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 kết cấu 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 6 nhóm mẫu, từ đó nêu lên được những yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu cắt của liên kết. Chương 4: Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn cho thí nghiệm push out nhằm khảo sát cơ chế truyền lực và khả năng làm việc 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.
8 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 2.1- Liên kết chống cắt trong kết cấu liên hợp bê tông – thép 2.1- Tổng quan Kết cấu liên hợp là sự kết hợp của bê tông cốt thép và kết cấu thép (gọi chung là thép hình), phần thép định hình có thế có dạng tấm, thanh định hình hay ống. Trong tổng thể công trình kết cấu liên hợp được dùng cho các cấu kiện chịu lực như dầm, sàn, cột, dàn vòm hay các chi tiết liên kết ở các vị trí chịu lực đặc biệt. Thông thường phần thép hình có thể nằm ngoài bao lấy bê tông hoặc được đặt bên trong tiết diện. a) Dầm liên hợp b) Cột sử dụng thép hình c) Sàn liên hợp Hình 2.1: Ứng dụng của kết cấu liên hợp bê tông thép [1] 9 Hình 2.1b mô tả một số dạng điển hình của tiết diện kết cấu liên hợp, hình 2.1c thể hiện một ứng dụng của kết cấu liên hợp trong hệ dầm sàn mà đang được sử dụng phổ biến ở nước ta hiện nay [1].
Kết cấu liên hợp đang được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình nhờ bố trí tối ưu về khả năng chịu lực của mỗi loại vật liệu thành phần. Bê tông và cốt thép là hai loại vật liệu hoàn toàn khác nhau nhưng khi trong cùng một kết cấu thì lại bổ sung cho nhau. Như chúng ta đã biết, bê tông làm việc hiệu quả khi chịu nén và ngược lại thép hiệu quả khi chịu kéo. Sự kết hợp giữa bê tông và thép sẽ làm tăng độ cứng của cấu kiện và làm giảm nguy cơ mất ổn định so với kết cấu thép thuần túy.
Ngoài ra bê tông còn chống ăn mòn, chống nhiệt, chống cháy và thép làm cho kết cấu dẻo dai hơn, làm tăng độ cứng hình học, từ đó giảm độ võng của kết cấu [1] Đối với công trình dân dụng, kết cấu liên hợp được ứng dụng nhiều trong kết cấu dầm sàn, với hệ dầm cột làm bằng thép (thường sử dụng thép hình chữ H và chữ I) và sàn bằng bê tông. Dầm composite thực sự làm việc sau khi tấm tôn chịu lực, cốt thép thường, chốt liên kết và bê tông đóng rắn kết hợp thành một cấu kiện duy nhất. Dưới tác dụng của tải trọng, dầm composite bị uốn và ứng suất cắt xuất hiện tại mặt tiếp xúc giữa bê tông và thép. Tại vị trí này sẽ phát sinh biến dạng trượt tương đối giữa dầm thép và sàn bê tông.
Do đó liên kết chống cắt (shear connector) được bố trí nhằm ngăn cản sự trượt tương đối đó.2 mô tả trường hợp dầm liên hợp khi có và không có sử dụng các liên kết chống cắt.2: Vai trò của liên kết chống cắt trong dầm liên hợp [1] 10 Hình 2.3: Ứng xử của dầm liên hợp [1] Hình 2.3 mô tả các trường hợp ứng xử của dầm liên hợp khi xét đến sự tương tác làm việc giữa bê tông và dầm thép [1]. Theo đó, dầm chia thành ba loại như sau: Tương tác toàn phần (full interaction): không có sự trượt tương đối tại mặt tiếp xúc giữa bản bê tông và dầm thép. Lực cắt dọc được truyền toàn bộ và tải trọng phá hoại Pu đạt giá trị lớn nhất, bê tông và thép làm việc cùng nhau hoàn toàn. Phá hoại là dòn nếu xảy ra đột ngột, là dẻo nếu xảy ra từ từ.
