Tổng quan nghiên cứu

Phá hoại cắt xuyên thẳng là một trong những hiện tượng nguy hiểm thường xảy ra tại các liên kết giữa sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) và cột thép ống bê tông đổ đầy (Concrete-Filled Steel Tube - CFT) trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp. Theo báo cáo của ngành xây dựng, các sự cố liên quan đến phá hoại cắt xuyên thẳng đã gây ra nhiều thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản, điển hình như vụ sập tại hàng bách hóa Sampoong, Seoul năm 1995 hay tòa nhà 2000 Commonwealth Avenue, Boston năm 1971. Do đó, việc nghiên cứu và đánh giá khả năng chịu lực cắt xuyên thẳng của liên kết sàn BTCT và cột CFT là rất cần thiết nhằm nâng cao độ an toàn và hiệu quả thiết kế kết cấu.

Mục tiêu chính của luận văn là nghiên cứu ứng xử cắt xuyên thẳng của liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT bằng phương pháp mô phỏng số sử dụng phần mềm ABAQUS, dựa trên các dữ liệu thí nghiệm đã được công bố trong nước và quốc tế. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các thông số ảnh hưởng như cường độ bê tông, chiều dài chi tiết chằng cột, độ dày sàn và các loại liên kết điển hình. Kết quả nghiên cứu nhằm đề xuất công thức dự đoán lực cắt xuyên thẳng và mối quan hệ giữa lực cắt và biến dạng đứng của liên kết, góp phần hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế kết cấu sàn-cột trong các công trình hiện đại.

Theo ước tính, việc áp dụng kết quả nghiên cứu có thể giúp giảm thiểu nguy cơ phá hoại cắt xuyên thẳng đến khoảng 30-40% trong các công trình sử dụng liên kết sàn BTCT và cột CFT tại Việt Nam, đồng thời rút ngắn thời gian thi công và tiết kiệm chi phí vật liệu nhờ thiết kế tối ưu hơn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính để phân tích ứng xử cắt xuyên thẳng của liên kết sàn BTCT và cột CFT:

  1. Lý thuyết phá hoại cắt xuyên thẳng (Punching Shear Failure Theory): Mô tả hiện tượng phá hoại xảy ra khi tải trọng tập trung vượt quá khả năng chịu lực của vùng quanh cột, dẫn đến sự hình thành tháp xuyên thẳng và vỡ cục bộ tại sàn. Lý thuyết này được phát triển dựa trên các mô hình phá hoại giòn và dẻo, trong đó phá hoại dẻo cho phép biến dạng lớn trước khi gãy, giúp kết cấu có khả năng chịu tải tốt hơn.

  2. Mô hình vật liệu bê tông hư hỏng dẻo (Concrete Damage Plasticity - CDP): Được sử dụng trong phần mềm ABAQUS để mô phỏng ứng xử phi tuyến của bê tông dưới tải trọng nén và kéo, bao gồm sự phát triển vết nứt và giảm cường độ vật liệu. Mô hình này cho phép mô phỏng chính xác quá trình phá hoại cắt xuyên thẳng trong liên kết.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Chiều cao làm việc của sàn (d): Khoảng cách từ mặt trên sàn đến tâm cốt thép chịu kéo, ảnh hưởng đến khả năng chịu lực cắt.
  • Chu vi tháp xuyên thẳng (u): Chu vi vùng quanh cột nơi xảy ra phá hoại cắt xuyên thẳng, được xác định theo các tiêu chuẩn thiết kế như Eurocode 2, ACI 318 và BS 8110.
  • Lực cắt xuyên thẳng (Vud): Lực tối đa mà liên kết có thể chịu được trước khi xảy ra phá hoại cắt xuyên thẳng.
  • Chiều dài chi tiết chằng cột (lv): Thông số ảnh hưởng đến khả năng truyền lực và phân bố ứng suất trong liên kết.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm các kết quả thí nghiệm liên quan đến liên kết sàn BTCT và cột CFT được công bố trong các công trình khoa học quốc tế, điển hình là các thí nghiệm của Pinyu-Yan và Jin-Won Kim. Các dữ liệu này cung cấp thông số về kích thước, vật liệu, tải trọng và kết quả phá hoại thực tế.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) sử dụng phần mềm ABAQUS phiên bản mới nhất. Mô hình được xây dựng với kích thước và điều kiện biên tương ứng với thí nghiệm thực tế, bao gồm:

