Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng hiện đại, kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) và bê tông ứng lực trước (không dầm) được ứng dụng rộng rãi nhờ mang lại nhiều ưu điểm về không gian kiến trúc, chiều cao thông thủy, sự thuận tiện trong thi công cốp pha và giảm giá thành kết cấu. Tuy nhiên, liên kết nút giữa cột và bản sàn là vị trí chịu ứng suất tập trung rất lớn, tiềm ẩn nguy cơ xảy ra hiện tượng phá hoại chọc thủng (punching shear failure). Đây là dạng phá hoại giòn cục bộ nguy hiểm, diễn ra đột ngột mà không có dấu hiệu cảnh báo trước (cốt thép chịu uốn có thể chưa kịp chảy dẻo), có thể dẫn đến sự sụp đổ dây chuyền của toàn bộ kết cấu sàn hoặc toàn bộ tòa nhà. Thực tế lịch sử ghi nhận các sự cố nghiêm trọng trên thế giới do phá hoại chọc thủng như thảm họa sập tòa nhà Sampoong Department tại Hàn Quốc (năm 1995) làm 502 người chết và hơn 1.000 người bị thương, hay sự cố tại tòa nhà Skyline Plaza tại bang Virginia, Hoa Kỳ (năm 1971) gây thương vong cho hơn 14 công nhân.

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới, nhưng đến nay vẫn chưa có một mô hình cơ học giải tích thuần túy nào được thống nhất hoàn toàn để mô tả chính xác sự truyền lực tại vùng liên kết cột - sàn. Các hệ thống tiêu chuẩn thiết kế quốc tế như ACI 318-2014 (Hoa Kỳ), EC2-2004 (Châu Âu), BS 8110-1997 (Anh), DIN 1045-2008 (Đức), AS3600-2018 (Úc), CSA A23.3-14 (Canada), GBJ 50010-2010 (Trung Quốc) và FIB Model Code 2010 dựa trên các mô hình lý thuyết và cơ sở thực nghiệm khác nhau, dẫn đến sự sai khác đáng kể trong việc xác định khả năng chống chọc thủng. Tại Việt Nam, tiêu chuẩn thiết kế hiện hành TCVN 5574-2018 (được biên soạn dựa trên tiêu chuẩn Nga SP 63.13330) mới chỉ cung cấp chỉ dẫn tính toán chống chọc thủng cho cấu kiện bê tông cốt thép thông thường, chưa xét đến một cách định lượng ảnh hưởng của các tham số quan trọng như: hàm lượng cốt thép dọc trong vùng kéo, mức độ ứng suất nén trước trong bê tông do cáp ứng lực tạo ra, cũng như tỷ lệ kích thước hình học của tiết diện cột. Do đó, việc nghiên cứu toàn diện từ mô phỏng số đến thực nghiệm nhằm đề xuất công thức tính toán phù hợp với TCVN 5574-2018 là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định bốn mục tiêu nghiên cứu cụ thể được đánh số như sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan về khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép và sàn phẳng bê tông ứng lực trước.
  2. Nghiên cứu khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép bằng phương pháp số, khảo sát các tham số ảnh hưởng đến khả năng chống chọc thủng bao gồm: hàm lượng cốt thép dọc chịu kéo, ứng suất nén trước trong bê tông, chiều dày bản sàn và kích thước tiết diện cột.
  3. Đề xuất công thức tính toán khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép và bê tông ứng lực trước phù hợp với hệ thống tiêu chuẩn TCVN 5574-2018.
  4. Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm chứng độ tin cậy của công thức đề xuất và mô hình mô phỏng số tính toán khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép và sàn phẳng bê tông ứng lực trước.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Khả năng chống chọc thủng tại liên kết giữa cột và bản sàn phẳng bằng bê tông cốt thép thường và sàn phẳng bê tông có ứng lực trước.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Cấp độ bền của bê tông không vượt quá B60;
    • Cấu kiện bản sàn phẳng không bố trí cốt thép ngang chịu cắt;
    • Bản sàn nguyên vẹn, không có lỗ mở kỹ thuật tại vùng liên kết cột - sàn;
    • Bỏ qua ảnh hưởng của mô men uốn đồng thời truyền qua liên kết cột sàn (không xét liên kết chịu uốn - cắt đồng thời);
    • Vị trí cột khảo sát là cột giữa (nội tầng), có hình dạng tiết diện hình tròn hoặc hình chữ nhật.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu lý thuyết và mô hình cơ học trước đây