Không tương tác (no interaction): chuyển vị trượt tương đối giữa bê tông và thép tại mặt tiếp xúc là không giới hạn; hầu như không có sự truyền lực cắt. Tải trọng phá hoại Pu nhỏ nhất, phá hoại là chuyển tiếp (progresive). Tương tác bán phần (partial interaction): trượt giữa bê tông và thép tại mặt tiếp xúc khác không nhưng có giới hạn. Lực cắt được truyền một phần và Pu nằm giữa hai giá trị trên.
Phá hoại có thể là dòn hoặc dẻo. Nhằm làm rõ hơn ứng xử của dầm, xét dầm có chiều dài L chịu tải trọng phân bố đều, có dạng phá hủy mô tả như hình 2. Kết quả tính biến dạng trượt và chuyển vị được mô tả như hình 2.4b,c cho thấy rằng, tại vị trí giữa dầm, chuyển vị đạt giá trị lớn nhất, biến dạng trượt bằng không. Ngược lại, tại vị trí cuối dầm, gần vị trí gối tựa thì chuyển vị bằng không còn biến dạng trượt đạt giá trị lớn nhất.
Đường nét liền mô tả kết quả của dầm không sử dụng liên kết chống cắt (no 11 interaction), đường nét đứt mô tả kết quả của trường hợp tính toán loại tương tác bán phần (partial interaction). Điều đó chứng tỏ rằng liên kết chống cắt giúp tăng độ cứng cho dầm nếu chúng làm việc hiệu quả. a) deflected shape interaction partial interaction Slip mm 8 8,1 mm 104 ds dx 4 6.05 -8 -5 0 5 x1 metres b) Slip train c) slip Hình 2.4: Biến dạng, chuyển vị và trượt của dầm [4] Sự trượt giữa dầm và sàn phụ thuộc vào mức độ chống cắt của liên kết.5 biểu diễn mức độ trượt giữa dầm và sàn khi có và không có liên kết.5: Ảnh hưởng của lực cắt [1] 2.2- Các giai đoạn làm việc của dầm liên hợp Sự làm việc của kết cấu được minh họa theo hình 2.6, được chia thành 3 giai đoạn sau [5]: Hình 2.6: Các giai đoạn chịu tải của dầm liên hợp [5] Giai đoạn 1: Khi tải trọng còn nhỏ, bê tông và thép làm việc đàn hồi, ứng suất và biến dạng là tuyến tính. Liên kết giữa chúng chịu lực cắt nhỏ.
Dầm bị biến dạng ít nên ứng suất tại giữa nhịp dầm phân bố dạng đường thẳng như hình 2.6a 13 Theo biểu đồ biến dạng, nếu sàn đủ dày thì trục trung hòa sẽ nằm trong bê tông, như vậy một phần bê tông chịu kéo. Ngược lại, khi bản sàn mỏng thì trục trung hòa nằm trong phần dầm thép thì lúc này phần phía trên chịu nén. Giai đoạn 2 Khi tải trọng tiếp tục tăng, ứng suất cắt giữa thép và bê tông tăng làm tăng biến dạng liên kết. Biến dạng này làm tăng biến dạng tổng thể của dầm.6b biểu diễn ảnh hưởng của biến dạng trượt đến sự phân bố ứng suất và biến dạng của dầm.
Ở giai đoạn này dầm liên hợp được thiết kế liên kết loại một phần. Tuy nhiên biến dạng trượt rất nhỏ và có thể bỏ qua. Giai đoạn 3 Thép đạt đến giới hạn chảy, vùng dẻo phát triển và sau đó toàn bộ tiết diện thép bị chảy dẻo. Quá trình này cũng xảy ra tương tự như với bê tông, biểu đồ ứng suất biến dạng như hình 2.