  • Cỡ mẫu mô hình: khoảng 10-15 mô hình mô phỏng tương ứng với các biến thể về chiều dài chi tiết chằng cột, độ dày sàn và cường độ bê tông.
  • Phương pháp chọn mẫu: dựa trên các thí nghiệm đã công bố nhằm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của mô hình.
  • Timeline nghiên cứu: từ tháng 08 năm 2019 đến tháng 01 năm 2020, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng và phân tích kết quả.

Phương pháp phân tích bao gồm so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thí nghiệm về quan hệ tải trọng-biến dạng, hình dạng và kích thước vết nứt, cũng như chế độ phá hoại để kiểm chứng độ tin cậy của mô hình. Sau đó, tiến hành nghiên cứu tham số để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố thiết kế đến lực cắt xuyên thẳng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ tin cậy của mô hình mô phỏng: Kết quả mô phỏng bằng ABAQUS cho thấy sự phù hợp cao với dữ liệu thí nghiệm, với sai số dưới 10% về lực cắt tối đa và biến dạng tương ứng. Ví dụ, mô hình Pinyu-Yan cho lực cắt tối đa 417 kN trong khi thí nghiệm là 420 kN; mô hình Jin-Won Kim cho lực cắt tối đa 569 kN so với 575 kN thực tế.

  2. Ảnh hưởng của cường độ bê tông: Khi tăng cường độ bê tông từ 30 MPa lên 50 MPa, lực cắt xuyên thẳng tăng trung bình khoảng 25%, cho thấy vai trò quan trọng của vật liệu trong khả năng chịu lực của liên kết.

  3. Tác động của chiều dài chi tiết chằng cột: Chiều dài chằng cột tăng từ 200 mm lên 800 mm làm tăng lực cắt xuyên thẳng lên đến 35%, do khả năng phân bố ứng suất và truyền lực được cải thiện rõ rệt.

  4. Ảnh hưởng độ dày sàn: Độ dày sàn tăng từ 125 mm lên 250 mm giúp tăng lực cắt xuyên thẳng khoảng 15%, đồng thời làm giảm biến dạng đứng của liên kết dưới tải trọng tương đương.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do sự gia tăng cường độ vật liệu và kích thước chi tiết làm tăng khả năng kháng lực cắt và giảm tập trung ứng suất tại vùng liên kết. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng phù hợp với các công trình của Cheol-Ho Lee và Pinyu-Yan, đồng thời bổ sung thêm các công thức dự đoán lực cắt xuyên thẳng cho các loại liên kết điển hình.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp một công cụ mô phỏng số chính xác, giúp giảm thiểu chi phí và thời gian so với thí nghiệm thực tế, đồng thời hỗ trợ thiết kế kết cấu an toàn và hiệu quả hơn. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ quan hệ tải trọng-biến dạng, bảng so sánh lực cắt giữa mô hình và thí nghiệm, cũng như hình ảnh mô phỏng vết nứt và chế độ phá hoại.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công thức dự đoán lực cắt xuyên thẳng: Khuyến nghị các kỹ sư thiết kế sử dụng công thức được đề xuất trong luận văn để tính toán lực cắt xuyên thẳng cho liên kết sàn BTCT và cột CFT, nhằm nâng cao độ chính xác và an toàn trong thiết kế. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án xây dựng hiện tại.

  2. Tăng cường chiều dài chi tiết chằng cột: Đề xuất tăng chiều dài chi tiết chằng cột tối thiểu lên khoảng 600-800 mm để cải thiện khả năng chịu lực cắt, giảm nguy cơ phá hoại. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và thiết kế kết cấu.

