ĐẶT VẤN ĐỀ Tương tự như giải pháp kết cấu sàn phẳng – cột bê tông cốt thép (BTCT) truyền thống, giải pháp kết cấu sàn BTCT – cột ống thép nhồi bê tông (CFT) được dùng rộng rãi và đa dạng hiện nay ở nhiều nước nhờ vào các ưu điểm về kiến trúc (giảm chiều cao tầng và tính thẩm mĩ cao), thi công (công tác cốp-pha đơn giản, công tác thi công hệ thống kỹ thuật thuận lợi và tiến độ thi công nhanh), độ dẻo dai cao và khả năng hấp thụ năng lượng lớn [1], [2] (Hình 1. Tuy nhiên, do sàn BTCT liên kết trực tiếp với cột CFT, kết cấu sàn BTCT – cột CFT cũng phải đối mặt với kiểu phá hoại chọc thủng mang tính giòn và nguy hiểm giống như kết cấu sàn – cột BTCT [3]–[5]. Thêm vào đó, liên kết giữa sàn bê tông và bề mặt trơn của cột thép CFT còn ảnh hưởng mạnh đến tính toàn khối của liên kết; điều này có thể làm giảm độ cứng của liên kết, khả năng kháng chọc thủng và hiệu quả sử dụng của loại kết cấu tinh tế này [6]. Để tăng cường khả năng kháng chọc thủng và tính toàn khối của liên kết sàn BTCT – cột CFT, các nghiên cứu đã khảo sát thực nghiệm nhiều loại chi tiết liên kết khác nhau, gọi chung là cốt kháng cắt, được hàn vào vỏ cột thép có dạng thép hình tiết diện chữ I [1], [2], [7]–[11], tiết diện chữ C [12] và hình hộp chữ nhật [13].
Một số khác dùng cốt kháng cắt dạng đinh hàn quanh mặt cột để liên kết với sàn như [6]. Tất cả các nghiên cứu kể trên đều cho thấy sự hiệu quả đáng kể của việc dùng cốt kháng cắt trong việc cải thiện khả năng kháng chọc thủng cũng như độ dẻo dai của liên kết sàn – cột CFT, và hiệu quả này phụ thuộc nhiều vào chiều cao và hình dạng của tiết diện chi tiết kháng cắt cũng như độ vươn ra của nó trong sàn. Tuy nhiên, trong trường hợp chiều dày sàn nhỏ, việc tăng kích thước tiết diện của các cốt kháng cắt thường tạo nhiều khó khăn cho công tác thi công. 1 (a) Strong building, Nhật Bản (Nguồn:http://www.jp/takenaka_e/projects/retail/a43500142005.html) (b) Cầu ở Nishikoen, Nhật Bản (Nguồn:http://www.jp/committee/concrete/e/newsletter/newsletter39/Newslette r39_files/data/tanaka/1.pdf) (c) Tòa nhà Abeno Harukas, Nhật Bản (Nguồn: https://saigonvina.vn/chi-tiet/184-3277-nhung-thu-dung-nhat-o-nhat- ban.
Một số công trình sử dụng giải pháp kết cấu cột CFT 2 (d) Tháp Canton, Trung Quốc (Nguồn:https://vi.org/wiki/T%E1%BA%ADp_tin:Canton_Tower_2013.jpg) (e) SEG Plaza, Trung Quốc (Nguồn: https://en.org/wiki/File:SEG_Plaza_in_Shenzhen2021. Một số công trình sử dụng giải pháp kết cấu cột CFT (tiếp theo) 3 Nhằm giải quyết vấn đề này, Chen và cộng sự [14] đã đề xuất một số dạng liên kết mới dùng các chi tiết thép hình tiết diện chữ C và L hàn đấu lưng vào mặt cột thép. Kết quả nghiên cứu này cho thấy các dạng liên kết đề xuất đã tạo ra chu vi tháp chọc thủng của các mẫu sàn – cột CFT tương tự như của mẫu sàn – cột BTCT truyền thống và giúp cho khả năng kháng chọc thủng của mẫu sàn – cột CFT có thể so sánh được với của mẫu sàn – cột BTCT. Một nghiên cứu đầy hứa hẹn khác của Su và Tian [15] có thể giúp cho việc thi công các chi tiết liên kết sàn BTCT – cột CFT trở nên đơn giản, nhanh chóng và ít tốn kém vật liệu hơn.
