Nghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tông TT

1

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Hiện nay, với việc gia tăng mạnh mẽ các dự án nhà cao tầng tại các
đô thị lớn tại Việt Nam đặt ra nhu cầu cấp thiết tìm kiếm các giải pháp
kết cấu chịu lực mới hiệu quả về mặt kĩ thuật và kinh tế. Một trong
những xu hướng kết cấu mới có tính ứng dụng, hiệu quả cao là kết hợp
kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) với sàn phẳng bê tông cốt
thép (BTCT) thành hệ kết cấu chịu lực cho nhà cao tầng. Tuy nhiên, vấn
đề quan trọng nhất khi kết hợp hai loại kết cấu này là giải quyết liên kết
sàn - cột. Hiện nay, các nghiên cứu mới chỉ tập trung cho liên kết cột
giữa CFST với sàn phẳng BTCT, chưa có các nghiên cứu cho liên kết
cột biên, cột góc CFST với sàn phẳng BTCT hay sàn phẳng bê tơng ứng
lực trước (ƯLT). Bên cạnh đó, chưa có nhiều các nghiên cứu có tính hệ
thống về kiểu liên kết này từ việc phân tích lựa chọn hình thức liên kết
đến nghiên cứu thực nghiệm, khảo sát tham số và phân tích mơ hình
tính. Do đó, việc nghiên cứu chi tiết liên kết giữa cột CFST với kết cấu
sàn phẳng nhằm cung cấp giải pháp cấu tạo, biện pháp gia cường, cơ
chế làm việc cũng như cơng thức tính tốn là cần thiết để có thể áp dụng
rộng rãi hệ kết cấu này vào thực tế xây dựng nhà cao tầng hiện nay.
Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu đề xuất giải pháp cấu tạo cải tiến liên kết cột CFST với
sàn phẳng BTCT và sàn bê tông ƯLT;
Nghiên cứu ứng xử và cơ chế làm việc của liên kết cột CFST với
sàn phẳng BTCT bằng thực nghiệm và mô phỏng số;
Đề xuất công thức xác định chu vi phá hoại của tháp cắt thủng tại
liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép và sàn
phẳng bê tơng ứng lực trước. Từ đó, xác định khả năng chịu cắt thủng
của sàn dựa vào công thức của tiêu chuẩn châu Âu EC2 với các chu vi
phá hoại đề xuất.

2
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: Liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT và
sàn phẳng bê tông ƯLT.
Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của sàn tại liên kết cột giữa, cột
biên, cột góc CFST với sàn phẳng BTCT và liên kết cột giữa CFST với
sàn phẳng bê tơng ƯLT có gia cường cốt đai;
Các mơ hình thí nghiệm được thực hiện cho tải trọng đứng, không
xét ảnh hưởng của mô men, tải trọng lặp và tải trọng ngang;
Đề xuất chu vi tới hạn để tính tốn khả năng chịu cắt thủng của sàn
tại liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng BTCT và sàn phẳng bê tơng
ƯLT có gia cường cốt đai.
Nghiên cứu được thực hiện cho cột ống thép tiết diện vuông.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm kết hợp mô phỏng số.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Nội dung nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan cột CFST, sàn phẳng và liên kết cột CFST
với sàn phẳng BTCT;
Nghiên cứu chọn hình thức liên kết để từ đó đề xuất giải pháp cấu
tạo cột giữa, cột biên, cột góc CFST với sàn phẳng;
Thực nghiệm trên mẫu kích thước lớn liên kết cột giữa CFST với
sàn phẳng BTCT và sàn phẳng bê tơng ƯLT; cột biên, cột góc CFST
với sàn phẳng BTCT;
Mô phỏng số bằng phần mềm Abaqus liên kết cột giữa CFST với
sàn phẳng BTCT và sàn bê tông ƯLT;
Xác định chu vi tới hạn để tính tốn khả năng chịu cắt thủng của

sàn tại liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng BTCT và sàn phẳng bê
tông ƯLT.


3
Bố cục của luận án
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan cột ống thép nhồi bê tông, sàn phẳng và liên
kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép
Chương 2. Giải pháp cấu tạo và thực nghiệm liên kết cột ống thép
nhồi bê tông với sàn phẳng
Chương 3. Mơ phỏng số liên kết và mơ hình tính toán khả năng chịu
cắt thủng của sàn tại liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng
Kết luận và kiến nghị
Những đóng góp mới của luận án
Cải tiến liên kết gia cường trong cấu tạo nút liên kết sàn phẳng –
cột CFST, cụ thể là thêm bản thép đỡ vịng quanh tiết diện cột ở phía
đáy, thêm cốt thép vịng để hạn chế vết nứt bê tơng vùng kéo, thêm thép
đai hình chữ C nhằm tăng cường khả năng chống cắt thủng. Kiểm
chứng hiệu quả của phương án gia cường bằng thực nghiệm.
Cung cấp 02 bộ số liệu thí nghiệm tin cậy về sự làm việc của liên
kết dầm bẹt với cột CFST với hai loại shear-head khác nhau và cung
cấp 02 bộ số liệu tin cậy về sự làm việc của nút liên kết giữa sàn phẳng
với cột CFST và sàn phẳng bê tông ứng lực trước với cột CFST trên cơ
sở là thí nghiệm tỉ lệ 1:1.
Đề xuất cách xác định chu vi tiết diện phá hoại và chiều cao làm
việc chịu cắt trong công thức của EC2 để xác định khả năng kháng
thủng trong liên kết cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng.

