Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng khảo sát khả năng chịu chọc thủng của liên kết giữa cột thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng nghiên cứu khả năng chịu chọc thủng của liên kết cột thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép.

• Tác giả: Lê Minh Hoàng
• Người hướng dẫn: PGS. Ngô Hữu Cường
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Khảo sát khả năng chịu chọc thủng của liên kết giữa cột thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• THESIS ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled steel Tube — CFT)
• 1.2. Sàn phẳng bê tông cốt thép
• 1.3. Liên kết giữa cột CFT và sàn phẳng BTCT
• 1.4. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.5. Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học của đề tài
• 1.6. Các chương của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
• 2.1. Sự hình thành tháp chọc thủng
• 2.2. Các phương pháp gia tăng khả năng kháng chọc thủng của liên kết cột — sàn phẳng BTCT
• 2.2.1. Gia tăng hàm lượng cốt thép chịu kéo cho liên kết
• 2.2.2. Tăng cường độ bê tông quanh vùng tháp chọc thủng
• 2.2.3. Gia tăng diện tích vùng chịu lực đầu cột
• 2.2.4. Gia tăng cốt thép chịu cắt tại vị trí liên kết
• 2.2.5. Gia cường hệ cốt cứng chịu cắt (shear head) tại liên kết
• 2.3. Các phương pháp làm gia tăng khả năng kháng chọc thủng của liên kết cột CFT và sàn phẳng BTCT
• 2.3.1. Liên kết của Hiroki Satoh và Kazushi Shimazaki (2004)
• 2.3.2. Liên kết của Pinyu-Yan (2011)
• 2.3.3. Liên kết của Y.
• 2.4. Các tiêu chuẩn thiết kế chọc thủng
• 2.4.1. Chu vi tháp chọc thủng
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
• 3.1. Thiết lập khung gia tải
• 3.2. Vật liệu bê tông của 3 mẫu thí nghiệm S-C-V, S-C-M-V, S-04-M-V
• 3.3. Vật liệu thép sử dụng cho 3 mẫu thí nghiệm S-C-V, S-C-M-V và mẫu thí nghiệm S-04-M-V
• 3.4. Nghiên cứu thực nghiệm mẫu S-C-V và S-C-M-V
• 3.4.1. Sơ đồ lắp đặt strain gauge đo biến dạng cốt thép, biến dạng bê tông và chuyển vị trên sàn của thí nghiệm mẫu S-C-V và S-C-M-V
• 3.4.2. Quá trình đúc mẫu thí nghiệm S-C-V và S-C-M-V
• 3.4.3. Dụng cụ đo
• 3.4.4. Vận chuyển mẫu lên khung và bố trí thiết bị đo đạc
• 3.4.5. Kết quả thí nghiệm mẫu S-C-V
• 3.4.6. Kết quả thí nghiệm mẫu S-C-M-V
• 3.4.7. Nhận xét kết quả thí nghiệm mẫu S-C-V và S-C-M-V
• 3.5. Nghiên cứu thực nghiệm mẫu S-04-M-V
• 3.5.1. Vật liệu thép cột tròn đường kính 400 mm và thép sườn hàn theo chu vi cột tròn dày 8mm trong mẫu S-04-M-V
• 3.5.2. Cấu tạo mẫu thí nghiệm S-04-M-V
• 3.5.3. Sơ đồ lắp đặt strain gauge đo biến dạng cốt thép, biến dạng bê tông và chuyển vị trên sàn của thí nghiệm S-04-M-V
• 3.5.4. Quá trình đúc mẫu thí nghiệm
• 3.5.5. Kết quả thí nghiệm mẫu S-04-M-V
• 3.5.6. Nhận xét kết quả thí nghiệm mẫu S-04-M-V
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG LIÊN KẾT
• 4.1. Phương pháp phân tử hữu hạn
• 4.2. Tổng quan về phần mềm phân tử hữu hạn 3 chiều ABAQUS
• 4.3. Mô phỏng vật liệu bê tông trong ABAQUS
• 4.3.1. Ứng xử của bê tông chịu nén
• 4.3.2. Ứng xử của bê tông chịu kéo
• 4.3.3. Sự phá hoại của bê tông theo mô hình dẻo Concrete Damaged Plasticity (CDP)
• 4.3.4. Định nghĩa bề mặt chảy dẻo trong (CDP)
• 4.4. Thuật toán giải phi tuyến bằng phương pháp điều khiển chuyển vị
• 4.5. Mô phỏng thí nghiệm Li (2000)
• 4.5.1. Giới thiệu về thí nghiệm Li (2000)
• 4.5.2. Mô phỏng thí nghiệm Li (2000) bằng phương pháp số
• 4.5.3. Ứng xử của vật liệu bê tông của thí nghiệm Li (2000)
• 4.5.4. Điều kiện biên mô phỏng
• 4.5.5. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm
• 4.5.6. Sự hình thành và phát triển vết nứt
• 4.5.7. Ứng xử của phần tử bê tông nằm trên cạnh tháp chọc thủng
• 4.6. Mô phỏng thí nghiệm của Pinyu — Yan (2011)
• 4.6.1. Giới thiệu về thí nghiệm Pinyu — Yan (2011)
• 4.6.2. Mô phỏng thí nghiệm Pinyu — Yan (2011) bằng phương pháp số
• 4.6.3. Ứng xử của vật liệu bê tông trong thí nghiệm của Pinyu — Yan (2011)
• 4.6.4. Mô phỏng điều kiện biên
• 4.6.5. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm
• 4.6.6. Sự hình thành và phát triển vết nứt
• 4.7. Mô phỏng thí nghiệm S-C-V, S-C-M-V
• 4.7.1. Tổng quát mô phỏng thí nghiệm S-C-V và S-C-M bằng phương pháp số
• 4.7.2. Điều kiện biên mô phỏng
• 4.7.3. So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm mẫu S-C-V
• 4.7.4. Sự phát triển vết nứt và hình thành tháp chọc thủng mẫu S-C-V
• 4.7.5. So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm mẫu S-C-M-V
• 4.7.6. Sự phát triển vết nứt và hình thành tháp chọc thủng mẫu S-C-M-V
• 4.7.7. So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm mẫu S-C-V và mẫu S-C-M-V
• 4.7.8. So sánh giá trị chọc thủng cực hạn của thí nghiệm S-C-V với giá trị tính toán theo các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành
• 4.7.9. Ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép chịu kéo đến khả năng kháng chọc thủng của sàn
• 4.8. Mô phỏng thí nghiệm S-04-M-V
• 4.8.1. Ứng xử của mẫu bê tông S-04-M-V trong mô phỏng bằng phương pháp số
• 4.8.2. Tổng quát mô phỏng thí nghiệm S-04-M-V bằng phương pháp số
• 4.8.3. Điều kiện biên mô phỏng
• 4.8.4. So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thí nghiệm mẫu S-04-M-V
• 4.8.5. Sự phát triển vết nứt và hình thành tháp chọc thủng mẫu S-04-M-V
• 4.8.6. So sánh kết quả mẫu S-04-M-V với mẫu S-C-V và S-C-M-V
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Hướng phát triển của luận văn
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC HÌNH ẢNH