Luận án đã phân loại và điểm luận các mô hình cơ học tính toán khả năng chống chọc thủng do các tác giả quốc tế đề xuất:

  1. Mô hình cơ học phá hoại theo điều kiện cân bằng:

    • Shehata (1985, 1990) và Regan (1989): Giả thiết vùng tháp chọc thủng được chia thành các miếng cứng xoay quanh chu vi cột và trục trung hòa dựa trên hệ vết nứt hướng tâm và vết nứt tiếp tuyến. Shehata đề xuất công thức tính lực chọc thủng $V_{ou} = 2 \pi r_0 x n_c f_c' \tan(10^\circ) (500/d)^{1/3}$ với hệ số $n_c = 1{,}4(2d/r_0)^{0{,}5}$ kể đến trạng thái ứng suất nén 3 trục của bê tông.
    • Broms (1990, 2009): Kế thừa từ mô hình của Kinnunen và Nylander (1960), xác định sự phá hoại khi ứng suất và biến dạng nén hướng tâm đạt giới hạn cực hạn. Broms phân định hai vùng nén (vùng nén tiếp tuyến và vùng nén hướng tâm), sử dụng góc nghiêng vết nứt $30^\circ$ và góc thanh dàn $15^\circ$ với cường độ nén quy đổi $1{,}1 f_c'$.

  2. Mô hình thanh dàn và giằng (Strut-and-Tie Models):

    • Marzouk, Rizk và Tiller (2010): Xây dựng mô hình dàn tập trung vào sự phá hoại của vùng nén hướng tâm cột, tính toán chiều cao vùng nén theo tiêu chuẩn CSA A23.3 và đưa vào hệ số kích thước $(500/h)^{0{,}35}$ (cho $f_c' < 40\text{ MPa}$) hoặc $(250/h)^{0{,}35}$ (cho bê tông cường độ cao hơn).
    • Alexander và Simmonds (1992): Mô hình hóa hệ dàn không gian xung quanh cột với cốt thép dọc đóng vai trò thanh giằng chịu kéo (tie) và dải bê tông đóng vai trò thanh chống xiên chịu nén (strut) truyền lực cắt từ sàn xuống cột.
    • Georgopolous (1992, nền tảng của CEB-FIB 2001): Giả định sự truyền lực cắt gồm 75% truyền qua lực kéo trong bê tông và 25% truyền qua lực nén.
    • Menétrey (1996, 1998, 2002): Đề xuất mô hình tổng quát hóa sự đóng góp chịu cắt của bê tông ($F_{ct}$), hiệu ứng chốt kháng cắt của cốt thép dọc ($F_{dow}$), cốt thép đai chịu cắt ($F_{sw}$) và thành phần thẳng đứng của cáp ứng lực ($F_p$): $V_{uo} = F_{ct} + F_{dow} + F_{sw} + F_p$.

  3. Mô hình phá hoại theo cơ chế uốn và góc xoay vết nứt tới hạn:

    • Gesund và Goli (1980), Ranking và Long (1987): Thiết lập mối liên hệ chặt chẽ giữa khả năng chịu uốn và khả năng chống chọc thủng ($V_{flex}$).
    • Muttoni (2008, nền tảng của FIB Model Code 2010): Đưa ra lý thuyết vết nứt tới hạn (Critical Shear Crack Theory - CSCT), trong đó khả năng chống cắt chọc thủng tỷ lệ nghịch với góc xoay của bản sàn và phụ thuộc vào kích thước hạt cốt liệu lớn nhất $d_g$.

  4. Các mô hình cho sàn phẳng bê tông ứng lực trước:

    • Mô hình ứng suất kéo chính: Kể đến tác động của ứng lực trước qua việc tính toán trạng thái ứng suất kéo chính tương đương trong phạm vi tháp chọc thủng (áp dụng trong ACI 318, EC2, AS3600).
    • Mô hình thêm lượng cốt thép dọc chịu kéo tương đương: Quy đổi lực nén trước thành hàm lượng cốt thép bổ sung $\rho_{eq} = \sigma_{cp} / f_{sy}$ (theo FIP 1990) hoặc dựa trên diện tích cốt thép ứng lực và ứng suất hiệu dụng (Nylander, Kinnunen, Ingvarsson, Regan, Braestrup).
    • Mô hình ứng suất nén ngược tương đương (Decompression stress): Regan (1985), Silva, Regan và Melo (2005) quy đổi ứng suất nén do cáp thành một mô men tạo uốn ngược tương đương $M_0$.

Nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số

  • Thực nghiệm: Các nghiên cứu của Lovrovich và McLean (1990), Alam (1997), Michell (2005), Gardner (2005), Bailey (2008), Yaser Mirzaei (2010), PGS.TS Lê Thanh Huấn đã chỉ ra rằng: khả năng chống chọc thủng tăng khi hàm lượng cốt thép dọc tăng, độ cứng dầm biên tăng; ngược lại ứng suất chọc thủng danh nghĩa $(P_{ct} / u_m h_0)$ giảm khi chiều dày sàn tăng (hiệu ứng kích thước) hoặc khi tỷ số kích thước hai cạnh của cột chữ nhật tăng cao. Tác giả luận án đã tổng hợp bộ cơ sở dữ liệu gồm 270 mẫu thí nghiệm đã công bố trên thế giới (trong đó có 30 mẫu sàn cột chữ nhật tỷ số cạnh lớn hơn 2 và 40 mẫu sàn bê tông ứng lực trước).
  • Mô phỏng số: Các tác giả Loo và Guan (1997), Megally và Ghali (2000), Bhatt và Lim (2000), XueZang (2003), Aikaterini Genikomsou (2015), A.M. Jahangir (2016) đã ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến với các phần mềm chuyên dụng như DIANA, ABAQUS, ANSYS để phân tích quá trình nứt, sự suy giảm độ cứng và cơ chế phá hoại cục bộ tại liên kết cột - sàn.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn

Các công thức tính chọc thủng trong TCVN 5574-2018 hiện chưa tích hợp đầy đủ hệ số định lượng cho hàm lượng cốt thép dọc chịu kéo ($\rho$), ứng suất nén trước hiệu dụng ($\sigma_{cp}$), hiệu ứng kích thước chiều dày ($h_0$) và sự suy giảm khả năng chịu lực khi tiết diện cột có dạng hình chữ nhật kéo dài ($\beta_c \ge 2$). Luận án tập trung giải quyết khoảng trống này bằng việc xây dựng mô hình phần tử hữu hạn tham số hóa, phân tích mở rộng và hiệu chỉnh công thức giải tích cho TCVN 5574-2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Lý thuyết phá hoại vật liệu: Phá hoại chọc thủng xuất hiện khi ứng suất kéo chính trong bê tông tại vùng lân cận vị trí đặt tải vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông, dẫn đến hình thành vết nứt xiên tạo thành tháp phá hoại dạng nón cụt.
  • Mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu:
    • Bê tông chịu nén: Luận án phân tích và so sánh các đường cong ứng xử phi tuyến của Hognestad, Todeschini, Kent & Park, Popovics, EC2-2004, Kachlakev và TCVN 5574-2018 để lựa chọn đường cong nén không kiềm chế nở ngang thích hợp.
    • Bê tông chịu kéo: Sử dụng mô hình ứng xử đàn hồi tuyến tính trước khi nứt, sau khi nứt kể đến hiện tượng làm mềm do kéo (tension softening) và suy giảm truyền lực cắt qua vết nứt với hệ số truyền lực cắt khi mở vết nứt $\beta_o$ và khi đóng vết nứt $\beta_c$.
    • Cốt thép thường và thép ứng lực trước: Sử dụng mô hình đàn dẻo lý tưởng hoặc mô hình song tuyến tính có xét giới hạn chảy ($f_y$), giới hạn bền ($f_u$) và mô đun đàn hồi ($E_s$).
Nhóm tham số Phần tử / Mô hình sử dụng trong ANSYS Đặc tính mô hình hóa
Bê tông SOLID65 (khối 8 nút, 3 bậc tự do/nút) Khả năng nứt khi chịu kéo, vỡ vụn khi chịu nén, biến dạng dẻo phi tuyến
Cốt thép thường & Cáp LINK180 (thanh 3D 2 nút) Làm việc chịu kéo/nén dọc trục, liên kết dính bám hoàn toàn với SOLID65
Tấm đệm truyền tải / Gối SOLID185 (khối 8 nút) Vật liệu đàn hồi tuyến tính, chống biến dạng cục bộ tại điểm đặt lực
Tiêu chuẩn phá hoại Willam - Warnke (5 tham số) Xác định mặt phá hoại đa trục của bê tông dưới ứng suất phức tạp