4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG, SÀN PHẲNG VÀ
LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI
SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
1.1. Tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông
1.2. Tổng quan các giải pháp sàn phẳng trong cơng trình xây dựng
1.3. Tổng quan về liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng
bê tông cốt thép

Liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng
Quan tổng quan cho thấy, các nghiên cứu hiện nay chỉ tập trung cho
liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng BTCT, chưa thấy các nghiên cứu
cho liên kết cột biên, cột góc. Các nghiên cứu cho liên kết cột CFST với
sàn bê tông ƯLT cũng chưa được đề cập.
Tổng quan cho thấy có 3 hình thức liên kết cho cột giữa CFST với
sàn phẳng BTCT được sử dụng phổ biến gồm: (1) sử dụng shear-head là
các thép hình hàn vào mặt cột và nhúng vào trong bê tông sàn; (2) sử
dụng các tấm thép đỡ tại mặt dưới của sàn; (3) sử dụng các stud hàn tại
bề mặt cột để liên kết sàn với cột. Trong đó giải pháp sử dụng shearhead làm chi tiết liên kết là hợp lý và hiệu quả hơn.
Tuy nhiên, các giải pháp liên kết sử dụng shear-head trong các
nghiên cứu tổng quan vẫn còn một số tồn tại như: độ tin cậy của liên kết
chưa cao; chưa có các giải pháp cấu tạo đảm bảo sự liên tục của cơ chế
truyền tải; thiếu các biện pháp gia cường để nâng cao khả năng chịu tải
cho sàn; vấn đề đảm bảo tính liên tục của sàn - cột.

Liên kết cột biên, cột góc ống thép nhồi bê tơng với sàn phẳng
Liên kết cột - sàn bê tông ứng lực trước
1.4. Tổng quan một số mơ hình tính tốn khả năng chịu cắt thủng sàn

1.5. Tổng quan các tiêu chuẩn tính tốn


5
1.6. Kết luận Chương 1
1. Tổng quan về kết cấu cột CFST và các kết cấu sàn phẳng sử dụng
trong thực tế để thấy được những ưu điểm nổi trội của hệ kết cấu này so
với kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép nhằm sử dụng hệ kết cấu
này làm kết cấu chịu lực chính trong kết cấu cơng trình.
2. Qua tổng quan về các hình thức liên kết khác nhau giữa cột CFST
với sàn phẳng BTCT cho thấy đa số là các nghiên cứu thực nghiệm về
liên kết sàn - cột giữa, chưa có nghiên cứu ứng xử liên kết cột biên, cột
góc CFST với sàn phẳng BTCT cũng như ảnh hưởng của ứng lực trước
đến khả năng chịu lực của liên kết. Nhìn chung, các liên kết đề xuất ở
các nghiên cứu đều đảm bảo khả năng chịu tải trọng và khả năng thi
công thực tế. Tuy nhiên, vẫn còn một số điểm quan trọng cần cải tiến để
nâng cao hiệu quả của giải pháp kết cấu này như hình thức liên kết, độ
tin cậy, tính liên tục cũng như biện pháp gia cường nâng cao khả năng
chịu tải và cải thiện các ứng xử sau phá hoại của sàn tại liên kết.
3. Các kết quả thí nghiệm cho thấy liên kết đều bị phá hoại cắt thủng
sàn, do đó trong chương này đã tổng hợp các giải pháp gia cường sàn bê
tông cốt thép để nâng cao khả năng chịu cắt thủng cho sàn đây là gợi ý
cho việc đề xuất chi tiết liên kết sàn với cột CFST một cách hợp lý và
hiệu quả
4. Hiện nay, các tiêu chuẩn thiết kế các nước chưa đề cập đến các
quy định cấu tạo cũng như tính tốn liên kết cột CFST với sàn phẳng
BTCT. Do đó việc tổng quan các tính tốn khả năng chịu cắt thủng sàn
BTCT theo các tiêu chuẩn cùng với một số mơ hình tính tốn phổ biến
sẽ giúp hiểu rõ hơn phương thức thiết lập mơ hình tính và là cơ sở để áp
dụng tính tốn cho liên kết giữa cột CFST với sàn phẳng BTCT.

6

CHƯƠNG 2. GIẢI PHÁP CẤU TẠO VÀ THỰC NGHIỆM
LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI
SÀN PHẲNG
2.1. Giải pháp cấu tạo và thực nghiệm liên kết cột giữa ống thép
nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép

Cấu tạo liên kết đề xuất
(3) Cốt thép đai C

(4) Cốt thép vòng

(1) Shear-head

(6) Cột CFT

(2) Tấm liên tục
(Continuity plate)

(5) Cốt thép sàn

a) Cấu tạo liên kết trên mặt bằng

(4) Cốt thép vòng

(6) Cột CFST

(2) Tấm liên tục
(Continuity plate)

(1) Shear-head

(5)Thép lớp trên

(3) Cốt đai C

(5) Thép lớp dưới

b) Mặt cắt dọc

Hình 2.4. Cấu tạo liên kết đề xuất

Thiết kế và chế tạo mẫu thí nghiệm
Shear-head: Thép hình số hiệu H100, đoạn vươn tính từ mặt cột L =
400mm, phần bụng l = 50mm đưa vào trong lõi cột như Hình 2.4.
Tấm thép liên tục: bề rộng b = 50mm, chiều dày t = 10mm, được
hàn theo chu vi của cột tại cánh dưới của H100.
Cốt thép sàn: Cốt thép lớp trên theo hai phương 14a85, hàm lượng
ρ = 1,21%, cốt thép lớp dưới chọn cấu tạo 10a100. Theo mỗi phương
bố trí 2 cốt thép xuyên cột.


