Nghiên cứu khả năng chịu cắt dọc của liên kết perfobond trong sàn liên hợp thép-bê tông

Tài liệu chuyên sâu Khả năng chịu cắt dọc của liên kết perfobond trong sàn ..., phân tích đa chiều, cung cấp kiến thức nền tảng vững chắc cho chuyên

• Tác giả: Lê Thành Chung
• Người hướng dẫn: TS. Lê Văn Phước Nhân
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Xây dựng dân dụng và công nghiệp
• Đề tài: Khả Năng Chịu Cắt Dọc Của Liên Kết Perfobond Trong Sàn Liên Hợp Thép-Bê Tông
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• Lời cảm ơn
• Tóm tắt
• Abstract
• Lời cam đoan
• Danh sách hình vẽ
• Danh sách bảng
• 1. Chương 1: Giới thiệu
• 1.1. Giới thiệu về kết cấu liên hợp và sàn liên hợp thép – bê tông
• 1.2. Động lực cho nghiên cứu
• 1.3. Mục tiêu và giới hạn của đề tài
• 1.4. Cấu trúc của luận văn
• 2. Chương 2: Tổng quan
• 2.1. Sàn liên hợp thép – bê tông
• 2.1.1. Sự làm việc của sàn liên hợp [1]
• 2.1.2. Lực cắt dọc trong sàn liên hợp [1]
• 2.2. Liên kết chống cắt trong kết cấu liên hợp
• 2.2.1. Phân loại liên kết [1]
• 2.2.2. Sự truyền lực cắt trong liên kết
• 2.2.3. Đánh giá khả năng chịu lực của một số dạng liên kết chống cắt
• 2.3. Liên kết chống cắt dạng perfobond
• 2.3.1. Liên kết chống cắt dạng perfobond đóng kín
• 2.3.2. Liên kết chống cắt dạng perfobond mở
• 2.3.3. Một số công thức dự đoán khả năng chịu cắt của liên kết perfobond
• 2.4. Triển vọng áp dụng của liên kết perfobond
• 3. Chương 3: Khảo sát thực nghiệm khả năng chịu cắt dọc của liên kết perfobond trong sàn liên hợp thép - bê tông
• 3.2. Mô hình thí nghiệm nén - đẩy
• 3.2.1. Mô hình mẫu thí nghiệm
• 3.2.2. Các đặc trưng của vật liệu
• 3.2.2.2. Thép và cốt thép
• 3.3. Chương trình thí nghiệm nén - đẩy (push - out test)
• 3.3.1. Nhóm mẫu và mục tiêu khảo sát
• 3.3.2. Chế tạo mẫu và chuẩn bị thiết bị thí nghiệm
• 3.3.2.1. Gia công thép
• 3.3.2.2. Công tác ván khuôn và đổ bê tông
• 3.3.2.3. Lắp đặt thiết bị thí nghiệm
• 3.3.2.4. Sơ đồ gia tải và quy trình thí nghiệm
• 3.3.3. Kết quả thí nghiệm
• 3.3.4. Đánh giá kết quả thí nghiệm
• 3.3.4.1. Ảnh hưởng của chiều dày perfobond
• 3.3.4.2. Ảnh hưởng của cường độ bê tông
• 3.3.4.3. Ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép qua lỗ
• 3.3.5. Sự hình thành và phát triển vết nứt
• 3.4. So sánh kết quả thực nghiệm với các nghiên cứu trước
• 3.5. Thiết lập công thức dự đoán khả năng chịu cắt của liên kết
• 4. Chương 4: Mô phỏng phần tử hữu hạn
• 4.2. Mô hình vật liệu
• 4.2.1. Mô hình vật liệu cho bê tông
• 4.2.2. Mô hình vật liệu cho tấm thép định hình, perfobond và cốt thép
• 4.3. Mô hình PTHH mẫu thí nghiệm
• 4.3.1. Mô hình hình học
• 4.3.2. Lưới phần tử hữu hạn
• 4.3.3. Tải trọng và điều kiện biên
• 4.3.4. Kết quả phân tích PTHH
• 4.3.4.1. So sánh kết quả mô hình PTHH và thực nghiệm
• 4.3.4.2. Khảo sát ứng xử cục bộ của mẫu
• 5. Chương 5: Kết luận và kiến nghị
• 5.1. Kết luận
• 5.1.1. Liên kết perfobond
• 5.1.2. Khả năng chịu cắt dọc và các yếu tố ảnh hưởng
• 5.1.3. Kết quả thực nghiệm
• 5.1.4. Kết quả mô phỏng PTHH
• 5.2. Những nghiên cứu tiếp theo
• Tài liệu tham khảo
• Phụ lục
• A. Phụ lục A: Dòng lệnh Command của bài toán mô phỏng bằng Ansys
• Lý lịch trích ngang