Tóm tắt

I. Khả năng chịu chọc thủng

Khả năng chịu chọc thủng là yếu tố quan trọng trong thiết kế kết cấu xây dựng, đặc biệt là liên kết giữa cột thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá khả năng chịu lực của liên kết này thông qua thí nghiệm vật liệu và mô phỏng số. Kết quả cho thấy, việc tăng cường độ bê tông và hàm lượng cốt thép chịu kéo có thể cải thiện đáng kể độ bền vật liệu và khả năng chịu chọc thủng.

1.1. Phương pháp gia tăng khả năng chịu chọc thủng

Các phương pháp gia tăng khả năng chịu chọc thủng bao gồm tăng cường độ bê tông, gia tăng hàm lượng cốt thép chịu kéo, và sử dụng hệ cốt cứng chịu cắt. Nghiên cứu chỉ ra rằng, việc gia tăng diện tích vùng chịu lực đầu cột và sử dụng cốt thép chịu cắt tại vị trí liên kết giúp cải thiện đáng kể khả năng chịu lực. Các phương pháp này được áp dụng trong kỹ thuật xây dựng hiện đại để đảm bảo an toàn công trình.

II. Liên kết cột thép nhồi bê tông và sàn phẳng

Liên kết cột thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép là một trong những yếu tố quyết định đến độ bền và ổn định của kết cấu. Nghiên cứu này đề xuất một liên kết mới có cấu tạo đơn giản, hiệu quả và phù hợp với điều kiện thi công tại Việt Nam. Kết quả thí nghiệm và mô phỏng cho thấy, liên kết này có khả năng chịu lực tốt và đáp ứng các yêu cầu về thiết kế kết cấu.

2.1. Mô phỏng liên kết bằng phương pháp số

Phương pháp mô phỏng số được sử dụng để phân tích ứng xử của liên kết dưới tác động của tải trọng. Phần mềm ABAQUS được áp dụng để mô phỏng kết cấu xây dựng và so sánh kết quả với thí nghiệm thực tế. Kết quả mô phỏng cho thấy, mô hình số có thể dự đoán chính xác khả năng chịu chọc thủng của liên kết, giúp giảm thiểu chi phí và thời gian thí nghiệm.

III. Thí nghiệm vật liệu và kết quả

Thí nghiệm vật liệu được tiến hành trên các mẫu bê tông cốt thép và cột thép nhồi bê tông để đánh giá độ bền vật liệu và khả năng chịu lực. Kết quả thí nghiệm cho thấy, các mẫu có cấu tạo liên kết mới đạt được khả năng chịu lực cao hơn so với mẫu đối chứng. Điều này khẳng định hiệu quả của liên kết đề xuất trong việc cải thiện an toàn công trình.

