Khảo sát sự ảnh hưởng của tải trọng sàn đối với ứng xử nén của nút cột sàn bê tông cốt thép

Khảo sát ảnh hưởng của tải trọng sàn đến ứng xử nén của nút cột trong kết cấu bê tông cốt thép, cung cấp kiến thức chuyên sâu cho ngành xây dựng.

• Tác giả: Nguyễn Trung Kiên
• Người hướng dẫn: TS. Hồ Hữu Chỉnh
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Khảo sát ảnh hưởng của tải trọng sàn đến ứng xử nén nút cột sàn bê tông cốt thép
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát tải trọng sàn và ảnh hưởng của nó đến ứng xử cột sàn trong kết cấu bê tông cốt thép. Mục tiêu chính là phân tích khả năng chịu lực và ứng xử của nút liên kết giữa cột và sàn bê tông dưới tác động của tải trọng. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng ứng xử nén của nút cột sàn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tiết diện cột, chiều dày sàn, cường độ bê tông và thép, cũng như tải trọng tác dụng lên sàn. Việc khảo sát này không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn mang lại giá trị thực tiễn trong thiết kế và thi công công trình.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu là khảo sát thực nghiệm khả năng chịu lực và ứng xử của mẫu liên kết cột sàn bê tông cốt thép dưới các tải trọng khác nhau. Nghiên cứu sẽ phân tích sự ảnh hưởng của tải trọng sàn đến ứng xử nén của nút cột sàn, từ đó so sánh với các kết quả thực nghiệm và lý thuyết tính toán đã có. Điều này giúp bổ sung vào ngân hàng dữ liệu và cung cấp những nhận xét có giá trị cho việc thiết kế và thi công.

II. Tổng quan về các nghiên cứu liên quan

Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để khảo sát ứng xử cột sàn trong các kết cấu bê tông cốt thép. Các tác giả như Bianchini (1960) và Gamble & Klinar (1991) đã tiến hành thí nghiệm nhưng không xem xét đến tải trọng sàn. Các tiêu chuẩn như ACI 318-2008 và CSA A23.3-2004 đã đưa ra các công thức tính toán cường độ bê tông hiệu quả của cột, tuy nhiên, không có nghiên cứu nào xem xét ảnh hưởng của tải trọng trên sàn đến ứng xử của nút cột sàn. Điều này cho thấy sự cần thiết phải thực hiện nghiên cứu này để làm rõ hơn về mối quan hệ giữa tải trọng sàn và ứng xử nén của nút cột sàn.

2.1. Ảnh hưởng của tải trọng sàn

Tải trọng sàn có thể làm giảm ứng suất nén cực đại và biến dạng lớn nhất tại nút cột sàn. Các thí nghiệm cho thấy rằng khi tải trọng sàn được áp dụng, ứng suất nén tại mối nối bê tông có thể vượt quá ứng suất hình trụ, dẫn đến sự thay đổi trong trạng thái ứng suất của bê tông. Điều này cho thấy rằng việc xem xét tải trọng sàn là rất quan trọng trong thiết kế kết cấu bê tông cốt thép, nhằm đảm bảo tính an toàn và hiệu quả của công trình.

III. Phương pháp thí nghiệm

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thí nghiệm để khảo sát ứng xử nén của nút liên kết cột sàn bê tông cốt thép. Các mẫu thí nghiệm được thiết kế với các kích thước và cường độ bê tông khác nhau, nhằm đánh giá ảnh hưởng của tải trọng sàn đến ứng xử nén. Thiết bị thí nghiệm bao gồm máy nén, cảm biến đo lực và thiết bị ghi dữ liệu. Quy trình thí nghiệm được thực hiện theo các bước chặt chẽ để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả.

3.1. Thiết bị thí nghiệm

Thiết bị thí nghiệm bao gồm máy nén thủy lực, cảm biến đo lực và các thiết bị hỗ trợ khác. Các mẫu bê tông được chuẩn bị và đúc theo tiêu chuẩn, sau đó được đặt vào máy nén để thực hiện thí nghiệm. Quá trình thí nghiệm được giám sát chặt chẽ để đảm bảo rằng các điều kiện thí nghiệm được duy trì ổn định, từ đó thu thập được dữ liệu chính xác về ứng xử của mẫu dưới tải trọng tác dụng.

IV. Phân tích kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng tải trọng sàn có ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử nén của nút cột sàn. Các mẫu thí nghiệm cho thấy rằng khi tải trọng sàn tăng lên, ứng suất nén tại mối nối bê tông cũng tăng theo, dẫn đến sự thay đổi trong trạng thái ứng suất của bê tông. Điều này cho thấy rằng việc thiết kế kết cấu bê tông cốt thép cần phải xem xét đến tải trọng sàn để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả của công trình.