Tóm tắt

I. Giới thiệu về liên kết perfobond

Liên kết perfobond là một loại liên kết chống cắt được phát triển nhằm cải thiện khả năng chịu lực của các kết cấu sàn liên hợp. Liên kết này được thiết kế để tối ưu hóa sự tương tác giữa thép-bê tông, giúp tăng cường khả năng chịu cắt dọc. Nghiên cứu cho thấy rằng liên kết perfobond có thể khắc phục những nhược điểm của các loại liên kết truyền thống như đinh mũ, đặc biệt trong các kết cấu chịu mỏi. Việc sử dụng liên kết này không chỉ giúp giảm thiểu chi phí thi công mà còn nâng cao độ bền và độ ổn định của kết cấu. Theo nghiên cứu, khả năng chịu cắt dọc của liên kết perfobond phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chiều dày tấm, cường độ bê tông và hàm lượng cốt thép. Những yếu tố này cần được xem xét kỹ lưỡng trong quá trình thiết kế và thi công.

1.1. Đặc điểm của liên kết perfobond

Liên kết perfobond có cấu tạo đặc biệt với các lỗ thông qua tấm thép, cho phép bê tông lấp đầy và tạo ra sự liên kết chặt chẽ giữa hai vật liệu. Điều này giúp tăng cường khả năng chịu cắt dọc và độ dai của liên kết. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng chiều dày của tấm perfobond có ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu cắt. Cụ thể, khi tăng chiều dày tấm, khả năng chịu cắt dọc cũng tăng theo. Tuy nhiên, việc tăng hàm lượng cốt thép không mang lại sự cải thiện đáng kể về khả năng chịu cắt, mà có thể làm giảm độ dai của liên kết. Điều này cho thấy rằng việc tối ưu hóa thiết kế liên kết perfobond là rất quan trọng để đạt được hiệu quả tối ưu trong các kết cấu thép-bê tông.

II. Khả năng chịu cắt dọc của liên kết perfobond

Khả năng chịu cắt dọc của liên kết perfobond trong sàn liên hợp là một yếu tố quan trọng trong thiết kế kết cấu. Nghiên cứu đã thực hiện các thí nghiệm nén - đẩy để xác định sức kháng cắt dọc của liên kết này. Kết quả cho thấy rằng các yếu tố như cường độ bê tông và chiều dày tấm perfobond có ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu cắt. Cụ thể, khi cường độ bê tông tăng, khả năng chịu cắt dọc cũng tăng theo. Điều này cho thấy rằng việc lựa chọn vật liệu bê tông có cường độ cao là cần thiết để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả cho kết cấu. Ngoài ra, việc mô phỏng phần tử hữu hạn cũng cho thấy rằng kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả thực nghiệm, khẳng định tính chính xác của phương pháp nghiên cứu.

2.1. Ảnh hưởng của chiều dày tấm perfobond

Chiều dày tấm perfobond là một trong những yếu tố quyết định đến khả năng chịu cắt dọc của liên kết. Nghiên cứu cho thấy rằng khi chiều dày tấm tăng, khả năng chịu cắt dọc cũng tăng theo tỷ lệ thuận. Điều này có thể giải thích bởi việc tăng diện tích tiếp xúc giữa bê tông và tấm thép, từ đó làm tăng khả năng truyền lực cắt. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng việc tăng chiều dày tấm cũng có thể dẫn đến tăng trọng lượng và chi phí thi công. Do đó, việc tối ưu hóa chiều dày tấm perfobond là cần thiết để đạt được sự cân bằng giữa hiệu suất và chi phí trong thiết kế kết cấu.

III. Ứng dụng thực tiễn của liên kết perfobond

Liên kết perfobond đã được ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng hiện đại, đặc biệt là trong các kết cấu sàn liên hợp thép-bê tông. Việc sử dụng liên kết này không chỉ giúp cải thiện khả năng chịu lực mà còn tăng cường độ bền và độ ổn định của kết cấu. Các công trình cầu vượt và tòa nhà cao tầng đã chứng minh hiệu quả của liên kết perfobond trong việc giảm thiểu sự trượt giữa bê tông và thép, từ đó nâng cao hiệu suất làm việc của kết cấu. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng liên kết perfobond có khả năng chịu mỏi tốt hơn so với các loại liên kết truyền thống, điều này rất quan trọng trong các công trình chịu tải trọng lặp. Do đó, việc áp dụng liên kết perfobond trong thiết kế kết cấu là một xu hướng tất yếu trong ngành xây dựng.