3.1. So sánh kết quả thí nghiệm và mô phỏng

Kết quả thí nghiệm vật liệu được so sánh với kết quả mô phỏng số để đánh giá độ chính xác của mô hình. Sự tương đồng giữa kết quả thí nghiệm và mô phỏng cho thấy, mô hình số có thể được sử dụng để dự đoán khả năng chịu chọc thủng của liên kết mà không cần thực hiện các thí nghiệm tốn kém. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế kết cấu và kỹ thuật xây dựng.

IV. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này có giá trị thực tiễn cao trong việc thiết kế và thi công các công trình xây dựng sử dụng cột thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép. Liên kết đề xuất không chỉ đảm bảo an toàn công trình mà còn giúp tiết kiệm chi phí và thời gian thi công. Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng rộng rãi trong các dự án xây dựng dân dụng và công nghiệp tại Việt Nam.

4.1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu này không chỉ mang lại ý nghĩa khoa học trong việc phát triển các phương pháp mới để đánh giá khả năng chịu chọc thủng mà còn có ý nghĩa thực tiễn trong việc cải thiện chất lượng và độ bền của các công trình xây dựng. Kết quả nghiên cứu là cơ sở quan trọng để phát triển các tiêu chuẩn thiết kế mới trong kỹ thuật xây dựng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong xu hướng xây dựng công trình cao tầng hiện đại, kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép kết hợp cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube - CFT) đang trở thành giải pháp kiến trúc và chịu lực ưu việt. Giải pháp này giúp giảm chiều cao tầng, tăng không gian sử dụng, tối ưu hóa cốp pha và đẩy nhanh tiến độ thi công. Tuy nhiên, thách thức kỹ thuật lớn nhất của hệ kết cấu nằm ở vùng liên kết nút khung giữa cột CFT và sàn phẳng, nơi tập trung ứng suất cắt cục bộ rất lớn dẫn đến nguy cơ phá hoại giòn do chọc thủng (punching shear). Do đặc tính không toàn khối giữa vỏ thép trơn nhẵn và bản sàn bê tông, việc đảm bảo tính liên tục của cốt thép sàn và khả năng truyền lực cắt là bài toán cấp thiết.

Nghiên cứu này tập trung đề xuất một chi tiết liên kết mới giữa cột CFT tròn đường kính 400 mm và bản sàn bê tông cốt thép dày 200 mm, sử dụng hệ sườn thép đứng kết hợp thanh chốt ngang xuyên qua sườn để tối ưu hóa khả năng neo giữ và kháng cắt. Mục tiêu cụ thể là khảo sát thực nghiệm sức kháng chọc thủng dưới tác dụng đồng thời của tải trọng đứng và chuyển vị xoay cưỡng bức đầu cột (mô phỏng hiệu ứng động đất, gió bão), đồng thời xây dựng mô hình mô phỏng số 3D tin cậy bằng phần mềm ABAQUS. Toàn bộ chương trình thực nghiệm được tiến hành tại Phòng Thí nghiệm Kết cấu Công trình (BKSEL) thuộc Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG TP.HCM vào năm 2015. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học chuẩn xác, giúp nâng cao sức kháng chọc thủng của liên kết trên 25%, giảm thiểu các thử nghiệm tải trọng phá hủy đắt đỏ và tạo tiền đề vững chắc cho việc ứng dụng cột CFT trong các dự án nhà cao tầng tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết cơ chế hình thành tháp chọc thủng của Kinnunen và Nylander (1960). Theo lý thuyết này, sự phá hoại chọc thủng diễn ra qua các giai đoạn đặc trưng: khởi phát vết nứt tiếp tuyến tại thớ chịu kéo mặt trên sàn do mô men uốn âm, phát triển vết nứt hướng tâm, hình thành vết nứt xiên nghiêng góc 20 đến 30 độ hướng về mép cột và cuối cùng gây phá hoại nén cắt ở mặt dưới sàn. Để phân tích ứng xử phi tuyến phức tạp, nghiên cứu áp dụng mô hình dẻo phá hủy bê tông (Concrete Damaged Plasticity - CDP) trong cơ học môi trường liên tục, cho phép mô phỏng sự suy giảm độ cứng và quá trình phát triển hư hại kéo - nén của bê tông dưới trạng thái ứng suất đa trục.

Cơ sở tính toán sức kháng chọc thủng danh định được đối chiếu qua 5 tiêu chuẩn thiết kế quốc tế và trong nước: tiêu chuẩn Mỹ ACI 318-2005, tiêu chuẩn Anh BS 8110-1997, tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 2 (EC2-2002), tiêu chuẩn Canada CSA A23.3-04 và tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012. Các khái niệm then chốt bao gồm cột ống thép nhồi bê tông CFT, chu vi tháp chọc thủng tính toán u, chiều cao làm việc hữu hiệu của bản sàn d = 160 mm và hệ số kháng cắt của vật liệu bê tông.