4.1. Kết quả và thảo luận

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng ứng suất nén tại mối nối bê tông có thể vượt quá giới hạn cho phép khi tải trọng sàn đạt đến một mức nhất định. Điều này cho thấy rằng việc thiết kế kết cấu cần phải tính toán cẩn thận để đảm bảo rằng ứng suất nén không vượt quá giới hạn cho phép, nhằm tránh các sự cố trong quá trình sử dụng. Nghiên cứu này cung cấp những thông tin quý giá cho các kỹ sư trong việc thiết kế và thi công các công trình bê tông cốt thép.

V. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tải trọng sàn có ảnh hưởng lớn đến ứng xử nén của nút cột sàn bê tông cốt thép. Các kết quả thí nghiệm cho thấy rằng việc xem xét tải trọng sàn là rất quan trọng trong thiết kế kết cấu bê tông cốt thép. Nghiên cứu khuyến nghị rằng các tiêu chuẩn thiết kế cần được cập nhật để bao gồm các yếu tố ảnh hưởng từ tải trọng sàn, nhằm đảm bảo tính an toàn và hiệu quả cho các công trình xây dựng.

5.1. Kiến nghị cho nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo nên mở rộng phạm vi khảo sát để bao gồm các loại tải trọng khác nhau và các điều kiện môi trường khác nhau. Điều này sẽ giúp làm rõ hơn về mối quan hệ giữa tải trọng sàn và ứng xử nén của nút cột sàn, từ đó cung cấp những thông tin quý giá cho việc thiết kế và thi công các công trình bê tông cốt thép trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU: Vi ly do kinh tế, cột bê tông thường được làm băng bê tông có độ bền cao hơn là những tâm flab hoặc tâm hỗ trợ. Trong phương pháp ưa thích của xây dựng, bê tong san được đúc liên tục thông qua khớp cột san. Kết quả là, một phân của cột hình thành các liên kết gitra san và cột được thực hiện với một bê tông cấp thấp hơn của phân còn lại của cot. Trong nội dung đề tài nghiên cứu về ng xử nén của nút liên kết cột — sàn bê tông cốt thép, các nghiên cứu trước của một số tác giả đã cho thấy ứng xử nén của nút do nhiều yếu tổ quy định như: tiết diện cột, chiều dày sàn, cường động bê tông và thép, sô lượng thép chịu lục chính, thép dai, tải trọng trên san.Dé tài này tập trung “Khảo sát sự ảnh hưởng của tải trọng sàn đổi với ứng xử nén của nút cột — sàn bê tông cốt thép”.

Ở Việt Nam và trên thé giới kết câu sờn không dam đã được ứng dụng nhiêu nhăm tăng chiêu cao sử dụng cho công trình, đáp ứng về mặt tham mĩ - kiến trúc. Vì vay, khảo sát, nghiên cứu liên kết đặc trưng này trong một kết cau điển hình được sử dụng rat rong rai la điều hết sức cần thiết. Đặc biệt, khảo sát với tỉ lệ Peelf .0, có hoạt tải trên sàn mà chưa có tác giả nào thực hiện va đây cũng là mục đích chính của đê tat. MỤC TIỂU CUA ĐÈ TÀI : Mục tiêu nghiên cứu được dé xuất trong luận văn này như sau: e Khảo sát thực nghiệm về khả năng chịu lực và ứng xử mẫu liên kết cột sàn betong cốt thép với tai trọng sàn khác nhau.

e Phân tích sự ảnh hưởng của tải sàn như thê nào đến liên kết nút cột-sàn. e So sánh với các kết quả thực nghiệm, nghiên cứu liên quan va cơ sở lý thuyết tính toán. Ý NGHĨA NGHIÊN CỨU: 1. Y nghĩa khoa học : Dé tai sẽ tiến hành khảo sát bang thí nghiệm với tỉ lệ ƒ,„?„=1.0, có hoạt tải trên sàn mà chưa có tac gia nào thực hiện.

BO sung vào ngân hang dữ liệu, tổng hợp, phân tích, so sánh kết quả với các dé tài đã nghiên cứu va đưa ra kết luận day đủ hơn. Y nghĩa thực tiễn : Xem xét ứng xử của liên kết cột san do tải trọng trên sàn, b6 sung và đưa ra nhận xét, kết luận day đủ dé việc thiết kế và thi công đạt hiệu quả nhất. Chương II: TONG QUAN VE CÁC NGHIÊN CUU LIEN QUAN Vi ly do kinh tế, cột bê tông thường được làm băng bê tông có độ bền cao hơn là những tam flab hoặc tam hỗ trợ. Trong phương pháp ưa thích của xây dựng, bê tông tâm được đúc liên tục thông qua khớp cột sàn.