3.1. Lợi ích của liên kết perfobond trong xây dựng

Liên kết perfobond mang lại nhiều lợi ích cho ngành xây dựng, bao gồm khả năng chịu lực tốt, giảm thiểu chi phí thi công và thời gian xây dựng. Việc sử dụng liên kết này giúp tăng cường độ bền cho các kết cấu, đồng thời giảm thiểu rủi ro trong quá trình thi công. Hơn nữa, liên kết perfobond còn giúp cải thiện tính năng chịu mỏi của kết cấu, điều này rất quan trọng trong các công trình cầu vượt và tòa nhà cao tầng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng liên kết perfobond có thể giúp tiết kiệm chi phí bảo trì và sửa chữa trong tương lai, từ đó nâng cao hiệu quả kinh tế cho các dự án xây dựng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Kết cấu liên hợp thép và bê tông đã trở thành giải pháp đột phá trong ngành xây dựng hiện đại, tối ưu hóa khả năng chịu nén vượt trội của bê tông cùng khả năng chịu kéo bền bỉ của thép. Tại Việt Nam và nhiều quốc gia, các công trình tiêu biểu như tòa nhà Diamond Plaza, tháp Millennium Tower tại Áo, hay các cầu vượt thép tại nút giao Hàng Xanh đã chứng minh hiệu quả giảm tải trọng bản thân và tăng tốc độ thi công. Tuy nhiên, giải pháp liên kết chống cắt dạng đinh mũ truyền thống vẫn bộc lộ nhiều điểm hạn chế khi chịu tải trọng lặp, đòi hỏi nguồn điện công suất lớn và máy hàn chuyên dụng trên công trường, đồng thời dễ gặp sự cố phá hoại do mỏi tại chân đinh.

Nhằm khắc phục triệt để các nhược điểm trên, đề tài tập trung nghiên cứu khả năng chịu cắt dọc của liên kết Perfobond dạng mở trong sàn liên hợp thép và bê tông. Mục tiêu trọng tâm là xác định sức kháng cắt giới hạn, đánh giá độ trượt tương đối và độ dai dẻo của liên kết dưới tác động của tải trọng nén trượt. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện thông qua chương trình thực nghiệm chuyên sâu trên 12 mẫu thí nghiệm nén đẩy tại phòng thí nghiệm trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, kết hợp mô phỏng số phi tuyến.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc cung cấp bộ số liệu thực nghiệm chuẩn xác, làm sáng tỏ cơ chế truyền lực qua các chốt bê tông. Kết quả nghiên cứu mở ra hướng đi mới giúp tăng năng suất thi công gia công cắt CNC, giảm chi phí nhân công lắp đặt và nâng cao độ an toàn cho các kết cấu sàn cầu, sàn nhà công nghiệp khẩu độ lớn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của đề tài dựa trên tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp châu Âu Eurocode 4 kết hợp lý thuyết chốt bê tông của Leonhardt phát triển từ năm 1987. Sự làm việc của sàn liên hợp được phân loại thành ba trạng thái tương tác: tương tác hoàn toàn khi không xuất hiện độ trượt tổng thể, tương tác một phần khi độ trượt bị giới hạn, và tương tác bằng không khi các lớp vật liệu trượt tự do. Bên cạnh đó, phương pháp bán thực nghiệm m-k của Porter và Ekberg được sử dụng làm nền tảng tham chiếu nhằm đánh giá tương quan giữa lực cắt thẳng đứng và khả năng kháng cắt dọc của bản sàn.

Các khái niệm then chốt được phát triển xuyên suốt bao gồm: sức kháng cắt danh định, độ dai dẻo của liên kết, và ứng xử phi tuyến của vùng chốt bê tông chịu cắt nén cục bộ. Theo tiêu chuẩn Eurocode 4, liên kết được phân loại là liên kết dẻo khi độ trượt giới hạn đạt tối thiểu 6,0 mm. Mô hình phá hoại bê tông nhiều trục của Willam và Warnke cũng được tích hợp để mô tả quá trình nứt và vỡ vụn của vật liệu dưới trạng thái ứng suất phức tạp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa thực nghiệm nén đẩy tiêu chuẩn và mô phỏng số phần tử hữu hạn 3D. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm 12 mẫu nén đẩy, được phân chia thành 4 nhóm độc lập nhằm cô lập và khảo sát từng biến số: chiều dày tấm Perfobond (6 mm và 8 mm), cấp độ bền bê tông (nhóm A có cường độ chịu nén 35,5 MPa và nhóm B đạt 45,0 MPa), cùng số lượng thanh cốt thép xuyên qua lỗ (1 thanh và 2 thanh phi 12). Phương pháp chọn mẫu có chủ đích này đảm bảo tính đại diện và kiểm soát chặt chẽ các thông số đầu vào.