Phương pháp nghiên cứu

  1. Phương pháp mô phỏng số (Numerical Simulation): Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến 3 chiều trên phần mềm ANSYS thông qua ngôn ngữ thiết kế tham số APDL (ANSYS Parametric Design Language). Mô hình cho phép tự động hóa quá trình chia lưới, gán điều kiện biên, đặt tải trọng từng bước (Newton-Raphson) và thay đổi kích thước hình học, hàm lượng cốt thép, mức lực căng trước.
  2. Phương pháp thực nghiệm (Experimental Method): Chế tạo và thí nghiệm phá hoại thực tế trên các mẫu bản sàn phẳng quy mô lớn tại Phòng thí nghiệm LAS-XD125 (Trường Đại học Xây dựng).
  3. Nguồn dữ liệu:
    • Dữ liệu thứ cấp: Bộ 270 kết quả thí nghiệm từ các công bố quốc tế để đối chuẩn và phân tích hồi quy thống kê.
    • Dữ liệu sơ cấp: Số liệu đo đạc trực tiếp từ thí nghiệm của luận án về chuyển vị độ võng (qua hệ thống đầu đo LVDT), biến dạng bê tông và ứng suất cốt thép (qua cảm biến điện trở Strain Gauge), tải trọng nứt và tải trọng phá hoại chọc thủng tới hạn ($P_{ct}$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng

Chương này hệ thống hóa toàn diện các khái niệm, cơ chế phá hoại, các mô hình giải tích và hệ thống tiêu chuẩn thực hành trên thế giới:

  • Cơ chế nứt và phá hoại: Phân tích sự hình thành vết nứt hướng tâm lực xuất hiện ở mức tải $(1/2 \div 2/3) P_{ct}$, tiếp theo là sự phát triển của vết nứt tiếp tuyến tạo mặt trượt tháp chọc thủng. Phân biệt rõ sự khác nhau giữa đường cong quan hệ tải trọng - độ võng ($P - d$) của phá hoại do chọc thủng (mất tải đột ngột, phá hoại giòn) và phá hoại do uốn (độ võng phát triển dẻo, mất tải từ từ).
  • So sánh các tiêu chuẩn thiết kế: Phân tích vị trí tiết diện kiểm tra nguy hiểm và các công thức xác định khả năng chịu lực cắt chọc thủng:
Tiêu chuẩn Vị trí tiết diện tới hạn cách mép cột Công thức ứng suất / Lực cắt chọc thủng danh định
ACI 318-2014 $0{,}5d$ $V_c = \min\left[0{,}083\left(2 + \frac{4}{\beta}\right); 0{,}083\left(\frac{\alpha_s d}{b_0} + 2\right); 0{,}33\right] \lambda \sqrt{f_c'} b_0 d$
EC2-2004 $2{,}0d$ $v_{Rd,c} = C_{Rd,c} k (100 \rho_l f_{ck})^{1/3} + k_1 \sigma_{cp} \ge (v_{min} + k_1 \sigma_{cp})$
AS3600-2018 $0{,}5d_{om}$ $V_c = u d_{om} (f_{cv} + 0{,}3 \sigma_{cp})$
CSA A23.3-14 $0{,}5d$ $V_c = \min\left[\left(1 + \frac{2}{\beta_c}\right) 0{,}19; \left(\frac{\alpha_s d}{u} + 0{,}19\right); 0{,}38\right] \lambda \phi_c \sqrt{f_c'} u d$
GBJ 50010-2010 $0{,}5h_0$ $F_l \le (0{,}7 \beta_h f_t + 0{,}15 \sigma_{pc,m}) u_m h_0$
BS 8110-1997 $1{,}5d$ $v_{cd} = \frac{0{,}79}{\gamma_m} (100 \rho)^{1/3} \left(\frac{400}{d}\right)^{1/4} \left(\frac{f_{cu}}{25}\right)^{1/3}$
DIN 1045-2008 $1{,}5d$ $v_{cd} = 0{,}14 \eta_1 \kappa (100 \rho_l f_{ck})^{1/3}$
FIB MC 2010 $0{,}5d$ $V_c = k_v \sqrt{f_c'} b_0 z$ (với $k_v = f(\psi, d_g)$ phụ thuộc góc xoay sàn $\psi$)
TCVN 5574-2018 $0{,}5h_0$ $F \le F_{b,ult} = R_{bt} A_b = R_{bt} u_m h_0$
  • Nhận xét tổng quan: Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574-2018 có dạng công thức tính toán đơn giản nhất, tính theo diện tích bê tông $A_b = u_m h_0$ nhân cường độ kéo $R_{bt}$, chưa tích hợp các ảnh hưởng phi tuyến của hàm lượng thép, nén trước và kích thước hình học cột.