7
Cốt thép đai và cốt vòng: Cốt đai 10, uốn gập 60mm. Lớp cốt đai
đầu tiên cách mặt cột và bên cánh của shear-head là 75mm, các lớp cốt
đai tiếp theo 100mm. Cốt thép vịng được cấu tạo 10a100.

Hình 2.13. Bố trí cốt thép sàn

Thiết bị và thiết lập thí nghiệm

Hình 2.15. Thi cơng đế gia tải
thí nghiệm
LVDT
L1

Hình 2.16. Các chi tiết neo và mơ
hình thí nghiệm neo

LVDT

L2

400

300

600
800

200

200

Sàn phẳng
BTCT

400

Cột CFST
(300×300)

Thanh neo Þ36

Kích thủy lực

Tấm đệm

Sàn cứng

150
150

800

400

400

1200

800
1200

150
150

2700

Hình 2.17. Sơ đồ bố trí thí nghiệm

Hình 2.18. Lắp đặt thí nghiệm


8

Hình 2.25. Bố trí các cảm biến đo
biến dạng trong cốt thép và
shear-head

Hình 2.26. Bố trí các cảm biến đo
chuyển vị và biến dạng trên bề mặt
bê tơng

Thí nghiệm vật liệu
Kết quả thí nghiệm

Hình 2.30. Ứng xử tại mặt trên
của sàn ở thời điểm phá hoại

Hình 2.32. Tháp phá hoại cắt
thủng của sàn

Phá hoại cuối cùng là phá hoại cắt thủng với P = 1250kN.
Trường hợp phá hoại 1: Mặt phá hoại xuất phát từ chân các cốt đai
ngoài cùng cắt qua bê tơng và nằm ngồi vùng bố trí cốt đai.

Hình 2.33. Mặt phá hoại được giữ bởi cốt đai


9
Trường hợp phá hoại 2: Mặt phá hoại xuất phát từ cánh dưới của
shear-head và cắt qua các cốt đai.

Hình 2.35. Mặt phá hoại sau khi tách khối bê tông tại đỉnh shear-head

Hình 2.39. Đồ thị tải trọng –
chuyển vị đứng đầu cột

Hình 2.40. Đồ thị tải trọng –
chuyển vị mặt sàn

Đánh giá những ưu điểm của giải pháp cấu tạo và ứng xử của liên
kết so với các nghiên cứu trước:
Giải pháp liên kết sử dụng shear-head từ mô hình thí nghiệm minh
chứng rõ cho việc mở rộng liên kết dễ dàng cũng như tính thẩm mỹ so
với việc sử dụng tấm thép đỡ với các sườn gia cường [52], [30], [3] hay
các stud hàn vào mặt cột [57].
Việc cấu tạo shear-head với phần bụng được ngàm vào cột và hàn
tại mặt cột, cùng với tấm thép liên tục kết nối shear-head và hàn theo
chu vi cột đảm bảo chiều dài và phân bố đều đường hàn từ shear-head
vào cột góp phần nâng cao độ an tồn của liên kết so với [35],[32],[55].


10
Giải pháp đảm bảo tính liên tục cho cơ chế truyền tải từ sàn vào cột
với tấm thép liên tục bao quanh chu vi cột. Các nghiên cứu của [35],

[32], [55] chỉ sử dụng các thép hình và khơng có tấm thép liên tục hàn
vào mặt dưới của shear-head như liên kết đề xuất. Quan sát mặt phá
hoại của sàn từ các thí nghiệm sử dụng thép hình H trên Hình 2.46,
minh chứng rõ vai trị gối tựa của tấm thép liên tục cho cơ chế chuyển
lực tại phạm vi góc của cột và sự có mặt của hệ cốt đai ngăn cản vết nứt
nghiêng tại góc cột.

a) Ứng xử phá hoại tại góc của cột
với liên kết đề xuất

b) Liên kết của C.H. Lee [34]

c) Liên kết của J.W. Kim [31]
Hình 2.46. Ứng xử phá hoại tại góc của cột so với các nghiên cứu khác
Cốt đai dạng C: So với mẫu thí nghiệm của [16] sử dụng các stud
gia cường, thì giải pháp sử dụng cốt đai là cốt thép thanh sẵn có sẽ linh
hoạt cho thi cơng và tiết kiệm hơn so với sử dụng stud.
Cốt thép vòng: Đây là chi tiết khác biệt so với các liên kết khác.
Dưới tác dụng của tải trọng bề mặt trên của sàn có xu hướng giãn ra gây
ứng suất kéo trong bê tông gây ra các vết nứt. Cốt vòng sẽ tiếp nhận các
ứng suất kéo này và hạn chế sự phát triển vết nứt, kìm hãm sự phá hoại
bê tông trong vùng liên kết.
2.2. Giải pháp cấu tạo và thực nghiệm liên kết cột giữa ống thép
nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông ứng lực trước