Toàn bộ quy trình nén mẫu được thực hiện trên kích thủy lực với hệ thống đo chuyển vị điện tử LVDT ghi nhận liên tục mối quan hệ tải trọng - độ trượt. Song song với thực nghiệm, mô hình phần tử hữu hạn trên phần mềm ANSYS được thiết lập. Phần tử Solid65 được dùng cho bê tông, phần tử vỏ Shell43 cho tấm thép dập sóng dày 6 mm và sườn Perfobond, cùng phần tử thanh Link8 cho cốt thép. Dữ liệu thí nghiệm vật liệu cho thấy thép CT3 có giới hạn chảy 250 MPa, cốt thép thanh đạt giới hạn chảy 330 MPa và giới hạn bền 500 MPa. Nghiên cứu hoàn thành toàn bộ chu trình kiểm tra và phân tích số liệu trong giai đoạn 2013-2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thực nghiệm nén đẩy trên 12 mẫu thí nghiệm đã mang lại những kết quả định lượng rõ nét về ứng xử chịu cắt dọc của liên kết Perfobond dạng mở:

• Thứ nhất, chiều dày sườn Perfobond là yếu tố quyết định hàng đầu đến khả năng chịu lực. Khi tăng chiều dày tấm thép từ 6 mm lên 8 mm ở cùng điều kiện bê tông 35,5 MPa, sức kháng cắt dọc cực hạn của liên kết tăng thêm khoảng 21,5%, đồng thời cải thiện độ dẻo của liên kết một cách rõ rệt.
• Thứ hai, cường độ chịu nén của bê tông tỷ lệ thuận trực tiếp với sức kháng cắt của liên kết. Mẫu sử dụng bê tông nhóm B cường độ 45,0 MPa cho khả năng chịu tải cao hơn xấp xỉ 18,2% so với mẫu sử dụng bê tông nhóm A cường độ 35,5 MPa trên cùng tấm thép 8 mm.
• Thứ ba, việc tăng hàm lượng cốt thép xuyên qua lỗ từ 1 thanh phi 12 lên 2 thanh phi 12 chỉ làm tăng sức kháng cắt thêm khoảng 4,5% đến 6,0%, nhưng lại làm giảm độ trượt giới hạn khi phá hoại từ mức trên 6,2 mm xuống còn 5,1 mm, khiến liên kết chuyển dần sang trạng thái phá hoại giòn.
• Thứ tư, mô hình mô phỏng số ANSYS cho đường cong ứng xử tải trọng - độ trượt có độ tương thích cao với thực nghiệm, sai số tải trọng tới hạn giữa tính toán lý thuyết và đo đạc thực tế chỉ dao động trong khoảng 3,8% đến 7,5%.

Thảo luận kết quả

Cơ chế truyền lực trong liên kết Perfobond dạng mở chủ yếu dựa vào khả năng chịu cắt nén của chốt bê tông hình thành bên trong phần rỗng của sườn thép, kết hợp với hiệu ứng chốt neo của cốt thép ngang. Khi gia tải, ứng suất tập trung cao tại chân chốt bê tông dẫn đến hiện tượng nứt xiên ban đầu, sau đó lực cắt được phân phối lại sang cốt thép ngang và tấm Perfobond.

Dữ liệu quan trắc có thể được trực quan hóa sinh động thông qua biểu đồ quan hệ tải trọng - độ trượt (P - delta) và bảng so sánh các chỉ số độ dẻo giữa 4 nhóm mẫu. Đường cong thực nghiệm phản ánh rõ ba giai đoạn làm việc: giai đoạn đàn hồi ban đầu với độ cứng cao, giai đoạn xuất hiện vết nứt kèm suy giảm độ cứng, và giai đoạn dẻo duy trì tải trọng trước khi trượt phá hoại. So với các công thức kinh nghiệm của Oguejiofor và Hosain, kết quả của nghiên cứu này cho thấy liên kết Perfobond mở có khả năng chịu lực tương đương dạng đóng kín nhưng vượt trội hơn về tính tiện lợi thi công và kiểm soát nứt cục bộ.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phát hiện thực nghiệm và phân tích số, luận văn đưa ra 4 nhóm giải pháp kỹ thuật cụ thể:

• Ứng dụng liên kết Perfobond tiết diện mở hình Omega cho các kết cấu sàn liên hợp có nhịp lớn từ 6 m đến 12 m nhằm tăng tốc độ gia công tự động bằng máy CNC lên 35%, triển khai áp dụng bởi các kỹ sư kết cấu và đơn vị chế tạo thép trong giai đoạn 2025-2027.
• Quy định cấp độ bền bê tông tối thiểu đạt cường độ nén 35,5 MPa đến 45,0 MPa kết hợp tấm sườn thép dày 8 mm nhằm bảo đảm sức kháng cắt và độ trượt giới hạn vượt ngưỡng 6,0 mm theo tiêu chuẩn Eurocode 4, do các trạm trộn bê tông và đơn vị tư vấn thiết kế kiểm soát chất lượng từ quý 1 năm 2025.
• Tối ưu hóa cấu tạo cốt thép xuyên lỗ ở mức 1 thanh đường kính 12 mm cho mỗi vị trí liên kết thay vì bố trí 2 thanh, giúp tiết kiệm 15% khối lượng thép gia cường và duy trì ứng xử dẻo dai cho kết cấu, thực hiện bởi các kỹ sư thẩm tra và giám sát thi công.
• Tích hợp quy trình mô phỏng phần tử hữu hạn phi tuyến 3D trên ANSYS hoặc ABAQUS vào giai đoạn thiết kế cơ sở để dự báo chính xác trường ứng suất và biến dạng trượt trước khi sản xuất hàng loạt, khuyến nghị cho các viện nghiên cứu và phòng kỹ thuật R&D doanh nghiệp hoàn thiện trong năm 2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho các nhóm đối tượng sau:

• Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình: Nắm vững phương pháp tính toán sức kháng cắt dọc và quy cách cấu tạo liên kết Perfobond mở để thay thế đinh hàn trong các dự án cầu vượt đô thị và nhà cao tầng nhịp lớn.
• Giảng viên và nhà nghiên cứu chuyên ngành xây dựng: Sử dụng tài liệu làm cơ sở tham khảo cho các học phần Kết cấu thép - bê tông liên hợp, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích ứng xử phi tuyến của vật liệu.
• Học viên cao học và sinh viên kỹ thuật: Tiếp cận quy trình thực hiện thí nghiệm nén đẩy push-out chuẩn mực, kỹ thuật lập trình dòng lệnh APDL trong phần mềm ANSYS và cách xử lý dữ liệu đo đạc biến dạng.
• Nhà thầu thi công và đơn vị gia công cơ khí: Tối ưu hóa quy trình cắt thép CNC sườn Perfobond đối xứng không hao hụt vật liệu, loại bỏ nhu cầu sử dụng máy hàn đinh công suất cao tại hiện trường.

Câu hỏi thường gặp

Liên kết Perfobond dạng mở có ưu điểm gì nổi bật so với liên kết đinh hàn truyền thống? Liên kết Perfobond mở khắc phục hiện tượng phá hoại do mỏi tại chân đinh, cho phép cắt CNC tự động từ một tấm thép mà không sinh phoi thừa, không cần máy hàn chuyên dụng công suất lớn, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc đặt cốt thép sàn khi đổ bê tông.

Tại sao tăng số lượng cốt thép qua lỗ từ 1 thanh lên 2 thanh phi 12 lại làm giảm độ dẻo của liên kết? Việc tăng cốt thép lên 2 thanh phi 12 khiến độ cứng của chốt tăng cục bộ, làm bê tông xung quanh bị chèn ép mạnh và vỡ giòn sớm dưới áp lực nén cục bộ, khiến độ trượt giới hạn giảm từ trên 6,2 mm xuống còn 5,1 mm.

Tiêu chuẩn Eurocode 4 quy định ngưỡng biến dạng trượt của liên kết dẻo như thế nào? Theo Eurocode 4, một liên kết chống cắt được công nhận là liên kết dẻo khi độ trượt tương đối cực hạn giữa bản bê tông và dầm thép đạt tối thiểu 6,0 mm trong thí nghiệm nén đẩy, đảm bảo khả năng tái phân phối nội lực an toàn.

Mô hình phần tử hữu hạn trong luận văn sử dụng những loại phần tử nào trên ANSYS? Tác giả sử dụng phần tử Solid65 để mô phỏng bê tông kèm tiêu chuẩn phá hủy nứt vỡ Willam-Warnke, phần tử vỏ Shell43 cho sàn tôn dập sóng và sườn Perfobond, cùng phần tử thanh dàn Link8 cho toàn bộ cốt thép.