Chương 2: Nghiên cứu khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép bằng mô phỏng số

Chương này tập trung xây dựng, kiểm chứng và khai thác mô hình số ANSYS - APDL:

  • Xây dựng và kiểm chứng mô hình: Kiểm chứng mô hình số trên 4 nghiên cứu thực nghiệm đã công bố gồm: thực nghiệm của Yaser Mirzaei (2010), Alam (1997), Franklin và Long (1981 - mẫu bê tông ứng lực trước), và Rahman. Kết quả mô phỏng số thể hiện sự tương đồng cao về quy luật quan hệ tải trọng - độ võng ($P - d$), dạng tháp nứt chọc thủng và giá trị tải trọng phá hoại cực hạn so với thực nghiệm.
  • Khảo sát tham số ảnh hưởng:
    • Hàm lượng cốt thép dọc ($\rho$): Khảo sát 3 nhóm mẫu (N1R, N2R, N3R) cho thấy khi tăng $\rho$, khả năng chống chọc thủng $P_{ct}$ tăng rõ rệt, đồng thời độ võng cực hạn giảm. Mối quan hệ giữa $P_{ct}$ và $\rho$ tỷ lệ với hàm mũ $\rho^{1/3}$ tương tự quan điểm của tiêu chuẩn châu Âu EC2.
    • Ứng suất nén trước ($\sigma_{cp}$): Sự hiện diện của lực nén trước làm chậm quá trình xuất hiện vết nứt kéo, làm tăng góc nghiêng tháp phá hoại và nâng cao khả năng chống chọc thủng của bản sàn theo quy luật tuyến tính bậc nhất với $\sigma_{cp}$.
    • Cường độ chịu nén/kéo của bê tông ($R_b, R_{bt}$): Khả năng chống chọc thủng tỷ lệ thuận với cường độ chịu kéo của bê tông.
    • Chiều cao làm việc ($h_0$) và hiệu ứng kích thước: Ứng suất chọc thủng danh định $P_{ct} / (u_m h_0)$ giảm dần khi chiều dày sàn tăng lên.
    • Kích thước tiết diện cột: Khi tỷ số cạnh chữ nhật của cột $\beta_c = c_{max}/c_{min} \ge 2$, ứng suất cắt phân bố không đều dọc chu vi tháp chọc thủng, làm giảm hiệu quả chịu lực danh định của liên kết.
  • Xây dựng công thức đề xuất: Trên cơ sở dữ liệu mô phỏng và hiệu chỉnh theo khung TCVN 5574-2018, luận án đề xuất công thức tính toán khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT và sàn phẳng bê tông ứng lực trước:
    • Công thức tích hợp hệ số xét đến hàm lượng cốt thép dọc $\eta_{\rho} = f(\rho^{1/3})$, hệ số hiệu ứng kích thước chiều dày $\eta_h = f(h_0)$, hệ số hình dạng cột chữ nhật $\eta_c = f(\beta_c)$ và thành phần đóng góp của ứng suất nén trước $\sigma_{cp}$.
    • Đánh giá trên bộ dữ liệu 270 thí nghiệm cho thấy công thức đề xuất có độ phân tán thấp, phản ánh đúng ứng xử thực tế và đảm bảo hệ số an toàn tin cậy.

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT và bê tông ứng lực trước

Chương này trình bày toàn bộ quá trình thiết kế, chế tạo, gia tải và phân tích dữ liệu thực nghiệm:

  • Thiết kế mẫu thí nghiệm: Chế tạo 5 nhóm mẫu bản sàn kích thước hình học chuẩn, sử dụng bê tông cấp độ bền B30 (mác 400):
    • Nhóm sàn BTCT thường không ứng lực: Gồm 3 mẫu $S0N1$ ($\phi 6a100, \rho = 0{,}47%$), $S0N2$ ($\phi 6a50, \rho = 1{,}08%$), $S0N3$ ($\phi 6a200, \rho = 0{,}24%$).
    • Nhóm sàn bê tông ứng lực trước: Gồm 2 mẫu $S1$ và $S2$ với mức độ ứng suất nén trước trong bê tông lần lượt là $\sigma_{cp} = 1{,}5\text{ MPa}$ và $\sigma_{cp} = 2{,}5\text{ MPa}$.
  • Hệ thống thí nghiệm và đo đạc:
    • Gia tải đứng bằng kích thủy lực qua đệm thép đặt tại tâm sàn;
    • Khung gông căng kéo cáp ứng lực trước ngoài hiện trường thí nghiệm;
    • Thiết bị đo: 5 chuyển vị kế điện tử LVDT (D1 đến D5, C1, C2) đo độ võng tâm sàn và các vị trí lân cận; các cảm biến đo biến dạng (Strain Gauges ST1 đến ST4) dán trên cốt thép dọc, cốt thép ứng lực và bề mặt bê tông.
  • Thí nghiệm cơ lý vật liệu:
    • Bê tông: Đo cường độ chịu nén mẫu lăng trụ ($R_b$), mẫu lập phương ($R_{bm}$), cường độ chịu kéo ($R_{bt}$) và mô đun đàn hồi ($E_b, E_{cm}$).
    • Cốt thép: Thí nghiệm kéo xác định giới hạn chảy ($f_y$), giới hạn bền ($f_u$) của cốt thép thường và cốt thép cường độ cao (cáp ứng lực), đo đạc mức độ tổn hao ứng suất trước khi buông neo.
  • Kết quả thực nghiệm chính:
    • Hình thái phá hoại: Tất cả các mẫu đều bị phá hoại do chọc thủng điển hình, hình thành tháp nón bê tông trồi lên với góc nghiêng vết nứt dao động trong khoảng $25^\circ \div 35^\circ$.
    • Tải trọng nứt ($P_{crc}, P_{crc}^{0{,}3}$): Mẫu có ứng suất trước ($S1, S2$) có tải trọng xuất hiện vết nứt đầu tiên và tải trọng đạt bề rộng nứt $0{,}3\text{ mm}$ cao hơn đáng kể so với mẫu không ứng lực ($S0N1, S0N2, S0N3$).
    • Tải trọng chọc thủng ($P_{ct}$): Tăng dần khi hàm lượng thép tăng từ nhóm $S0N3 \rightarrow S0N1 \rightarrow S0N2$; và tăng mạnh khi tăng mức độ ứng suất nén trước từ nhóm $S0 \rightarrow S1 \rightarrow S2$.
    • Kiểm chứng đối sánh: Kết quả tải trọng chọc thủng và độ võng đo đạc thực tế có sự phù hợp rất chặt chẽ với kết quả phân tích từ mô hình ANSYS và giá trị tính toán theo công thức đề xuất của luận án.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Xây dựng mô hình số tham số hóa hoàn chỉnh: Thiết lập thành công mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến 3 chiều trên phần mềm ANSYS bằng ngôn ngữ lập trình tham số APDL. Mô hình cho phép mô phỏng chính xác sự làm việc phi tuyến của bê tông cốt thép, sự hình thành tháp nứt chọc thủng và tự động hóa việc khảo sát ảnh hưởng của các tham số: hàm lượng cốt thép dọc, ứng suất nén trước, chiều dày bản sàn và hình học cột chữ nhật.
  2. Đề xuất công thức tính toán cho sàn phẳng BTCT: Xây dựng công thức xác định khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT thường phù hợp với định dạng và phương pháp tính toán của TCVN 5574-2018, bổ sung các hệ số phản ánh hàm lượng cốt thép dọc chịu kéo ($\rho^{1/3}$), hiệu ứng chiều dày sàn và tỷ lệ cạnh cột chữ nhật.
  3. Đề xuất công thức tính toán cho sàn phẳng bê tông ứng lực trước: Mở rộng công thức tính toán cho sàn phẳng bê tông ứng lực trước phù hợp với TCVN 5574-2018, tích hợp tường minh sự đóng góp của ứng suất nén trước hiệu dụng ($\sigma_{cp}$) vào khả năng kháng cắt chọc thủng của bê tông.
  4. Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm: Xây dựng chương trình thí nghiệm chuyên biệt và thu thập hệ thống số liệu thực nghiệm đầy đủ về biến dạng, độ võng, tải trọng nứt và lực phá hoại chọc thủng của sàn phẳng BTCT thường và sàn bê tông ứng lực trước, làm cơ sở tin cậy kiểm chứng các mô hình lý thuyết.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Kiến nghị các cơ quan chuyên môn và ban biên soạn tiêu chuẩn xem xét bổ sung các công thức và hệ số ảnh hưởng (hàm lượng thép dọc, ứng suất nén trước, tỷ lệ kích thước cột chữ nhật) vào nội dung sửa đổi, bổ sung của tiêu chuẩn TCVN 5574 trong tương lai khi thiết kế sàn phẳng không dầm.
  • Trong thực hành thiết kế kết cấu sàn phẳng, kỹ sư có thể tận dụng việc tăng hàm lượng cốt thép dọc tại vùng trên đầu cột và ứng suất nén do cáp ứng lực tạo ra để tăng khả năng chống chọc thủng cho bản sàn, giúp giảm chiều dày sàn hoặc hạn chế việc phải sử dụng thêm đinh đai/mũ cột phức tạp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