Khi biến dạng phát triển gây ra ứng suất quá lớn sẽ làm phá hoại giòn tại bề mặt bản bê tông. Sự gia tăng ứng suất trong bê tông dẫn đến sự gia tăng biến dạng, ứng suất sẽ bị thay đổi. Nếu khả năng chống lại lực cắt dọc đủ lớn thì biến dạng trượt có thể bỏ qua. Tuy nhiên, trên thực tế mức độ biến dạng dầm phụ thuộc rất nhiều ứng xử của liên kết chống cắt.3- Liên kết chống cắt trong kết cấu dầm Tác động liên hợp giữa dầm thép và bản bê tông được quyết định bởi sự truyền lực cắt ngang tại mặt tiếp xúc.
Tác động này có thể được đặc trưng bởi một vài đặc tính cơ học như sự bám dính, ma sát và sự liên kết. Sự ma sát và bám dính giữa bê tông và thép được bỏ qua do chúng rất nhỏ so với lực kháng cắt của liên kết. Do đó, những liên kết chống cắt được hàn vào dầm thép sẽ làm tăng khả năng chịu lực của liên kết dưới tác dụng của tải trọng. Trong thực tế để xác định khả năng chịu tải của dầm, giả sử tất cả liên kết ngay cả khi đã biến dạng thì cũng đảm bảo khả năng chống lại lực cắt dọc của dầm.
14 Nếu khả năng chống cắt của liên kết đảm bảo cho dầm tiếp tục làm việc đến giai đoạn chảy dẻo hoàn toàn thì được gọi là liên kết toàn phần (full interaction). Ngược lại liên kết chỉ đảm bảo mômen nội lực của dầm đạt đến giới hạn nhất định độ bền tiêu chuẩn thì gọi là liên kết bán phần Hình 2.7 minh họa sự làm việc của liên kết chống cắt trong kết cấu dầm sàn liên hợp. a) No connection Beam section Strain Bending stress Shear stress a) Full connection Elastic stress Ultimate plastic stress Strain Bending stress Shear stress Hình 2.7: Biểu đồ ứng suất – biến dạng [1] a) Không có liên kết chống cắt b) Liên kết hoàn toàn Theo hình trên, nếu không có liên kết giữa dầm và sàn bê tông thì hai lớp vật liệu sẽ trượt lên nhau và biểu đồ ứng suất sẽ được mô tả ở hình 2.7a, xem như liên kết hoàn toàn có độ cứng tuyệt đối. Tuy nhiên trong thực tế không có liên kết cắt cứng hoàn toàn vì hầu như xảy ra sự trượt ở mặt tiếp xúc.
Độ dai của liên kết cho phép phân phối lại lực cắt dọc ở bề mặt tiếp xúc như hình 2. 15 Trường hợp lực cắt dọc theo mặt tiếp xúc được ngăn cản bởi liên kết chống cắt thì ứng suất tại mặt tiếp xúc là như nhau, khi đó dầm làm việc như kết cấu liên hợp hoàn chỉnh. Nếu xét trường hợp sử dụng liên kết hoàn toàn trong dầm liên hợp và dầm làm việc trong giai đoạn đàn hồi, gọi T là lực trượt trên một đơn vị chiều dài tại vị trí giữa bê tông và dầm thép, thì T được tính theo công thức [6]: VS T (2.1) I Với V : Lực cắt theo phương đứng tại điểm tính toán I : moment quán tính của tiết diện tương đương S : moment tĩnh của tiết diện bản bê tông và tiết diện thép lấy đối với trục trung hòa 2.4- Ứng xử của liên kết chống cắt: Khi tải trọng tăng, lực cắt dọc vị trí tiếp xúc tăng. Dầm đơn giản chịu tải phân bố đều, lực cắt dọc đơn vị được tính theo công thức (2.
Theo công thức trên lực cắt dọc tỷ lệ với lực cắt đứng nên lực cắt của liên kết ở vị trí đầu dầm là lớn nhất.