Các tác giả này đề xuất một dạng liên kết mới, dùng thép bản hình vành khuyên được hàn vào mặt ngoài của cột thép tiết diện tròn tại cao trình đáy sàn BTCT. Kết quả thí nghiệm cho thấy liên kết đề xuất có khả năng kháng chọc thủng tốt và đáp ứng được chuyển vị ngang lệch tầng theo thiết kế. Tiếp nối nghiên cứu của Su và Tian [15], Ju và cộng sự [16] dùng các bản thép chữ nhật hàn vào bốn mặt cột để liên kết với thép thanh trong sàn. Kết quả nghiên cứu cho thấy liên kết đề xuất đáp ứng được yêu cầu chịu cắt thủng của kết cấu.
Có thể thấy rằng, so với việc dùng thép hình, việc dùng thép tấm cho nhiều lợi thế hơn về thời gian và chi phí thi công do kích thước và trọng lượng của thép bản nhỏ hơn đáng kể so với thép hình. Đặc biệt, loại liên kết này giúp làm mềm hóa liên kết sàn BTCT – cột CFT; vì vậy, nó có thể làm giảm đáng kể ứng suất tập trung tại vị trí đầu cột, từ đó hạn chế được khả năng xuất hiện kiểu phá hoại chọc thủng. Việc tìm kiếm các dạng chi tiết kháng cắt mới sao cho có thể đảm bảo được tính liên tục, khả năng kháng chọc thủng, dễ thi công mà vẫn đảm bảo được tính dẻo cần thiết cho kết cấu sàn BTCT cột CFT là vấn đề quan trọng đối với dạng kết cấu này và thật sự cần thiết. Trong thực tế, do có độ võng lớn nên nhịp thiết kế của kết cấu sàn BTCT truyền thống – cột CFT thường bị giới hạn.
Để giải quyết vấn đề này, một giải pháp tiềm năng và có tính khả thi cao là dùng sàn bê tông căng sau dùng cáp không bám dính (BTUST) – cột CFT. Khác với sàn BTCT, ứng suất nén trước do cáp tạo ra làm cho ứng xử của cấu kiện BTUST trở nên giòn hơn; nó ảnh hưởng đến khả năng kháng cắt của vùng bê tông chịu nén, tăng khả năng chịu kéo xiên của bê tông, làm đóng vết nứt, tăng hiệu ứng cài móc của cốt liệu [17], từ đó có thể làm thay đổi trường biến dạng của liên kết sàn BTUST – cột CFT. Cho đến hiện nay, các nghiên cứu liên quan đến ứng xử cắt thủng của liên kết sàn BTUST – cột CFT, đặc biệt là sàn căng sau dùng cáp không bám dính (BTUST), 4 còn nhiều hạn chế [18]; khả năng kháng chọc thủng, khả năng biến dạng cũng như độ dẻo dai và hấp thu năng lượng của loại kết cấu này ra sao so với kết cấu sàn BTCT – cột CFT vẫn còn chưa được giải đáp thỏa đáng và tường minh. Để dự đoán khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn BTCT – cột CFT, các mô hình hay công thức tính đã được xây dựng và đề xuất trong một vài nghiên cứu trước đây.
Hầu hết các mô hình và công thức tính đều được xây dựng cho liên kết sàn BTCT cột CFT dùng các chi tiết liên kết có dạng thép hình [1], [8], [10], [11]. Một vài nghiên cứu đã đề xuất công thức cho liên kết sàn BTCT cột CFT dùng các chi tiết liên kết dạng thép bản [9] hay [16]. Gần đây, Yu và Wang [6] đề xuất công thức xác định khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn BTCT – cột CFT dùng chi tiết kháng cắt bằng đinh tán. Đặc điểm chung của các mô hình tính vừa đề cập trên là đều được xây dựng dựa trên nguyên lý cộng tác dụng truyền thống từ khả năng chịu lực của từng thành phần như bê tông và chi tiết liên kết; trong đó, công thức xác định khả năng chịu lực của từng thành phần này chủ yếu được xây dựng bằng phương pháp thực nghiệm.