11

Cấu tạo liên kết đề xuất
Thiết kế và chế tạo mẫu thí nghiệm

2700
600

400

400

650

650

400

2700
600

400

650

650

Bố trí 4 bó cáp theo mỗi phương. Mỗi bó gồm 4 cáp T12 (12,7mm)

Hình 2.48. Bố trí cáp cho mẫu
thí nghiệm

Hình 2.49. Bố trí cốt thép sàn

Thiết b v thit lp thớ nghim

LVDT
L1

LVDT

L2

400

300

600
800

200

200

Caựp ệLT

400

Coọt CFST
(300ì300)

Thanh neo ị36

Kớch thủy lực

Tấm đệm

Sàn cứng

150
150

800

400

400

1200

800

150
150

1200
2700

Hình 2.55. Sơ đồ bố trí mơ
hình thí nghiệm

Hình 2.63. Bố trí mơ hình
thí nghiệm

Thí nghiệm vật liệu
Kết quả thí nghiệm

Hình 2.69. Bề mặt trên
của sàn lúc phá hoại

Hình 2.70. Phá hoại
bê tơng tại mặt dưới
của sàn

Hình 2.73. Đồ thị tải
trọng – chuyển vị
đứng đầu cột


12

Sau khi mẫu bị phá hoại quan sát thấy mô hình phá hoại xảy ra theo
hai trường hợp giống với mẫu sàn cột giữa khơng sử dụng ứng lực trước
đó là: (1) mặt cắt thủng nằm ngồi vùng bố trí cốt đai; (2) mặt phá hoại
cắt thủng cắt qua cốt đai.
2.3. Giải pháp cấu tạo và thực nghiệm liên kết cột biên, cột góc ống
thép nhồi bê tơng với sàn phẳng bê tơng cốt thép

Cấu tạo liên kết đề xuất
1

1

1

1

1

4

1

4

2I

2
3

2

2I

2
3

2

2-2

2I
2I

1-1

2-2

1-1

CỘT BIÊN

CỘT GÓC

1. Cột CFST; 2. Shear-head; 3. Tấm liên tục; 4. Lổ khoan sẵn
Hình 2.78. Cấu tạo liên kết cột biên, cột góc CFST – sàn phẳng BTCT

Thiết kế và chế tạo mẫu thí nghiệm
Þ14a170

50

150

(300x300x10)

65

2I

450

Sàn BTCT Tấm thép

Cột CFST

100

Þ14a85

600
900

Tấm thép đỡ Shear-head

35

300

Þ14a85

300

Þ14a85

I1

300

200

1350
150

(H100x100)

300

1200

1500

1-1
Þ14a170

Þ14a170

Þ14a170

Tấm thép

(H100x100)

200

900

Shear-head

150

I1

2I

1500

2-2

Hình 2.80. Cấu tạo chi tiết liên kết


13

Hình 2.81. Bố trí cốt thép cho liên kết cột biên, cột góc CFST – sàn phẳng BTCT

Thiết bị và thiết lập thí nghiệm

Hình 2.84. Thiết lập thí nghiệm cho cột biên, cột góc

Thí nghiệm vật liệu
Kết quả thí nghiệm

Hình 2.85. Ứng xử của mẫu cột biên sau
thí nghiệm

Hình 2.86. a) Đồ thị
tải trọng-chuyển vị


14

Hình 2.88. Ứng xử của mẫu cột góc sau
phá hoại

Hình 2.89.a) Đồ thị tải

trọng - chuyển vị

Kết quả thí nghiệm xác nhận mơ hình phá hoại cho cả hai mẫu sàn
cột biên và sàn cột góc đều là phá hoại uốn.
2.4. Kết luận Chương 2
1. Nghiên cứu thực nghiệm trên các mẫu dầm bê tông cốt thép (kết
cấu một phương) với cột ống thép nhồi bê tông sử dụng các kiểu hình
dạng shear-head khác nhau. Kết quả cho thấy việc lựa chọn shear-head
là các thép hình tiết diện H hoặc I làm chi tiết liên kết là hợp lý.
2. Đề xuất giải pháp cấu tạo cải tiến liên kết cột ống thép nhồi bê
tông với sàn phẳng bê tông cốt thép.
3. Nghiên cứu thực nghiệm một cách hệ thống cho liên kết cột giữa,
cột biên, cột góc ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép
khi xét tương quan trong cùng hệ kết cấu.
4. Nghiên cứu thực nghiệm liên kết cột giữa ống thép nhồi bê tông
với sàn phẳng bê tông ứng lực trước với chi tiết liên kết tương tự như
cột giữa ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép.


15

CHƯƠNG 3. MƠ PHỎNG SỐ LIÊN KẾT VÀ
MƠ HÌNH TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT THỦNG
CỦA SÀN TẠI LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ
TƠNG VỚI SÀN PHẲNG
3.1. Mơ phỏng số liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng

Mô phỏng liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê
tông cốt thép và xác thực với kết quả thí nghiệm
Sử dụng phần tử khối C3D8R để mô phỏng cho các cấu kiện: sàn bê

tông, ống thép hộp, lõi bê tông, shear-head và các tấm đặc tải. Phần tử
dạng thanh T3D2 dùng để mô phỏng cho cốt thép dọc, cốt đai, cốt vịng.
Bê tơng: Sử dụng đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của bê
tông để mô phỏng bê tông trong miền đàn hồi và mơ hình phá hoại dẻo
(CDP) để mơ phỏng ứng xử của bê tông sau miền đàn hồi.
Vật liệu thép: Sử dụng mơ hình đàn hồi - dẻo

Hình 3.5. Mơ hình mơ phỏng liên kết sàn BTCT – cột CFST
Sử dụng tương tác surface to surface cho sàn BTCT với cột CFST,
ống thép hộp với lõi bê tông; tương tác tie cho shear-head với vỏ ống
thép và tương tác embedded cho cốt thép thanh với sàn BTCT.