Khoảng hở 20 mm ở đáy sườn Perfobond trong mẫu thí nghiệm có mục đích gì? Khoảng hở 20 mm được thiết kế có chủ đích nhằm loại bỏ hoàn toàn lực ép mặt trực tiếp từ đáy bê tông lên chân tấm thép, bảo đảm tải trọng nén chỉ truyền qua các chốt cắt Perfobond đúng với bản chất cơ lý.

Kết luận

• Luận văn đã xác định thành công khả năng chịu cắt dọc và ứng xử biến dạng của liên kết Perfobond dạng mở thông qua 12 mẫu thí nghiệm nén đẩy thực tế.
• Chiều dày sườn thép 8 mm và cường độ bê tông 45,0 MPa được chứng minh là tổ hợp tối ưu, giúp nâng cao sức kháng cắt thêm hơn 20% so với mẫu thông thường.
• Cấu tạo 1 thanh cốt thép phi 12 xuyên qua lỗ đem lại độ dẻo trượt vượt chuẩn 6,0 mm, ưu việt hơn cấu tạo 2 thanh về mặt an toàn biến dạng.
• Mô hình số ANSYS thiết lập có độ chính xác cao với sai số dưới 7,5%, đóng vai trò là công cụ mô phỏng tin cậy thay thế cho các thí nghiệm quy mô lớn đắt đỏ.
• Công trình cung cấp cơ sở khoa học vững chắc để ứng dụng rộng rãi liên kết Perfobond vào tiêu chuẩn thiết kế sàn liên hợp tại Việt Nam.

Kế hoạch phát triển tiếp theo trong 12 đến 24 tháng tới tập trung vào việc khảo sát ứng xử chịu mỏi chu kỳ cao và áp dụng liên kết trên nền bê tông tính năng siêu cao. Các đơn vị tư vấn và chủ đầu tư được khuyến khích áp dụng ngay giải pháp liên kết Perfobond mở vào thiết kế thực tiễn để nâng cao chất lượng công trình.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu về nội dung, mục tiêu và ý nghĩa của đề tài nghiên cứu. • Chương 2: Trình bày tổng quan về mô hình ứng xử của sàn liên hợp và giới thiệu về liên kết chống cắt perfobond. • Chương 3: Trình bày nội dung của chương trình thí nghiệm push out cho 4 nhóm mẫu, từ đó nêu lên được những yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu cắt dọc của liên kết. • Chương 4: Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn cho thí nghiệm push out nhằm khảo sát khả năng chịu cắt của liên kết.

• Chương 5: Nêu lên những kết luận của nghiên cứu, đồng thời đề xuất những kiến nghị và hướng phát triển trong thời gian sắp tới. 6 Chương 2 Tổng quan 2.1 Sàn liên hợp thép – bê tông 2.1 Sự làm việc của sàn liên hợp [1] Sàn liên hợp được cấu tạo bỡi 3 phần chính: tấm thép định hình, cốt thép và bê tông đúc tại chỗ (hình 2. Tấm thép hình có vai trò là ván khuôn trong quá trình thi công và là cốt thép chịu kéo sau khi bê tông đông cứng.1: Cấu tạo sàn liên hợp Sàn liên hợp được sử dụng rộng rãi trong xây dựng các trung tâm thương mại, nhà nhiều tầng cũng như trong xây dựng cầu đường bỡi vì những ưu điểm sau: • Thi công đơn giản, tốc độ nhanh. 7 • Sàn công tác vững chắc, an toàn cho công nhân.

• Trọng lượng bản thân nhẹ hơn so với bê tông cốt thép truyền thống. • Giảm thiểu sai số vì cấu kiện thép được sản xuất và kiểm tra tại nhà máy. Sàn liên hợp về bản chất là phần tử kết cấu làm việc một phương, nhịp của sàn là khoảng cách giữa hai dầm phụ. Dưới tác dụng của tải trọng bên ngoài, tấm sàn bị biến dạng uốn và sinh ra ứng suất trượt tại mặt tiếp xúc giữa tấm thép và bê tông.

Nếu liên kết giữa tấm thép và bê tông đảm bảo chuyển vị dọc giữa tấm thép và phần bê tông tiếp xúc là bằng nhau thì sàn có liên kết hoàn toàn. Nếu tồn tại chuyển vị dọc tương đối giữa tấm thép và phần bê tông tiếp xúc thì sàn có liên kết không hoàn toàn. Phân biệt hai dạng trượt ở bề mặt tiếp xúc giữa thép với bê tông: Trượt cục bộ rất nhỏ, không nhìn thấy bằng mắt thường, nhưng làm phân bố lại nội lực liên kết; trượt tổng thể lớn, có thể nhìn thấy và đo được, phụ thuộc vào loại liên kết giữa tấm thép và bê tông. Ba dạng làm việc của sàn liên hợp (hình 2.2): • Tương tác hoàn toàn giữa tấm thép và bê tông: không tồn tại sự trượt tổng thể tại bề mặt tiếp xúc.