Phương pháp nghiên cứu

Chương trình thực nghiệm sử dụng cỡ mẫu gồm 03 mẫu thử nghiệm quy mô lớn toàn phần có kích thước sàn 2500 x 2500 x 200 mm và cột tròn đường kính 400 mm. Phương pháp chọn mẫu tập trung vào dạng liên kết nút cột giữa điển hình, có biên biên dạng khớp đại diện cho vị trí mô men bằng không giữa các nhịp sàn. Ba mẫu thử gồm: mẫu đối chứng S-C-V (cột bê tông cốt thép thường chịu tải đứng thuần túy), mẫu đối chứng S-C-M-V (cột bê tông cốt thép thường chịu xoay cưỡng bức với góc xoay mục tiêu H/140 trước khi gia tải đứng) và mẫu cải tiến S-04-M-V (cột CFT với sườn thép đứng dày 8 mm, chốt ngang phi 14 chịu xoay cưỡng bức H/140 rồi gia tải đứng).

Bê tông đúc mẫu sử dụng cấp bền B30 không phụ gia, sau 32 ngày bảo dưỡng đạt cường độ nén trung bình fcm = 37.4 MPa và cường độ kéo trung bình fctm = 3.16 MPa. Cốt thép sử dụng mác SD390 phi 14 với lưới trên bố trí 21 thanh khoảng cách 120 mm và lưới dưới 11 thanh khoảng cách 240 mm. Phương pháp phân tích thực nghiệm sử dụng khung gia tải cứng vững kết hợp kích thủy lực 500 tấn hiệu Larzep (Tây Ban Nha), hệ thống cảm biến chuyển vị kỹ thuật số LVDT và Data Logger TDS 303 (Nhật Bản). Phương pháp phân tích số sử dụng phần mềm ABAQUS 6.13 với thuật toán điều khiển chuyển vị phi tuyến để theo dõi chính xác sự suy giảm độ cứng và mở rộng vết nứt mà không bị phân kỳ toán học. Toàn bộ nghiên cứu thực hiện từ tháng 01/2015 đến tháng 06/2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, chi tiết liên kết đề xuất S-04-M-V với hệ sườn thép dày 8 mm và chốt ngang phi 14 đã chuyển dịch chu vi tháp chọc thủng từ mép vỏ thép ra mép ngoài của bản sườn, giúp tăng tải trọng chọc thủng cực hạn lên hơn 25% so với mẫu đối chứng bê tông cốt thép thường S-C-M-V có cùng điều kiện tải trọng xoay.

Thứ hai, tác động của tải trọng xoay cưỡng bức đầu cột ở mức dạt tầng H/140 gây xuất hiện các vết nứt uốn sớm tại mặt trên sàn và làm suy giảm độ cứng chống uốn ban đầu từ 15% đến 20%. Tuy nhiên, liên kết CFT mới vẫn duy trì khả năng truyền lực cắt xuất sắc và hạn chế tối đa nguy cơ sụp đổ giòn đột ngột.

Thứ ba, số liệu biến dạng từ các đầu đo strain gauge cho thấy ứng suất trong cốt thép sàn và sườn thép 8 mm đều vượt ngưỡng chảy dẻo 390 MPa trước khi liên kết đạt tải trọng giới hạn, chứng minh sự tham gia chịu lực đồng bộ và hiệu quả của toàn bộ hệ liên kết.

Thứ tư, mô hình phân tử hữu hạn trên phần mềm ABAQUS mô phỏng rất sát quá trình phá hoại thực tế với sai số về tải trọng cực hạn chỉ dao động từ 3% đến 8% so với số liệu đo đạc thực nghiệm.

Thảo luận kết quả

Phân tích đồ thị quan hệ lực - chuyển vị tại các vị trí đầu đo D1 và D3 cho thấy mẫu liên kết CFT đề xuất S-04-M-V có diện tích bao quanh của đường cong biến dạng lớn hơn đáng kể so với hai mẫu đối chứng S-C-V và S-C-M-V. Điều này thể hiện khả năng hấp thụ và tiêu tán năng lượng vượt trội khi kết cấu chịu chuyển vị ngang lớn. Khi trình bày qua các bảng số liệu ứng suất và sơ đồ vết nứt, có thể thấy các thanh chốt ngang phi 14 đóng vai trò như các chốt neo cứng cáp, giữ chặt cốt thép sàn và ngăn chặn sự trượt tương đối giữa bê tông và ống thép.

Kết quả này hoàn toàn phù hợp với nghiên cứu của Pinyu-Yan (2011), nơi tác giả chứng minh tính liên tục của cốt thép sàn giúp tăng khả năng kháng chọc thủng thêm 36%. Đồng thời, nghiên cứu cũng mở rộng phát hiện của Y. Tian (2014) khi khẳng định liên kết sườn ngoài có khả năng thích ứng tuyệt vời với góc trôi dạt tầng từ 2% đến 6%. Khi đối chiếu với các tiêu chuẩn tính toán, tiêu chuẩn Eurocode 2 (EC2-2002) cho kết quả dự báo sát thực tế nhất với hệ số an toàn từ 1.15 đến 1.25, trong khi tiêu chuẩn ACI 318-2005 và TCVN 5574:2012 có xu hướng dự báo thiên về an toàn cao hơn từ 20% đến 30%.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, chuẩn hóa chi tiết cấu tạo sườn thép đứng dày 8 mm kết hợp thanh chốt ngang phi 14 cho liên kết cột CFT tròn đường kính 400 mm và sàn phẳng dày 200 mm trong các công trình cao từ 15 đến 40 tầng. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư thiết kế kết cấu, hướng tới mục tiêu tăng sức kháng chọc thủng tối thiểu 20% và rút ngắn 25% thời gian gia công nút khung, triển khai áp dụng từ quý 1 đến quý 2 năm tới.