16

Hình 3.6. Điều kiện biên, điều kiện chuyển vị cho kết cấu

Hình 3.7. Đồ thị tải trọng –
chuyển vị đứng của sàn theo thí
nghiệm và mơ phỏng

Hình 3.8. Đồ thị tải trọng – biến
dạng của bê tông mặt dưới sàn theo
phương vng góc với mặt cột từ
kết quả thí nghiệm và mô phỏng

Mô phỏng liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê
tông ứng lực trước và xác thực với kết quả thí nghiệm
Phần tử C3D8T để mô phỏng cáp ứng lực trước. Cáp ứng lực trước
được mơ phỏng bằng cách quy đổi về diện tích tương đương.

Hình 3.11. Mơ hình mơ phỏng mẫu thí nghiệm sàn ƯLT – cột CFST


17
Mơ hình thay đổi nhiệt độ được sử dụng để tạo ứng lực trước trong
cáp [21]. Với Esp=200GPa, hệ số giãn vì nhiệt α = 1,15×10-5 (1/oC) và
ứng suất kéo cáp ban đầu là 1300MPa, thì nhiệt độ sử dụng mơ phỏng là
ΔT = -565,2 oC.

Hình 3.14. Đồ thị tải trọng –
chuyển vị của sàn theo thí nghiệm
và mơ phỏng

Hình 3.17. Đồ thị tải trọng – biến
dạng của cốt thép đai

Nhận xét: kết quả so sánh mô phỏng số liên kết cột giữa ống thép
nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép và sàn phẳng bê tông ứng
lực trước là tương đồng với kết quả thực nghiệm. Điều đó chứng tỏ độ
tin cậy của mơ hình mơ phỏng số.

Khảo sát ảnh hưởng của các tham số đến liên kết
Từ kết quả mô phỏng số thực hiện khảo sát ảnh hưởng của các tham
số đến sự làm việc của liên kết như kích thước của vùng liên kết, tiết
diện ngang của shear-head, hàm lượng cốt thép dọc, cường độ bê tơng
và ảnh hưởng của cốt thép đai.
3.2. Mơ hình tính tốn khả năng chịu cắt thủng của sàn phẳng tại
liên kết với cột giữa ống thép nhồi bê tông

Đề xuất chu vi tiết diện tới hạn
Trường hợp 1: Mặt cắt thủng nằm ngồi vùng bố trí cốt đai.


18

a) Mặt phá hoại ngoài vùng cốt đai

b) Mặt phá hoại cắt qua cốt đai

(1)Shear-head; (2) Đỉnh shear-head; (3) Chu vi trung bình của mặt phá hoại; (4) Mặt
phá hoại; (5) Chu vi cốt đai ngoài cùng; (6) dv khoản cách từ cánh dưới của shead-head
đến trọng tâm cốt thép chịu uốn

Hình 3.30. Phân tích các chu vi tới hạn của sàn phẳng bê tơng cốt thép

Hình 3.31. Phân tích các chu vi tới hạn của sàn phẳng bê tông ứng lực trước


19
Trường hợp 2: Mặt cắt thủng xuất phát từ cánh dưới của shear-head
và cắt qua cốt đai.
b b d

b0,in   c s  v  lv  4 2  4bs
2
 2


(3.1)

Trong đó: bc – bề rộng cột; bs – bề rộng lớp cốt đai ở đỉnh shearhead; lv – chiều dài đoạn shear-head nhúng trong sàn tính từ mặt cột; dv
– chiều cao làm việc chịu cắt của sàn.
b 0,in = bc - bs + dv + l v 4 2 + 4bs
2
2

bs

bs

Chu vi
tháp cắt thủng

d v /2

kd

v

d v/2

k = 2.0
Chu vi
tháp cắt thủng
kd

b 0,in
lv

lv

v

bc

bs

bs

bc

kd v

lv

lv

kdv
kd

d v/2

lv

bc

lv

d v/2

d v/2

v

kd v

kd

v

b 0,out

d v/2

d v/2

lv

bc

lv

d v/2

a) Chu vi phá hoại ngồi vùng
b) Chu vi phá hoại cắt qua
cốt đai
cốt đai
Hình 3.33. Đề xuất chu vi phá hoại

Mơ hình tính tốn khả năng chịu cắt thủng của sàn phẳng bê
tông cốt thép và so sánh kết quả với thí nghiệm
Trường hợp 1: Mặt cắt thủng nằm ngồi vùng bố trí cốt đai.