Căn cứ trên phạm vi và điều kiện thực nghiệm, luận án có các giới hạn sau:

  • Chưa khảo sát các loại bê tông cường độ siêu cao hoặc bê tông cấp độ bền lớn hơn B60;
  • Chỉ giới hạn ở các liên kết nút cột giữa, chưa xét đến các liên kết cột biên và cột góc (nơi chịu tác động đồng thời của mô men uốn xoắn và lực cắt lớn);
  • Chưa xét đến sự làm việc đồng thời của cốt thép đai chịu cắt hoặc hệ chốt đinh mũ chống chọc thủng trong các mẫu thí nghiệm;
  • Bản sàn nghiên cứu là sàn phẳng liền khối, chưa xét đến trường hợp có lỗ mở kỹ thuật nằm sát mép cột.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm cho sàn phẳng có cốt thép ngang gia cường chịu cắt (đai chống cắt, đinh mũ studs, thang thép cản cắt);
  • Nghiên cứu khả năng chống chọc thủng của liên kết cột sàn tại vị trí cột biên, cột góc có xét đến ảnh hưởng của mô men uốn truyền đồng thời qua nút liên kết;
  • Khảo sát sự làm việc của liên kết cột sàn phẳng bê tông ứng lực trước khi có bố trí các lỗ rỗng, lỗ mở kỹ thuật lân cận đầu cột;
  • Nghiên cứu ứng xử chống chọc thủng của sàn phẳng sử dụng bê tông cường độ cao ($> \text{B60}$) và bê tông tự lèn.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Xây dựng: Cung cấp tài liệu tổng quan toàn diện về các mô hình cơ học phá hoại chọc thủng trên thế giới; hướng dẫn phương pháp thiết lập mô hình số phi tuyến tham số hóa bằng ngôn ngữ APDL trong ANSYS; phương pháp thiết kế và lắp đặt hệ thống đo đạc thực nghiệm sàn phẳng chịu uốn - cắt cục bộ.
  • Đối với kỹ sư thiết kế kết cấu công trình: Cung cấp phương pháp tính toán dự báo khả năng chống chọc thủng cho sàn phẳng BTCT và sàn ứng lực trước theo định hướng mở rộng của TCVN 5574-2018; hiểu rõ mức độ ảnh hưởng của việc tăng hàm lượng cốt thép và ứng suất trước tới độ an toàn chống nén thủng đầu cột.
  • Đối với các cơ quan quản lý và biên soạn tiêu chuẩn: Cung cấp căn cứ khoa học, số liệu mô phỏng số và dữ liệu thực nghiệm cụ thể để hoàn thiện các quy định tính toán chọc thủng cho kết cấu bê tông không dầm trong hệ thống tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Hiện tượng phá hoại chọc thủng trong sàn phẳng có đặc điểm cơ học gì khác biệt so với phá hoại do uốn?

Phá hoại chọc thủng là dạng phá hoại giòn cục bộ do ứng suất cắt 2 phương vượt quá khả năng chịu kéo của bê tông vùng đầu cột. Khi xảy ra chọc thủng, tháp nón bê tông bị tách rời đột ngột, đường cong quan hệ tải trọng - độ võng ($P - d$) bị mất tải nhanh chóng và cốt thép dọc có thể chưa đạt tới giới hạn chảy. Ngược lại, phá hoại do uốn là dạng phá hoại dẻo, cốt thép vùng kéo chảy dẻo trước, độ võng phát triển lớn và khả năng chịu tải suy giảm từ từ.