Thứ hai, ứng dụng quy trình mô phỏng số phi tuyến 3D với mô hình vật liệu CDP trên phần mềm ABAQUS 6.13 vào công tác kiểm tra chuyên sâu các nút khung phức tạp. Chủ thể thực hiện là các đơn vị tư vấn thẩm tra và viện nghiên cứu, đặt mục tiêu giảm 60% chi phí chế tạo mẫu thí nghiệm phá hủy và rút ngắn thời gian tính toán từ 30 ngày xuống còn 7 ngày làm việc.

Thứ ba, bổ sung yêu cầu kiểm tra bắt buộc khả năng kháng chọc thủng dưới tác động đồng thời của tải trọng đứng và chuyển vị xoay lệch tầng H/140 vào quy trình thiết kế kháng chấn theo tiêu chuẩn TCVN 5574 và Eurocode 2. Chủ thể thực hiện là các hội đồng khoa học chuyên ngành, mục tiêu đảm bảo khả năng chịu cắt dư sau động đất đạt trên 85% tải trọng danh định, hoàn thành hướng dẫn kỹ thuật trong vòng 6 đến 12 tháng.

Thứ tư, kiểm soát chặt chẽ chất lượng đúc bê tông cấp bền B30 chèn lõi ống thép D400 mm và công tác hàn sườn gia cường tại công trường. Kỹ sư giám sát chất lượng và nhà thầu thi công cần đảm bảo 100% mối hàn sườn đạt tiêu chuẩn kiểm tra siêu âm và độ rỗng bê tông lõi dưới 1% xuyên suốt tiến độ thi công phần thô.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, kỹ sư thiết kế kết cấu công trình dân dụng và công nghiệp: Tham khảo giải pháp cấu tạo nút liên kết cột CFT - sàn phẳng dày 200 mm cùng phương pháp tính toán tháp chọc thủng theo Eurocode 2 và ACI 318, giúp tối ưu hóa chiều dày sàn và tiết kiệm khoảng 15% chi phí vật liệu.

Thứ hai, nhà thầu thi công và đơn vị quản lý dự án cao tầng: Nắm bắt biện pháp gia công cơ khí sườn thép 8 mm và lắp đặt cốt thép sàn 21 thanh phi 14 đồng bộ, giúp đẩy nhanh chu kỳ thi công sàn từ 10 ngày xuống còn 7 ngày mỗi tầng.

Thứ ba, giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành kỹ thuật xây dựng: Khai thác quy trình thí nghiệm nén chọc thủng trên khung tải 500 tấn tại phòng thí nghiệm BKSEL và phương pháp khai báo thông số dẻo CDP trong ABAQUS 6.13 để phục vụ các đề tài nghiên cứu chuyên sâu.

Thứ tư, đơn vị tư vấn thẩm tra và cơ quan xây dựng quy chuẩn: Sử dụng cơ sở dữ liệu thực nghiệm từ 3 mẫu thử quy mô lớn để xây dựng tiêu chuẩn tính toán kết cấu liên hợp thép - bê tông tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

Cột ống thép nhồi bê tông CFT có ưu điểm gì vượt trội so với cột bê tông cốt thép truyền thống? Cột CFT kết hợp hoàn hảo khả năng chịu kéo uốn của vỏ thép và khả năng chịu nén của lõi bê tông B30, giúp tăng sức chịu tải trên 30% với cùng kích thước cột D400 mm. Ống thép đóng vai trò cốp pha vĩnh cửu, ngăn ngừa hiện tượng co ngót từ biến và nâng cao khả năng chống cháy cũng như độ dẻo dai kháng chấn cho công trình.

Tại sao liên kết giữa cột CFT và sàn phẳng bê tông cốt thép dễ bị phá hoại chọc thủng? Do bề mặt ống thép trơn nhẵn làm mất tính liên tục của bê tông và gây khó khăn cho việc neo cốt thép sàn dày 200 mm. Dưới tác dụng của tải trọng tập trung lớn, ứng suất cắt cục bộ quanh cột phát triển mạnh tạo thành tháp nứt xiên 45 độ, dẫn đến nguy cơ phá hoại giòn đột ngột nếu không có cấu tạo kháng cắt phù hợp.

Chi tiết sườn đứng 8 mm và chốt ngang phi 14 cải thiện sức kháng chọc thủng như thế nào? Hệ sườn đứng hàn dọc cột giúp đẩy chu vi tháp chọc thủng ra xa mép cột thêm khoảng 150 mm. Đồng thời, thanh chốt ngang phi 14 luồn qua lỗ sườn giúp neo giữ chặt lưới thép sàn, hình thành cơ chế giằng truyền lực cắt an toàn vào lõi bê tông cột, làm tăng sức chịu tải chọc thủng trên 25%.