Vì vậy, từng công thức tính này hầu như chỉ phù hợp cho từng loại liên kết tương ứng đã được đề xuất trong các nghiên cứu; đặc biệt, các điều khoản tính toán khả năng kháng chọc thủng dùng cho liên kết sàn BTUST – cột CFT chưa thấy được trình bày. Thực tế này cho thấy, việc xây dựng một công thức dự đoán khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn BTCT/ BTUST – cột CFT sao cho có thể phản ánh xác thật nhất được bản chất vật lý của kiểu phá hoại chọc thủng, lồng ghép được trong nó mô hình làm việc của vật liệu, các điều kiện về cân bằng và sự tương thích về biến dạng, nhưng đồng thời vẫn tận dụng được tính đơn giản của nguyên lý cộng tác dụng truyền thống, thật sự là cần thiết và có ý nghĩa. CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU Từ những vấn đề vừa nêu, luận án này thực hiện một nghiên cứu về ứng xử chọc thủng của kết cấu sàn BTCT/BTUST – cột CFT sử dụng một số dạng chi tiết liên kết cải tiến dạng thép bản. Các mục tiêu chính của nghiên cứu là nhằm: (1) phân tích thực nghiệm và làm rõ các đặc tính kết cấu như khả năng kháng chọc thủng, biến dạng, độ dẻo dai và khả năng hấp thụ năng lượng của liên kết sàn BTCT/BTUST – cột CFT sử dụng một số dạng chi tiết liên kết cải tiến dùng thép bản; (2) làm rõ sự khác biệt về đặc tính kết cấu 5 giữa liên kết sàn BTCT – cột CFT với liên kết sàn BTUST – cột CFT; và (3) đề xuất công thức bán thực nghiệm dự đoán khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn BTCT/ BTUST – cột CFT; đồng thời kiểm chứng và so sánh mức độ chính xác của công thức đề xuất với một vài công thức tương tự hiện có.
TỔNG QUAN Phần này trình bày tổng quan nghiên cứu về thực nghiệm ứng xử và mô hình tính toán lý thuyết khả năng kháng chọc thủng của kết cấu sàn BTCT/BTUST – cột CFT. Thông qua tổng quan nghiên cứu này, một bức tranh toàn cảnh về tình hình nghiên cứu liên quan đến ứng xử của liên kết sàn BTCT/BTUST – cột CFT được phác họa cũng như các tồn tại chưa được giải quyết. Những vấn đề này là cơ sở quan trọng giúp cho luận án hình thành nên các mục tiêu nghiên cứu có tính mới, không trùng lắp và có ý nghĩa khoa học – thực tiễn. Ngoài ra, do sự hạn chế về cơ sở vật chất của phòng thí nghiệm và tài chính, chương này cũng trình bày giới hạn của phạm vi nghiên cứu của luận án nhằm đảm bảo được tính khả thi nhưng không làm mất đi quá nhiều tính tổng quát của các mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án.1 Các thực nghiệm ứng xử chọc thủng của liên kết sàn BTCT – cột CFT Các nghiên cứu thực nghiệm ứng xử chọc thủng của liên kết sàn BTCT – cột CFT có thể phân thành ba nhóm: (1) nhóm các nghiên cứu dùng chi tiết liên kết thép hình; (2) nhóm các nghiên cứu dùng chi tiết liên kết thép bản; (3) nghiên cứu dùng chi tiết liên kết bằng đinh tán, được trình bày lần lượt dưới đây.1 Nhóm các nghiên cứu dùng chi tiết liên kết thép hình (a) Nghiên cứu của Corley và Hawkins [7] Nghiên cứu sớm nhất về khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn BTCT – cột CFT dùng chi tiết kháng cắt thép hình là của Corley và Hawkins [7].
Các tác giả đã đề xuất chi tiết thép hình nhằm tăng cường khả năng kháng chọc thủng của kết cấu cột – sàn BTCT toàn khối như Hình 1.