 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 khơng có đƣợc điều này.
Đối với U-Boot Beton khả năng vƣợt 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 nƣớc nhƣ ỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc, Nhật Bản.
Nhƣ phân tích ở trên, việc sử dụng cột ống thép nhồi bê tông cho kết cấu cơng
trình đem lại nhiều ƣu điểm so với cột bê tông cốt thép truyền thống. Sự kết hợp giữa
cột CFST và sàn phẳng BTCT tạo ra hệ thống kết cấu tối ƣu hơn, hiệu quả hơn. Tuy
nhiên, tồn tại lớn nhất và là rào cản để sử dụng loại kết cấu này trong kết cấu cơng
trình là giải quyết vấn đề liên kết giữa cột và sàn phẳng. Khơng có nhiều các tác giả
nghiên cứu về vấn đề này.
Jin-Won Kim (2014) [5] tiến hành nghiên cứu thực nghiệm liên kết cột CFST và
sàn phẳng BTCT dựa trên các điều khoản thiết kế của tiêu chu n ACI 318-11 [6]. 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 đƣợc trong thí nghiệm. Tác giả tiến hành thí nghiệm với 10
mẫu có kích thƣớc thật.

Hình 1.14. Thí nghiệm liên kết cột CFST-sàn BTCT Jin-Won Kim(2014)[5]
Các thông số thay đổi trong các mẫu là chiều dài vƣơn của mũ chịu cắt, cƣờng độ
bê tơng, kích thƣớc của ống thép, chiều dày sàn. Trong 10 mẫu có 8 mẫu có bố trí thép
mũ chịu cắt (thép hình chữ I đƣợc hàn vào bề mặt ống thép) và 2 mẫu khơng bố trí với


14

chiều dày sàn là 2 mm và 3 mm. Hàm lƣợng 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 th p mũ
chịu cắt nhằm tạo ra một vùng cứng để đƣa chu vi tiết diện tới hạn dịch chuyển ra xa khỏi
mặt cột khi đó khả năng chịu cắt của bản sàn tăng lên và lực cắt tại tiết diện tới hạn giảm
xuống [5].
Kết quả thí nghiệm cho thấy sự phá hoại dẻo của thép chịu uốn xảy ra trƣớc và
phá hoại dẻo của th p mũ chịu cắt xảy ra sau, sự phá hoại thủng xảy ra sau c ng đúng
với kết quả dự đoán ban đầu. Khả năng chịu cắt thủng danh nghĩa của cột hình vng

lớn hơn so với tiết diện chữ nhật. Tải trọng gây phá hoại cho mẫu với cánh tay vƣơn
dài lớn hơn so với mẫu có cánh tay vƣơn ngắn và một chiều dài tối thiểu của cánh tay
vƣơn bằng 4h (h là chiều cao dầm I) để đạt đến cƣờng độ danh nghĩa theo tiêu chu n
,
ACI 318-11 là 7 f c b0 d (psi). Ngồi ra, kết quả thí nghiệm cho thấy cƣờng độ chịu

cắt thủng của mẫu khơng có thép chịu cắt, đạt đến 9
cƣờng độ chịu cắt thủng danh
nghĩa theo ACI 318-11, điều này có đƣợc là do sự ma sát với thành ống thép và sự làm
việc của các chốt thép xuyên cột tại bề mặt cột. Trƣờng hợp mô men khơng cân bằng
lớn tại vị trí cột thì sự ma sát không ảnh hƣởng đến khả năng chịu cắt. Kết quả thí
nghiệm cịn chỉ ra rằng, bê tơng lõi chỉ có tác dụng ngăn cản biến dạng móp thành ống
thép ở phía cánh dầm I chịu nén [5].

a) Sự phá hoại của mẫu hơng có thép mũ chịu cắt

b) Sự phá hoại của mẫu có bố tr thép mũ chịu cắt
Hình 1.15. Sự phá hoại sàn BTCT - thí nghiệm của Jin-Won Kim (2014)[5]


15

Qua kết quả thí nghiệm tác giả đề xuất cơng thức tính tốn cƣờng độ chịu cắt
thủng riêng cho từng phần bê tông và th p mũ chịu cắt điều này không đƣợc đề cập
trong các điều khoản thiết kế của tiêu chu n ACI 318-11. Ở đây tác giả còn đƣa ra hệ
số  hiệu chỉnh ảnh hƣởng của chiều dài cánh tay vƣơn đến khả năng chịu cắt thủng
của liên kết [5].
Tuy nhiên, nhƣợc 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 nhƣng lại khơng tiết kiệm vật liệu.

Cheol-Ho Lee (2007) [7] đã nghiên cứu cƣờng 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 mơ hình bán giải tích (semi-analytical) về ứng xử chọc thủng của liên kết đề
xuất và áp dụng mơ hình tĩnh phi tuyến thu gọn để phân tích tiến trình phá hoại.
Chi tiết liên kết đƣợc tác giả đề xuất dựa trên quan điểm: (1) đó là tính nguyên
vặn của liên kết và dễ dàng cho thi cơng; (2) đảm bảo tính tồn khối của liên kết, điều
đó có nghĩa là một loại chốt chịu cắt đƣợc u cầu để tăng tính tồn khối và độ siêu
tĩnh cho v ng liên kết. úc đó cƣờng độ chịu cắt thủng của liên kết sử dụng chốt chịu
cắt cao hơn so với liên kết với sàn bê tông cốt th p thƣờng; (3) để đảm bảo độ tin cậy
của liên kết cần phải chế tạo và thí nghiệm mẫu.
Từ những yêu cầu nêu trên tác giả đề xuất các dạng liên kết nhƣ Hình 1.16 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 ngồi của ống thép với mục đích ngăn cản sự phân tách sớm của bê tông ra
khỏi bề mặt cột.

Hình 1.16. Liên kết đề xuất bởi Cheol-Ho Lee (2007) [7]