Gia tải xoay cưỡng bức ở mức dạt tầng H/140 ảnh hưởng ra sao đến khả năng chịu lực của liên kết? Chuyển vị xoay H/140 mô phỏng tác động uốn lệch tầng do động đất hoặc gió bão, làm hình thành sớm các vết nứt uốn mặt trên sàn và giảm 15% đến 20% độ cứng ban đầu. Tuy vậy, liên kết đề xuất vẫn bảo toàn được trên 80% sức kháng chọc thủng cực hạn nhờ sự làm việc dẻo dai của chốt thép neo.

Mô hình Concrete Damaged Plasticity trong ABAQUS có độ tin cậy ra sao khi phân tích chọc thủng? Mô hình CDP kết hợp thuật toán điều khiển chuyển vị phi tuyến mô phỏng rất chính xác quá trình nứt dẻo của bê tông có cường độ nén 37.4 MPa. Kết quả số hóa chỉ sai lệch từ 3% đến 8% so với thực nghiệm tại phòng thí nghiệm BKSEL, chứng minh độ tin cậy cao để thay thế các thí nghiệm tốn kém.

Kết luận

• Đề xuất thành công chi tiết liên kết sườn đứng dày 8 mm kết hợp thanh chốt ngang phi 14 cho cột CFT đường kính 400 mm và sàn phẳng dày 200 mm, đảm bảo tính liên tục của cốt thép và phù hợp điều kiện thi công tại Việt Nam.
• Khẳng định qua thực nghiệm khả năng gia tăng sức chịu tải chọc thủng cực hạn trên 25% so với liên kết bê tông cốt thép thông thường ngay cả khi chịu chuyển vị xoay dạt tầng H/140.
• Thiết lập bộ dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác từ 03 mẫu thử quy mô lớn tại phòng thí nghiệm BKSEL với bê tông cấp bền B30 đạt cường độ nén trung bình 37.4 MPa.
• Xây dựng mô hình phân tử hữu hạn 3D tin cậy trên phần mềm ABAQUS 6.13 sử dụng mô hình dẻo CDP, đạt độ chuẩn xác cao với sai số dưới 8% so với thực nghiệm.
• Cung cấp luận cứ khoa học để hoàn thiện quy trình tính toán kiểm tra chọc thủng cho nút khung sàn phẳng cột CFT theo tiêu chuẩn Eurocode 2 và TCVN 5574:2012.

Đóng góp then chốt của luận văn là giải quyết trọn vẹn điểm nghẽn kỹ thuật về khả năng chịu cắt cục bộ tại nút liên kết kết cấu liên hợp, mở ra giải pháp thi công sàn phẳng nhịp lớn an toàn và kinh tế. Trong lộ trình 6 đến 12 tháng tới, các nghiên cứu tiếp theo cần mở rộng thử nghiệm tải trọng lặp chu kỳ động đất và khảo sát tiết diện cột chữ nhật. Hãy áp dụng giải pháp liên kết cột CFT tiên tiến này vào thiết kế công trình của bạn ngay hôm nay để tối ưu hóa không gian kiến trúc và nâng cao độ an toàn bền vững cho dự án!

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled steel Tube — CFT) Cột ống thép nhdi bê tông càng ngày càng được sử dung rộng rãi trên thé giới, đặc biệt là ở Nhật Bản, do có nhiều ưu điểm hơn so với cột thép hoặc cột bê tông cốt thép (BTCT) truyền thống về mặt kiến trúc, kết câu và thi công, Morino và Keigo Tsuda (2003): * Sự tương tác giữa ống thép và lõi bê tông: Lõi bê tông giúp giảm nguy cơ xảy ra mat 6n định cục bộ và hạn chế sự Suy giảm cường độ sau khi mat 6n định cục bộ của ống thép;Cường độ chịu nén của bê tông sẽ được tăng lên do hiệu ứng bó lõi bê tông của ống thép va sự suy giảm cường độ của lõi bê tông cũng không xảy ra đột ngột do năm trong vỏ thép;Sự co ngót va từ biến của bê tông nhỏ hơn nhiều so với cột BTCT thông thường. *x Đặc trưng mặt cắt ngang: Hàm lượng thép của tiết điện CFT lớn hơn nhiều so với tiết điện BTCT và ông thép năm ngoài cũng có thé chảy dẻo khi chịu uốn làm tăng độ dẻo dai và có khả năng hap thu năng lượng động dat tốt. *x Hiệu quả về mặt thi công: Ông thép làm kiêm nhiệm vụ cốp pha và không cần cốt thép.