Kết quả là, một phân của cột hình thành các liên kết gitra sàn va cột được thực hiện với một cấp thấp hơn của bê tông hơn là phân còn lại của cột.12 của tiêu chuẩn 2008 ACI (ACI 318-2008) xác định cường độ bê tông hiệu quả của cột trong có mác cao với bê tông sàn mác thường. Điêu khoản nay được dựa trên các thí nghiệm trong những ứng dung là không tải trên các san. Thử nghiệm như vậy có thể đánh giá vượt quá ước tính của cột bởi vì mô hình không xét đúng các điều kiện confinement của liên kết cột sàn. Các nghiên cứu trước của một số tác giả đã cho thay ứng xử nén của nút do nhiêu yêu tô quy định như: tiết diện cột, chiêu dày sàn, cường động bê tông và thép, số lượng thép chịu lục chính, thép đai, tải trọng trên sàn.

Bianchini 1960 (ACT 318-1995) Đã thí nghiệm về nút liên kết cột-sàn như Bianchini (1960) với 11 mẫu, Gamble và Klinar (1991) với 6 mau, nhưng tat cả déu không có tải trọng trên sàn. Theo tiêu chuẩn ACI 318-2008 và CSA A23.3-2004: Lực nén đúng tâm : Po = Of’„(A,- Asi) + Asi (1) Trong đó, A¿;: diện tích mat cắt cột A.„: diện tích thép theo phương doc fu. cường độ bê tông (kiểm tra theo mẫu hình tru đứng) fy: cường độ thép chảy dẻo Qa, = 0.85 Công thức cường độ cột bê tông hữu hiệu với P,,,; là lực tôi đa của thí nghiệm mẫu. ¬ Prost 7 Ty Ag ; fe — “9 (2) Ø, (.

a Ay, _ Theo tiêu chuan ACI 318-2008, đôi với những cột bên trong thì cường độ bê tông hữu hiệu được cho bởi: Jee <14; fee =/ Jee >1.35 f cs (3) cs cs 2. Gamble & Klinar (1991) Thiết kế này vượt quá ước tinh cường độ liên kết và có tỉ lệ giữa cường độ cột và cường độ sàn quá lớn, công thức thay đôi như sau: Jee <14 3 free =/ Joe >14 35 fee =0. (4) cs cs Theo tiêu chuẩn Canada CSA A23.3-2004: Sec <143 foe =free Sec >1⁄4; fee =0.057 ' (5) cs cs Cac thi nghiém cua Bianchini va Gamble and Klimar (1991) khong co luc san tac dụng. Trong kết cau nguyên mẫu, lực trên sàn sẽ lam giảm biến dạng kéo của khôi thép trong vùng ảnh hưởng của cột.

Nó được xem là nguyên nhân gây ra những ảnh hưởng xâu tới khả năng chịu lực của sàn xung quanh cột. Xem xét liên kết cột có cường độ bê tông cao hơn san. Dưới tác dụng lực, liên kết tại vi trí này có thé biến dạng nhiều hơn cột. Sự giãn nở của liên kết, tuy nhiên, nó được hạn chế bởi vùng xung quanh san.

Nếu sản không có lực tác dụng nhưng hình 1, nó sẽ tác động gidng như lực kéo, liên kết sẽ bị kéo giãn ra và gây ra 1 áp lực tại liên kết bê tông sàn — cột này. Ap luc nãy sẽ phân bố déu vượt quá chiều cao của liên kết và ứng suất kéo được tạo ra ở cả lớp thép trên và lớp thép dưới của san. Nếu sàn có lực tác dụng được minh họa ở hình 2, sẽ có hiện tượng võng xảy ra ở phân trên liên kết của sàn là chịu kéo và phân dưới là chịu nén. Dưới trục trung hòa của sự uốn, sự uốn do nén của toàn khối sàn kiềm hãm liên kết.

Trên trục trung hòa của sự uôn, liên kêt không được kiêm hãm bởi vùng xung quanh san. Approximate Dimensions (mm) concrete concrete Source strength strength Reinforcement a b C € h (MPa) (MPa) Pool Pslab (1) (2) 3) | @ | GO) (6) (7) (8) (9) (10) Bianchini et al. Tổng hợp chỉ tiết mẫu liên kết nút sàn — cột trong 2. Kayani (1992) Đã tiên hành thí nghiệm 2 mau cột biên có sàn va 4 mâu cột sandwich.