VR,ou t  0,18 1  200 / d 100ρf c 

Trong đó:(1 + (200/d)

1/2

1/3

b0,out d

(3.2)

 2.0) - ảnh hưởng kích thước sàn; ρ - hàm

lượng cốt thép chịu uốn; fc - cường độ chịu nén của bê tông; d - chiều
cao làm việc của sàn bên ngoài vùng bố trí cốt đai; b0,out - chu vi tiết
diện phá hoại xác định như Hình 3.a.
Trường hợp 2: Mặt cắt thủng xuất phát từ đỉnh shear-head và cắt qua
cốt đai.
VR,in  λVc  Vsw

(3.3)


20
+ Khả năng chịu cắt của bê tông:



Vc  0,18 1  200 / d v

 100ρf 

1/3

c

b 0,in d v

(3.4)

Trong đó: dv - chiều cao làm việc chịu cắt trên tiết diện phá hoại, b0,in
– chu vi tiết diện phá hoại.
+ Khả năng chịu cắt của cốt đai trên tiết diện nghiêng:
d 
Vsw  A sw f yw  v 
 sw 

(3.5)

Trong đó: Asw - diện tích của một chu vi cốt đai; fyw – cường độ chảy

dẻo của cốt thép (MPa); sw – là khoảng cách giữa các chu vi cốt đai.
Khả năng chịu cắt danh nghĩa của sàn sử dụng shear-head và cốt đai
là VR = min(VR,in, VR,out)
Bảng 3.8. So sánh kết quả tính tốn với thực nghiệm
Mẫu
S0-L40-C45-SW10-1.27
Stest (mẫu thí nghiệm)

b0,in
(mm)
3701,1
3862

b0,out
(mm)
5360
5209

V0,out
(mm)
1126,7

V0,in
(kN)
1593,4

Vcal
(kN)
1126,7

----

----

----

Vtest
(kN)

Vcal
Vtest

--1250

0,901

Bảng 3.9. So sánh kết quả tính tốn với nghiên cứu của D.V. Bompa[16]
b0,in
(mm)
3437,7
3437,7

Mẫu
HS13-0T
HS13-CT

b0,out
(mm)
-------

V0,out
(mm)
-------

V0,in
(kN)
1516,7
1563,3

V
(kN)
1516,7
1563,3

Vtest
(kN)
1655
1830

Vcal
Vtest
0,92
0,85

Bảng 3.10. So sánh kết quả tính tốn với kết quả mơ phỏng số Abaqus
Mẫu
S1-L25-C45-SW10-1.27
S2-L50-C45-SW10-1.27
S3-L40-C20-SW10-1.27
S4-L40-C30-SW10-1.27

S5-L40-C45-SW05-1.27
S6-L40-C45-SW10-1.56
S7-L40-C45-SW10-0.78

b0,in
(mm)
2852,6
4266,8
3701,1
3701,1
4266,8
3701,1
3701,1

b0,out
(mm)
4200,0
5608,0
5360,0
5360,0
5360,0
5360,0
5360,0

V0,out
(mm)
942,2
1258,0
916,6
1049,3

1202,4
1287,7
1022,0

V0,in
(kN)
1486,8
1732,1
1481,4
1552,2
2724,1
1679,5
1537,7

Vcal
(kN)
942,2
1258,0
916,6
1049,3
1202,4
1287,7
1022,0

Vabaqus
(kN)
1153
1315
1034,3
1156,7

1279,6
1391,3
1000,7

Vcal
Vabaqus
0,82
0,96
0,89
0,91
0,94
0,93
1,02

Nhận xét: biểu thức tiên đoán khả năng chịu cắt thủng của sàn sử
dụng các chu vi tiết diện tới hạn đề xuất cho kết quả tính phù hợp với
kết quả từ các mơ hình thực nghiệm và mơ phỏng số.


21

Mơ hình tính tốn khả năng chịu cắt thủng của sàn phẳng bê
tông ứng lực trước và so sánh kết quả với thí nghiệm
Trường hợp 1: Mặt cắt thủng nằm ngồi vùng bố trí cốt đai.
V0,in  Vc  V p

(3.6)

Khả năng chịu cắt của cốt bê tông là:
Vc  0,18(1  200 / d v )  (100  f c )1/3  0,1 cp  b0,out  d

(3.7)

Trong đó: σcp = ( σcx + σcy)/2; σcx, σcy ứng suất nén trung bình trong
bê tơng theo hai phương.
Khả năng chịu cắt cáp ứng lực theo phương đứng:
n

n

i 1

i 1

Vp   v pi   Asp  f yp  sin 

(3.8)

Trong đó: Asp – Diện tích mỗi bó cáp cắt qua khe nứt nghiêng trên
chu vi b0,out (mm2); fyp - ứng suất hiệu quả trong cáp (MPa); θ – góc
nghiêng giữa cáp với phương ngang.
Trường hợp 2: Mặt cắt thủng xuất phát từ đỉnh shear-head và cắt qua
cốt đai.
V0,in  Vc  Vsw  V p

(3.9)

Khả năng chịu cắt của cốt bê tông là:
Vc  0.18(1  200 / d v )  (100  f c )1/3  0.1 cp  b0,in  d v

(3.10)

Khả năng chịu cắt của cốt đai trên tiết diện nghiêng:
d 
Vsw  Asw f yw  v 
 sw 

(3.11)

Bảng 3.12. So sánh kết quả tính tốn với thực nghiệm
Mẫu

θ
(o)

σx = σ y
(MPa)

V0,out
(mm)

V0,in
(kN)

Vcal
(kN)

Vtest
(kN)

S0-C47-1.27

3,0

3,80

1888,4

1699,9

1699,9

---

Stest

---

----

----

----

----

1780

Vcal
Vtest

0,955

Ghi chú: Vtest là kết quả thí nghiệm; Vcal là kết quả tính tốn sử dụng mơ hình tính
với hai chu vi phá hoại đề xuất.