  3. Sử dụng bê tông có cường độ cao: Khuyến khích sử dụng bê tông có cường độ từ 40 MPa trở lên cho các liên kết chịu lực lớn, nhằm tăng khả năng kháng lực cắt xuyên thẳng. Chủ thể thực hiện: nhà cung cấp vật liệu và chủ đầu tư.

  4. Áp dụng mô phỏng số trong thiết kế: Khuyến nghị các đơn vị thiết kế và nghiên cứu áp dụng phần mềm ABAQUS để mô phỏng và đánh giá liên kết trước khi thi công, giúp tối ưu hóa thiết kế và giảm thiểu rủi ro. Thời gian thực hiện: trong vòng 6 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Giúp hiểu rõ hơn về cơ chế phá hoại cắt xuyên thẳng và áp dụng công thức tính toán chính xác, nâng cao chất lượng thiết kế.

  2. Nhà thầu thi công: Cung cấp kiến thức về các yếu tố ảnh hưởng đến liên kết sàn-cột, từ đó điều chỉnh biện pháp thi công phù hợp để đảm bảo an toàn.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng: Là tài liệu tham khảo quý giá về mô hình hóa số và phân tích phá hoại cắt xuyên thẳng, hỗ trợ phát triển các nghiên cứu tiếp theo.

  4. Chủ đầu tư và quản lý dự án: Hiểu được tầm quan trọng của liên kết sàn-cột trong kết cấu công trình, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư và giám sát thi công hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phá hoại cắt xuyên thẳng là gì?
    Phá hoại cắt xuyên thẳng là hiện tượng vỡ cục bộ tại vùng quanh cột do tải trọng tập trung vượt quá khả năng chịu lực của sàn, gây ra tháp xuyên thẳng và mất ổn định kết cấu.

  2. Tại sao phải nghiên cứu liên kết sàn BTCT và cột CFT?
    Liên kết này phổ biến trong các công trình hiện đại, nhưng chưa có tiêu chuẩn thiết kế hoàn chỉnh, nên nghiên cứu giúp nâng cao an toàn và hiệu quả sử dụng vật liệu.

  3. Phương pháp mô phỏng số có ưu điểm gì?
    Mô phỏng số giúp tiết kiệm thời gian, chi phí so với thí nghiệm thực tế, đồng thời cho phép phân tích chi tiết ứng xử phi tuyến và phá hoại của kết cấu.

  4. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến lực cắt xuyên thẳng?
    Bao gồm cường độ bê tông, chiều dài chi tiết chằng cột, độ dày sàn và loại liên kết, tất cả đều ảnh hưởng đến khả năng chịu lực và biến dạng của liên kết.

  5. Làm thế nào áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế thực tế?
    Kỹ sư có thể sử dụng công thức dự đoán lực cắt xuyên thẳng và mô hình mô phỏng số để kiểm tra và tối ưu thiết kế liên kết, đảm bảo an toàn và tiết kiệm vật liệu.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng số bằng phần mềm ABAQUS, có độ tin cậy cao so với thí nghiệm thực tế.
  • Các thông số như cường độ bê tông, chiều dài chi tiết chằng cột và độ dày sàn có ảnh hưởng rõ rệt đến lực cắt xuyên thẳng của liên kết.
  • Công thức dự đoán lực cắt xuyên thẳng và biểu thức quan hệ lực-biến dạng được đề xuất giúp hỗ trợ thiết kế kết cấu chính xác hơn.
  • Nghiên cứu góp phần hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế liên kết sàn BTCT và cột CFT, nâng cao an toàn công trình.
  • Đề xuất áp dụng mô phỏng số trong thiết kế và thi công để tối ưu hóa kết cấu và giảm thiểu rủi ro.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị thiết kế và thi công nên triển khai áp dụng kết quả nghiên cứu trong các dự án thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng cho các loại liên kết khác.