Sự truyền lực cắt dọc là hoàn toàn và tải trọng cực hạn Pu là lớn nhất, hiệu ứng liên hợp là hoàn toàn. Sự phá hoại có thể là giòn hoặc dẻo. • Tương tác bằng không giữa tấm thép và bê tông: sự trượt tổng thể ở bề mặt tiếp xúc không bị giới hạn và gần như không có không có sự truyền lực cắt dọc. Tải trọng cực hạn là nhỏ nhất và gần như không có hiệu ứng liên hợp.

Sự phá hoại xảy ra từ từ. • Tương tác một phần giữa tấm thép và bê tông: sự trượt tổng thể ở bề mặt tiếp xúc khác không nhưng có giới hạn. Lực cắt dọc được truyền một phần, tải trọng cực hạn có giá trị trung gian giữa hai trường hợp trên. Sự phá hoại có thể là giòn hoặc dẻo.2: Sự làm việc của sàn liên hợp Độ cứng của sàn, thể hiện bỡi độ dốc của phần đầu đường cong P - δ , là khác nhau ứng với mỗi dạng làm việc.

Độ cứng lớn nhất ứng với tương tác hoàn toàn và nhỏ nhất ứng với tương tác bằng không. Có 3 dạng liên kết giữa tấm thép và bê tông: • Liên kết lý – hóa: nhỏ, luôn luôn tồn tại với bất kỳ dạng tấm định hình nào. • Liên kết ma sát: xuất hiện ngay khi sự trượt nhỏ xuất hiện. • Liên kết neo cơ học: làm việc sau khi có sự trượt đầu tiên và phụ thuộc hình dạng của bề mặt tiếp xúc.

Từ 0 đến Pf , liên kết giữa thép và bê tông chủ yếu là liên kết lý – hóa. Sau khi xuất hiện vết nứt, liên kết ma sát và liên kết neo cơ học bắt đầu có tác dụng vì có sự trượt nhỏ xuất hiện. Độ cứng trở nên rất khác nhau do ảnh hưởng của các dạng liên kết. Sự phá hoại của sàn liên hợp có thể xảy ra theo một trong các dạng sau (hình 2.3): • Dạng phá hoại I: phá hoại do moment dương (tiết diện I), xảy ra đối với những sàn nhịp lớn với mức độ tương tác cao giữa thép và bê tông.3: Các dạng phá hoại sàn liên hợp • Dạng phá hoại II: phá hoại do lực cắt dọc lớn, khả năng chịu tải tới hạn đạt được tại mặt tiếp xúc giữa thép và bê tông.

Dạng này xảy ra tại tiết diện II dọc theo chiều dài chịu cắt Ls. • Dạng phá hoại III: phá hoại do lực cắt theo phương đứng lớn gần gối tựa (tiết diện III) nơi lực cắt theo phương đứng là quan trọng. Dạng này chỉ có thể nguy hiểm đối với bản có chiều dày lớn và nhịp bản ngắn chịu tải nặng. Ứng xử của sàn liên hợp (hình 2.4: Ứng xử giòn và dẻo của sàn liên hợp Phá hoại giòn hay dẻo phụ thuộc vào đặc trưng của mặt tiếp xúc giữa thép và bê tông.

Bản có thép tấm định hình dạng lồi mở dễ ứng xử giòn, ngược lại bản có thép tấm định hình dạng lõm có xu hướng biểu hiện ứng xử dẻo.2 Lực cắt dọc trong sàn liên hợp [1] Dạng phá hoại II của sàn liên hợp tương ứng với khả năng chịu cắt theo phương dọc. Phương pháp kiểm tra là đánh giá khả năng chịu cắt dọc τu tồn tại trên đoạn chịu cắt Ls và so sánh với lực tác dụng. Khả năng chịu cắt dọc τu phụ thuộc vào dạng thép tấm định hình và phải được thiết lập riêng cho tất cả thép tấm định hình vì giá trị của nó là hàm số của sự bố trí cụ thể của hướng dập nổi, điều kiện bề mặt,. Khả năng chịu cắt dọc của sàn được xác định bằng phương pháp bán thực nghiệm m - k, được đề xuất bỡi Porter và Ekberg (1976).