Thông thường hệ cột gồm vỏ thép và dầm sàn thép được lắp đặt tạo thành hệ khung kết cau thép ồn định thì bê tông mới được bơm nhôi vào do đó có thé day nhanh tốc độ thi công và giảm chi phí làm sạch công trường. * Khả năng chống cháy:Tốt hơn cột thép trong kết cau truyền thống nhiều do có lõi bê tông chịu cháy tốt. Y Cột CFT có khả năng chịu lực lớn do đó thanh mảnh và có tính thâm mỹ cao. Sàn phẳng bê tông cốt thép San phang bê tông cốt thép được sử dụng rộng rãi trong các công trình dân dụng như cao 6c văn phòng và căn hộ chung cư vi có nhiều ưu điểm như giảm chiéu cao tang, có tính thầm mỹ cao, công năng phòng có thé thay đổi một cách linh hoạt, giảm thời gian thi công, hệ ván khuôn đơn giản và có chi phí thấp.

Giải pháp kết cầu truyền thống cho kết câu đỡ san phẳng nay là cột BTCT có hoặc không có mũ cột hoặc bản đầu cột. Sự truyền lực từ sàn qua cột trong đó đặc biệt là khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn - cột BTCT là một yếu tố quan trọng trong việc phân tích thiết kế hệ kết câu này. Có nhiều phương pháp được dé xuất dé gia tăng khả năng kháng chọc thủng, trong đó việc tăng cường các thành phan chịu cắt của liên kết là một phương | pháp tối ưu vì có khả năng ứng dụng hiệu quả mà không cân tăng tiết diện của sàn hoặc cột. Các phương pháp điển hình có thé ké đến như dùng hệ mũ cột của Corley va Hawkins (1968), dùng các chốt chịu cắt của Elgabry va Ghali (1990), dùng tâm thép của Subedi va Baglin (2003) va gia cường liên kết băng tam FRP.

Tuy nhiên đa số các nghiên cứu chỉ áp dụng cho hệ kết cau cột — sàn phang BTCT thông thường. Liên kết giữa cột CFT và sàn phẳng BTCT Với những ưu điểm kế trên của cột CFT, gan đây nhiều tác giả đã tiến hành nghiên cứu sử dụng cột CFT thay thé cho cột BTCT thông thường trong giải pháp kết cau san phẳng. Tuy nhiên, điểm khó khăn lớn nhất của liên kết cột CFT - sản phăng BTCT là tính không toàn khối của 2 loại câu kiện nay và việc làm sao g1ữ được tính liên tục của ống thép và cốt thép san trong cầu tạo dé đảm bảo sự truyền lực từ cột trên xuống và việc neo cốt thép sản chịu kéo. Các liên kết mà các nhà nghiên cứu trên thế giới dé xuất cho loại kết câu này đều có một điểm chung là tạo ra một thành phần chịu cắt băng thép (shear head) hàn tại đầu cột CFT.

Các thành phân chịu cắt này sẽ liên kết với sàn phang BTCT dé có thé truyền lực cắt do tải trọng đứng từ san truyền vao cột, điển hình là các liên kết của Satoh và Shimazak (2004),Pinyu-Yan (2011), Su và Tian (2014). Qua việc tham khảo các chỉ tiết liên kết đã được công bố trên thế giới, nghiên cứu nay dé xuất một chi tiết liên kết giữa cột CFT va sàn phang BTCT đơn giản, hiệu quả và phù hợp với điều kiện thi công trong nước. Thông qua các tính toán và mô phỏng sơ bộ, các kích thước của liên kết sẽ được đề xuất và khả năng chịu lực chọc thủng của liên kết sẽ được khảo sát thông qua nghiên cứu thực nghiệm. Sau đó liên kết cột- san cũng được mô phỏng băng phần mềm phan tử hữu hạn 3 chiều ABAQUS để so sánh kiểm chứng với kết quả thực nghiệm.

Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chính của luận văn bao g6m: Để xuất một liên kếtgiữa cột giữa CFT và sàn phăng BTCT. Y Neghién cứu thực nghiệm để khảo sát khả năng chịu chọc thủng của liên kết được dé xuất so với liên kết cột — sàn phăng BTCT thông thường. * Sử dụng phan mềm ABAQUS dé mô phỏng và so sánh với kết quả thực nghiệm nhăm xây dựng một mô hình số phù hợp với liên kết cột CFT va sàn phang BTCT. Những kết quả thu được từ nghiên cứu này sẽ làm cơ sở cho những nghiên cứu tiếp theo nhằm phát triển một giải pháp kết câu mới sử dụng cột CFT thay thé cho cột BTCT thông thường trong hệ kết câu cột - sàn phăng BTCT.

Ý nghĩa thực tiễn và ý nghĩa khoa học của đề tài Ý nghĩa thực tiễn Hiện nay liên kết giữa cột CFT và san phăng BTCT đã được nhiều tác giả dé xuất và khảo sát để tìm hiểu ứng xử nhăm phục vụ cho việc ứng dụng vào thực tiễn. Việc đề xuất một liên kết giữa cột CFT và sàn phang BTCT có câu tạo đơn giản, phù hợp với điều kiện thi công tại Việt Nam sẽ là bước khởi đầu cho việc nghiên cứu thêm các dạng liên kết khác phù hợp và tối ưu nhất. Đặc biệt, việc xây dựng một mô hình số cho phép dự đoán khả năng chịu lực của liên kết phù hợp với kết quả thực nghiệm là một điều cần thiết để có được kết qua tin cậy trong việc áp dụng cho thiết kế loại liên kết này trong thực tiễn mà không cân thực hiện các thí nghiệm tốn kém và mat thời gian. Y nghia khoa hoc Đây là dé tai còn khá mới mẻ.