22
Bảng 3.13. So sánh kết quả mô phỏng với công thức tính đề xuất.
Mẫu
S1-C30-1.27
S2-C35-1.27
S3-C40-1.27
S4-C47.7-0.49
S5-C47.7-0.78

θ
(o)
3,0
3,0
3,0
3,0
3,0

σ x =σ y
MPa
3,80
3,80
3,80
3,80
3,80

V0,out
(mm)
1602,6
1634,3
1663,2
1512,4
1598,2

V0,in
(kN)
1711,2
1766,5
1816,8
1554,1
1703,6

Vcal
(kN)
1602,6
1634,3
1663,2
1512,4
1598,2

Vabaqus
(kN)
1596,9
1664,6
1680,8

1491,3
1600,5

Vcal
Vabaqus
1,004
0,982
0,990
1,014
0,999

Nhận xét: kết quả tính tốn khả năng chịu lực của sàn từ mơ hình
tính trên các chu vi phá hoại đề xuất cho thấy sự phù hợp với kết quả thí
nghiệm và mơ phỏng Abaqus. Điều này chứng tỏ mơ hình tính tốn đề
xuất đảm bảo độ tin cậy.
3.3. Kết luận Chương 3
Trong chương này đã trình bày quy trình mơ phỏng số cho liên kết
cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép và sàn phẳng
bê tông ứng lực trước.
Việc tính tốn khả năng chịu cắt thủng của sàn khi xem hệ shearhead hoạt động như một mũ cột lớn. Tham khảo tiêu chuẩn Eurocode 2
để tính tốn khả năng chịu cắt thủng của sàn dựa vào hai chu vi tới hạn
đề xuất. Kết quả tính tốn đảm bảo độ tin cậy.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Đề xuất giải pháp cấu tạo cải tiến liên kết cột CFST với sàn
phẳng:
Giải pháp cấu tạo liên kết gồm: (1) shear-head là các thép hình H,
(2) tấm thép liên tục, (3) cốt thép đai, (4) cốt thép vòng và (5) cốt thép
dọc xuyên cột. Trong đó:

Liên kết đã kế thừa việc sử dụng shear-head làm chi tiết liên kết và
xác định được hình dạng hợp lý của shear-head là các thép hình H dựa
vào kết quả phân tích thực nghiệm ảnh hưởng hình dạng shear-head đến
ứng xử của dầm bê tơng cốt thép và cơ chế truyền tải từ dầm vào cột


23
theo mơ hình giàn ảo.
Bổ sung các chi tiết để cải tiến liên kết sàn phẳng – cột CFST, cụ
thể: cấu tạo bản bụng của shear-head ngàm vào bên trong lõi cột nhằm
tăng độ tin cậy cho liên kết. Thêm tấm thép liên tục xung quanh chu vi
cột góp phần đảm bảo cơ chế truyền tải từ sàn vào cột được liên tục. Bố
trí cốt thép đai và cốt thép vòng giúp gia cường khả năng chịu cắt cho
sàn.
Nghiên cứu thực nghiệm liên kết cột CFST với sàn phẳng:
Thực hiện thiết kế, chế tạo khung gia tải chuyên dụng cho thí
nghiệm liên kết cột CFST với kết cấu sàn phẳng nhằm mơ phỏng chính
xác ứng xử của mẫu thí nghiệm so với trạng thái làm việc thật của liên
kết xét trong hệ kết cấu tổng thể.
Nghiên cứu thực nghiệm trên 03 mẫu có kích thước lớn gồm: mẫu
cột giữa, cột biên, cột góc CFST với sàn phẳng bê tơng cốt thép được
xét trong cùng một hệ kết cấu. Kết quả thí nghiệm mẫu cột giữa cho
thấy: (1) ứng xử từ thực nghiệm minh chứng cho sự hợp lý của các chi
tiết cấu tạo được bố trí để cải tiến liên kết như giúp tăng độ tin cậy, đảm
bảo cơ chế truyền lực liên tục và nâng cao khả năng chịu cắt cho sàn;
(2) mơ hình phá hoại cuối cùng là cắt thủng; (3) cơ chế phá hoại cho
phép xác định hai trường hợp phá hoại hoặc mặt phá hoại xuất phát từ
đỉnh của shear-head cắt qua cốt đai, hoặc mặt phá hoại xảy ra bên ngồi
vùng bố trí cốt đai. Đối với mẫu cột biên, cột góc: (1) kết quả thí
nghiệm xác nhận khả năng chịu lực của liên kết là đảm bảo, chi tiết liên

kết đáp ứng được vai trị kết nối sàn – cột; (2) mơ hình phá hoại của cột
biên và cột góc là phá hoại uốn.
Nghiên cứu thực nghiệm liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng bê
tơng ƯLT. Kết quả thí nghiệm cho thấy: (1) sự có mặt của cốt thép ứng
lực trước cải thiện đáng kể ứng xử của sàn như nâng cao tải trọng gây
nứt, hạn chế bề rộng vết nứt và biến dạng của sàn sau phá hoại; (2) mô