2. Luận án đã sử dụng các loại phần tử hữu hạn nào trong phần mềm ANSYS để mô phỏng kết cấu sàn phẳng?

Luận án sử dụng 3 loại phần tử chính:

  • SOLID65: Mô phỏng vật liệu bê tông 3 chiều (8 nút), có khả năng mô tả sự nứt khi chịu kéo, vỡ vụn khi chịu nén và biến dạng phi tuyến;
  • LINK180: Mô phỏng cốt thép thường và cốt thép cường độ cao (cáp ứng lực) làm việc chịu kéo/nén dọc trục theo mô hình đàn dẻo;
  • SOLID185: Mô phỏng các tấm đệm thép chịu lực tại vị trí gối tựa và điểm đặt kích gia tải để tránh phá hoại tập trung cục bộ.

3. Hạn chế cốt lõi của tiêu chuẩn TCVN 5574-2018 khi tính toán khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng là gì?

Tiêu chuẩn TCVN 5574-2018 tính toán lực chọc thủng giới hạn dựa thuần túy trên diện tích tiết diện tính toán nguy hiểm nhân với cường độ chịu kéo tính toán của bê tông ($F_{b,ult} = R_{bt} u_m h_0$). Công thức này chưa kể đến ảnh hưởng làm tăng khả năng chịu lực của hàm lượng cốt thép dọc chịu kéo ($\rho$), sự nâng cao độ bền do ứng suất nén trước trong bê tông ($\sigma_{cp}$), hiệu ứng suy giảm độ bền do kích thước chiều dày ($h_0$), và sự tập trung ứng suất bất lợi khi cột có tiết diện chữ nhật với tỷ số cạnh $\beta_c \ge 2$.

4. Chương trình thực nghiệm của luận án được thiết kế gồm những mẫu nào và sử dụng cấp phối bê tông gì?

Chương trình thực nghiệm chế tạo 5 mẫu bản sàn trên nền bê tông cấp độ bền B30 (mác 400), chia làm 2 nhóm:

  • Nhóm không ứng lực: Gồm 3 mẫu $S0N1$ ($\phi 6a100$), $S0N2$ ($\phi 6a50$), $S0N3$ ($\phi 6a200$) nhằm khảo sát sự thay đổi hàm lượng cốt thép dọc chịu kéo;
  • Nhóm ứng lực trước: Gồm 2 mẫu $S1$ (ứng suất nén trước $\sigma_{cp} = 1{,}5\text{ MPa}$) và $S2$ ($\sigma_{cp} = 2{,}5\text{ MPa}$) nhằm khảo sát ảnh hưởng của mức độ ứng lực trước.

5. Dữ liệu từ 270 mẫu thí nghiệm công bố quốc tế được sử dụng vào mục đích gì trong luận án?

Tác giả sử dụng bộ dữ liệu 270 mẫu thí nghiệm thực tế (bao gồm 30 mẫu có tỷ số cạnh cột chữ nhật lớn hơn 2 và 40 mẫu sàn ứng lực trước) để đối chứng, đánh giá mức độ tin cậy và phân tích hệ số an toàn của các tiêu chuẩn hiện hành, đồng thời làm cơ sở kiểm nghiệm độ chính xác của công thức giải tích mới do luận án đề xuất.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Việt Tâm đã giải quyết một vấn đề kỹ thuật có ý nghĩa thực tiễn cao trong thiết kế sàn phẳng bê tông cốt thép và bê tông ứng lực trước không dầm. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa tổng quan lý thuyết, phân tích mô phỏng phần tử hữu hạn tham số hóa (ANSYS - APDL) và nghiên cứu thực nghiệm chuyên sâu, luận án đã làm sáng tỏ quy luật ứng xử cơ học của liên kết cột - sàn dưới tác động của hàm lượng cốt thép, ứng suất nén trước, chiều dày sàn và tỷ lệ kích thước cột. Các công thức đề xuất được xây dựng phù hợp với cấu trúc của TCVN 5574-2018, có độ tin cậy cao khi được kiểm chứng qua dữ liệu thực nghiệm của đề tài và 270 thí nghiệm quốc tế. Đây là công trình nghiên cứu đầy đủ, có giá trị khoa học và đóng góp thiết thực cho công tác tính toán thiết kế và hoàn thiện tiêu chuẩn xây dựng tại Việt Nam.