Cho thây, chênh lệch cường độ be tong sàn cột ảnh hưởng đến cường độ của liên kết bên trong cột sandwich. Không xét sự ảnh hưởng của tải trọng trên sàn.4 fo — 2% (6) foot Fes † cs hg = 1.25 cho cột trong Ag = 1. Shu & Hawkins (1992) Đã tiền hành thí nghiệm 54 mẫu cột sandwich, để khảo sát ung xử của cột liên tục di qua san bê tong “Behavior of columns continuous through concrete floor”. Cho thay, tỷ lệ h/c và chênh lệch cường độ be tong sàn cột ảnh hưởng đến cường độ của liên kết bên trong cột sandwich.

Không xét sự ảnh hưởng của tải trọng san vì mâu không có san. Cường độ betong tại góc hay cạnh của cột là: Với A=1/(0.66h/c) free =fros + AŒ -f'es) (7) 10 1 LStronger c= «⁄{ Column N Concrete IZin.8 L¬Wegdker «| Floor Concrete ALE an +- “tø k~Stronger «| Column £ Concret w 12in. aes-Ka4“Sy i x =|.F Reinforced Concrete Plain Concrete Hình 2. Chi tiết mẫu thi nghiệm — cột trong 2.

Ospina & Alexander (1998) Tiến hành thí nghiệm khảo sát nút sàn cột, cho thay tai sàn, ty lệ h/c va chênh lệch cường độ be tong sàn cột ảnh hưởng đến cường độ của liên kết bên trong cột sàn. Một phương trình thiết kế mới thay thế các quy định tại khoản 10. 11 Concrete Strength Dimensions (mm) (MPa)* Specimen a b lộ đ° e h frou (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) AI-A, B,C 1,380 1,100 200 75 500 100 105 (27) 40 (28) A2-A,B,C 1,380 1,100 200 75 500 100 112 (29) 46 (28) A3-A,B,C 1,380 1,100 200 125 500 150 89 (27) 25 (28) A4-A,B,C 1,380 1,100 200 125 500 150 106 (29) 23 (28) B-1 1,350 1,150 250 225 625 250 104 (51) 42 (49) B-2 1,350 1,150 250 125 675 150 104 (56) 42 (54) B-3° 1,350 1,150 250 225 625 250 113 (44) 44 (42) B-4 1,350 1,150 250 125 675 150 113 (45) 44 (43) B-5 1,350 1,150 250 225 625 250 95 (17) 15 (20) B-6 1,350 1,150 250 125 675 150 95 (18) 15 (21) B-7 1,350 1,150 | 175x350] 225 625 250 120 (21) 19 (23) B-8° 1,350 1,150 | 175x350 125 675 150 120 (22) 19 (24) Bang 2. Chi tiét mau “S6 năm trong ngoặc () chi sô ngày tuôi của mau °Lớp bê tông bảo vệ 20mm “Mau có lõi bê tông cường độ cao “Mẫu cột hình chữ nhật 12 ˆ ˆ Prest Potab f‘ce Ctoft , , Series | Specimen h/c (KN) (KN) (MPa)? (ue} Í.

Kết quả test mẫu “Luc trên san là tong 4 lực đặt tai 4 góc san Tinh theo công thức (2) “Biến dạng trung bình của thép sản khi san được áp tải 2. Ứng xử của nút cột sàn betong cốt thép khi không có và có tải trên sàn: Tại nút sàn-cột với sàn không chịu tác dụng lực, giống như các mẫu thí nghiệm của Bianchini và Gamble and Klinar (1991). Minh họa vết nứt của mẫu tại mối nối khi không có lực sàn, vết nứt của sản được hình thành khi ứng suất của cột vượt quá cường độ bê tông hình trụ của mối nối. Tại mức nảy, những thanh thép dọc chảy dẻo của cột trong vùng mối nối.

Khi tiến hành thí nghiệm này, vết nứt lan ra từ cột đến cạnh của sàn. Sau đó, vết nứt sẽ lan đến giữa cạnh sàn và đến cột gân bên. Tât cả các vêt nứt sẽ xuyên qua bê dày của sàn. Column toad | Column Load : Tension in Slab Top and Bottom HSC Column F— Tension in Slab HSC Column - Reinforcement Crossing the Joint / Top Reinforcement NI Tension in Slab Joint Concrete due to Slab Bending Joint Concrete 1Í / f Top Reinforcement SN : | if Joint Transverse Expansion SI SN | ab Load NN | Slab Load | — + + -_ —_> ~~ L T— uae \ \h* _Í \ —- Tension in Slab + ¬ | \ Slab Segment \ | Slab Segment \ Bottom Reinforcement / của \ , \— Equilibrating Compression L Restraint Force Shear Forces (Provides Confinement over | (Provides Confinement Joint Bottom Region) Column Reaction| over Full Joint Depth) Column Reacton] Hình 2.

Biểu đồ mẫu thi nghiệm khi có và không có lực tác dung lên sàn Những gốc cột sẽ giữ lại chống các vết nứt gần như dưới 1 lực cực đại.