Phương pháp này không dẫn tới việc tính toán khả năng chịu cắt dọc τu mà sử dụng lực cắt đứng Vt để kiểm tra sự phá hoại do lực cắt dọc trên đoạn chịu cắt Ls. Phương pháp m - k Phương pháp bán thực nghiệm m − k sử dụng công thức tham số tuyến tính trong đó tất cả các tham số đều có mặt: VLR = F (fck , Ls , dp , b, Ap , Vt ) (2.1) Với: VLR : khả năng chịu cắt dọc Vt : lực cắt đứng dp : chiều cao trung bình của sàn liên hợp Hình 2.5 thể hiện đường thẳng m − k được xác định từ 6 mẫu thí nghiệm sàn với tỉ lệ thực được chia thành 2 nhóm cho mỗi loại tấm thép định hình. Trục tung là giá trị ứng suất và phụ thuộc vào lực cắt đứng Vt đã bao gồm trọng lượng bản thân của sàn. Trục hoành là số không thứ nguyên và thể hiện tỉ số diện tích tấm thép định hình và diện tích chịu cắt dọc.

Nhân tỉ số này với fy /τu và để ý đến trục đứng, mối quan hệ trực tiếp được thiết lập với khả năng chịu cắt dọc của tấm thép định hình.5: Xác định m − k từ kết quả thí nghiệm Theo Eurocode4, lực cắt đứng lớn nhất Vt.Sd đối với bề rộng sàn b, được giới hạn do khả năng chịu cắt dọc VL.Rd là: Ap 1 VL.2) bLs γV S Với m và k là tung độ tại gốc và góc nghiêng của đường m − k và γV S là hệ số an toàn bằng 1. Hệ số m và k nhận được từ các thí nghiệm thực tiêu chuẩn. Giá trị m và k phụ thuộc vào dạng của tấm định hình và kích thước tiết diện sàn và thường được cho bỡi nhà sản xuất. Eurocode4 không xét khả năng chịu cắt dọc của bê tông và xác định đường thẳng đặc trưng qua giá trị nhỏ nhất của mỗi nhóm thí nghiệm và giảm đi 10%.

Việc không kể đến tác dụng chịu cắt của bê tông do thấy rằng đối với các công trình nhà ở, khả năng chịu cắt dọc của bê tông không lớn nếu giới hạn chịu nén fck nằm trong khoảng 25 đến 35M P a. Chiều dài chịu cắt Ls phụ thuộc vào dạng tải trọng. Với tải trọng phân bố đều trên nhịp L của dầm đơn giản, Ls bằng L/4. Giá trị này nhận được bằng cách cân bằng diện tích dưới biểu đồ lực cắt cho trường hợp tải phân bố đều và trường hợp hai tải tập trung tác dụng cách hai gối tựa một đoạn Ls.

Đối với dạng tải trọng khác, Ls nhận được bằng cách tương tự. Trường hợp sàn liên hợp được thiết kế theo sàn liên tục, cho phép sử dụng nhịp đơn tương đương giữa các điểm uốn khi xác định khả năng chịu cắt. 12 Đường thẳng cắt dọc trên hình 2.6 chỉ có giá trị trong khoảng giới hạn nhất định, phụ thuộc vào nhịp của sàn, có thể xảy ra một trong ba dạng phá hoại.6: Các dạng phá hoại phụ thuộc vào nhịp của sàn Nếu khả năng chịu cắt của sàn không đủ, có thể làm tăng lên bằng cách sử dụng một số dạng neo hoặc làm biến dạng cục bộ tấm thép định hình.2 Liên kết chống cắt trong kết cấu liên hợp 2.1 Phân loại liên kết [1] Xét một dầm liên hợp. Nếu không có liên kết chống cắt giữa sàn bê tông và dầm thép thì hai lớp vật liệu sẽ trượt tương đối với nhau và ứng suất do uốn trên một tiết diện được thể hiện trong hình 2.

Nếu khả năng chịu cắt dọc được cung cấp bỡi một dạng liên kết chống cắt thì ứng suất tại mặt tiếp xúc giữa hai lớp vật liệu trùng nhau, dầm làm việc như một cấu kiện liên hợp hoàn chỉnh. 13 (a) Biến dạng (b) Ứng suất do uốn (c) Ứng suất cắt • Trường hợp không có liên kết • Trường hợp liên kết hoàn toàn (d) Biến dạng (e) Ứng suất do uốn (f) Ứng suất cắt Hình 2.7: Biến dạng, ứng suất uốn, ứng suất cắt của kết cấu liên hợp Nếu xét trường hợp sử dụng liên kết hoàn toàn và dầm làm việc trong giai đoạn đàn hồi, gọi T là lực trượt trên một đơn vị chiều dài tại vị trí tiếp xúc giữa bê tông và dầm thép, thì T được tính theo công thức: V.3) I Với V : lực cắt theo phương đứng tại điểm tính toán.