24
hình phá hoại cuối cùng và cơ chế phá hoại tương tự như mẫu cột giữa
CFST liên kết với sàn phẳng bê tông cốt thép.
Nghiên cứu mô phỏng số liên kết cột CFST với kết cấu sàn phẳng:
Mô phỏng số liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng BTCT và sàn
phẳng bê tơng ƯLT bằng phần mềm Abaqus. Chương trình mô phỏng
giúp: hiểu sâu hơn các ứng xử của liên kết mà thực nghiệm không thực
hiện được và cho phép khảo sát ảnh hưởng của các tham số quan trọng
đến sự làm việc của liên kết. Với shear-head, chiều dài làm việc hiệu
quả là 4dv (dv – chiều cao làm việc của sàn khi chịu cắt) và tỉ số độ cứng
của shear-head với tiết diện bê tông quy ước αv ≥ 0,15 để nó đáp ứng
vai trị làm gối tựa cho sàn. Về ảnh hưởng của cốt thép dọc, khi tăng
hàm lượng thì khả năng chịu tải trọng của sàn tăng và khi hàm lượng
cốt thép ≤ 0.2% thì xem xét bỏ qua ảnh hưởng của nó đến khả năng chịu
cắt của sàn khi tính tốn. Đối với cốt đai khảo sát cho thấy sự có mặt
của nó giúp nâng cao khả năng chịu cắt cho sàn. Về ảnh hưởng của bê
tơng, nếu tăng cường độ thì khả năng chịu cắt của sàn tăng tương ứng.
Đề xuất công thức xác định chu vi phá hoại của tháp cắt thủng
sàn và xác định khả năng chịu cắt thủng của sàn dựa vào công thức của
tiêu chuẩn EC2.
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số cho thấy khả
năng chịu cắt thủng của sàn phụ thuộc vào các tham số như chiều dày

sàn, hàm lượng cốt thép chịu uốn, tác dụng của ứng lực trước và đặc
trưng của vật liệu. Tiêu chuẩn EC2 đã đề cập tất cả các tham số này
trong biểu thức xác định khả năng chịu cắt thủng của sàn. Do đó, luận
án đã tham khảo EC2 để tính khả năng chịu cắt của sàn tại liên kết với
cột giữa CFST với các chu vi phá hoại đề xuất. Sự phù hợp giữa kết quả
tính tốn với kết quả thí nghiệm và mơ phỏng số chứng tỏ mơ hình tính
với các chu vi phá hoại đề xuất là hợp lý và tin cậy.
Kiến nghị


25
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC
1. Dao Ngoc The Luc, Truong Quang Hai, Truong Hoai Chinh, Dao Ngoc The
Vinh, An Experimental Research on Connection of Boundary Concrete Filled
Steel Tube Columns and Reinforced Concrete Slab, International Journal of
Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE, Scopus), ISSN:
2278-3075, Số 9(2), 2019.

2. Dao Ngoc The Luc, Truong Quang Hai, Truong Hoai Chinh, Dao Ngoc The
Vinh, Concrete Filled Steel Tube Column and Wide Beam Connection:
Proposed Structures and Experiment, International Journal of Engineering and
Advanced Technology (IJEAT, Scopus), ISSN: 2249 – 8958, Số 9(2), 2019.

3. Đào Ngọc Thế Lực, Trương Quang Hải, Trần Quang Khải, Phan Nhật Long,
Khả năng chịu cắt tại liên kết cột ống thép nhồi bêtông với dầm bẹt bê tông cốt
thép: Phần 1 – Mơ hình thí nghiệm, Tạp chí Xây dựng, ISSN 0866-0762, Số
04-2018, Trang 104-107, 2018.

4. Đào Ngọc Thế Lực, Trương Quang Hải, Trần Quang Khải, Nguyễn Minh
Tuấn Anh, Khả năng chịu cắt tại liên kết cột ống thép nhồi bêtông với dầm bẹt

bê tông cốt thép: Phần 2 – Cơ chế truyền lực cắt, Tạp chí Xây dựng, ISSN
0866-0762, Số 04-2018, Trang 108-110, 2018.

5. Trương Quang Hải, Đào Ngọc Thế Lực, Trương Hồi Chính, Nguyễn Minh
Tuấn Anh, Khảo sát số bằng Abaqus ảnh hưởng của các tham số đến liên kết
cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tơng cốt thép – Phần 1: Ảnh hưởng
của kích thước chốt chịu cắt (shear-head), Tạp chí Xây dựng, 2020.

6. Trương Quang Hải, Đào Ngọc Thế Lực, Trương Hồi Chính, Nguyễn Minh
Tuấn Anh, Khảo sát số bằng Abaqus ảnh hưởng của các tham số đến liên kết
cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép – Phần 2: Ảnh hưởng
của cường độ bê tông và cốt thép, Tạp chí Xây dựng, 2020.

7. Đề tài khoa học cấp cơ sở (Trường ĐH Bách khoa - ĐH Đà Nẵng): Xây dựng
mơ hình thực nghiệm cấu tạo đề xuất liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn
phẳng bê tơng cốt thép. Chủ trì: Trương Quang Hải. Thành viên: Đào Ngọc
Thế Lực, Trương Hồi Chính. Mã số đề tài: T2018-02-29. Thời gian thực hiện:
12/2017-06/2019.