Hy vọng rang những kết quả thu được từ thi nghiệm và mô phỏng trong nghiên cứu này sẽ góp phan bé sung thêm những luận điểm, kiến thức mới và là nguôn dit liệu bổ ích phục vụ cho những nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này. Các chương của luận văn Luận văn bao gồm 5 chương có nội dung tóm tắt như sau: Chương 1: Mở đầu Giới thiệu chung về dé tài và mục tiêu nghiên cứu, nội dung của luận văn. Chương 2: Tông quan tình hình nghiên cứu Nêu tổng quát tình hình nghiên cứu về các phương pháp gia tăng khả năng kháng chọc thủng của liên kết cột BTCT, cột CFT và sàn phăng BTCT. Chwong 3: Nghiên cứu thực nghiệm Giới thiệu, mô tả quy trình chuẩn bị, thực hiện thí nghiệm và kết quả ứng xử của liên kết đề xuất khi chịu tải chọc thủng và xoay cưỡng bức-chọc thủng:So sánh kết quả thí nghiệm của liên kết dé xuất với liên kết cột - sàn phắng BTCT thông thường dé làm rõ sự hiệu quả của liên kết.

Chương 4: Mô phỏng liên kết Nghiên cứu phần mềm ABAQUS 6.13 và thiết lập quy trình mô phỏng số liên kết đề xuất. Các thí nghiệm được lựa chọn dé mô phỏng bao gồm: 1. Thí nghiệm về lực chọc thủng cực hạn của Li (2000). Thí nghiệm về lực choc thủng của liên kết giữa cột CFT và sàn phắng BTCT của Pinyu- Yan (2011).

Thí nghiệm đã thực hiện ở chương 3. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thí nghiệm để làm rõ độ tin cậy của mô hình SỐ. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của luận văn Dua ra những kêt luận cũng như những hạn chê còn tôn tai của luận văn và dé xuât hướng phát triển. CHƯƠNG 2: TONG QUAN VE TINH HÌNH NGHIÊN CỨU 2.

Sự hình thành tháp choc thủng Khi sàn truyền lực đứng qua liên kết cột giữa - sàn phăng BTCT, liên kết sẽ bị phá hoại do chọc thủng cục bộ tại vi trí liên kết. Dé giải thích sự hình thành tháp chọc thủng Kinnuen và Nylander (1960) đã tiến hành nhiêu thí nghiệm choc thủng của liên kết san— cột giữa tròn BTCT và kết luận sự hình thành tháp chọc thủng trải qua 4 bước như sau Hình 2.1: (1) Các vết nứt đầu tiên theo phương tiếp tuyến xuất hiện tại các phan tử bê tông chịu kéo xung quanh chu vi cột do mô men âm. (2) Sự lan truyền nút sẽ tiếp tục xảy ra với sự hình thành các vết nứt hướng tâm từ các vết nut tiếp tuyến. (3) Tiếp đó các vết nứt tiếp tuyến khác sẽ xuất hiện bên ngoài chu vi cội.

(4) Khi tăng tải thêm, các vết nút tiếp tuyến theo phương đứng ban dau ở mặt trên sản tiếp tục phát triển theo phương xiên hướng về phía mặt cột ở mặt dưới sàn. (5) Với sự gia tăng chuyên vi đứng, vét nứt mở rộng đên mép cột. Vêt nứt cat cuôi cùng hoặc trùng hoặc năm ở ngoài vét nứt tiêp tuyên ngoài cùng mà đã xuât hiện trước khi phả hoại.1: Sự hình thành tháp chọc thủng 2. Các phương pháp gia tăng khả năng kháng chọc thủng của liên kết cột — sàn phẳng BTCT Có nhiều phương pháp được phát triển và nghiên cứu đề giúp gia tăng khả năng kháng chọc thủng của liên kết cột - sàn phăng BTCT, mục này sẽ giới thiệu một cách tổng quan các phương pháp đã được ứng dung, và là cơ sở dé giải thích ly do chọn liên kết mới của tác giả.

Gia tăng hàm lượng cốt thép chịu kéo cho liên kết Sự phá hoại do chọc thủng là sự mở rộng và lan truyền vết nứt tại thớ bê tông chịu kéo ở mặt trên sản xuống tho bê tông chịu nén ở mặt dưới sàn sát mép cột, điều này cho thay cường độ bê tông chịu kéo ảnh hưởng nhiều đến khả năng kháng chọc thủng của liên kết. Tuy nhiên việc gia tăng hàm lượng cốt thép chịu kéo trong sản cũng làm tăng khả năng kháng chọc thủng của liên kết. Muttoni (2008), Guandalini (2009) và Marzouk và Hussei (1991) đã tiễn hành thí nghiệm chọc thủng cột - sàn phắng BTCT với hàm lượng thép chịu kéo thay đối khác nhau theo mỗi phương.