ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LƯU THANH BÌNH ỨNG XỬ CHỌC THỦNG CỦA LIÊN KẾT GIỮA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VÀ SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP DÙNG CHI TIẾT LIÊN KẾT CẢI TIẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LƯU THANH BÌNH ỨNG XỬ CHỌC THỦNG CỦA LIÊN KẾT GIỮA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VÀ SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP DÙNG CHI TIẾT LIÊN KẾT CẢI TIẾN Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng và Công nghiệp Mã số chuyên ngành: 62580208 Phản biện: PGS. Phan Đức Hùng Phản biện: PGS. Nguyễn Văn Hiếu Phản biện: PGS. Hồ Đức Duy Phản biện độc lập: PGS. Đinh Văn Thuật Phản biện độc lập: TS. Trần Văn Phúc NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1. Ngô Hữu Cường 2. Nguyễn Minh Long LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả mà kết quả nghiên cứu là một phần của đề tài nghiên cứu hợp tác giữa Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. Hồ Chí Minh và Tập đoàn Thép JFE – Nhật Bản do PGS. Ngô Hữu Cường chủ trì. Công tác nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Kết cấu Công trình Bách Khoa (BKSEL), Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.HCM, ngày 19 tháng 12 năm 2022 Tác giả luận án Chữ ký Lưu Thanh Bình i TÓM TẮT Kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT)/bê tông ứng suất trước (BTUST) – cột ống thép nhồi bê tông (CFT) là dạng kết cấu có nhiều đặc điểm nổi trội về mặt kết cấu, thi công và kiến trúc và được dùng nhiều trong các công trình dân dụng và công nghiệp. Tuy nhiên, do sàn phẳng BTCT/BTUST liên kết trực tiếp với cột CFT nên chúng cũng phải đối mặt với kiểu phá hoại chọc thủng mang tính giòn và nguy hiểm giống như kết cấu sàn – cột BTCT truyền thống. 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. Việc nghiên cứu làm rõ các đặc trưng về ứng xử chọc thủng của loại kết cấu tinh tế, tiềm năng này và 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 chúng là vấn đề quan trọng và thật sự cần thiết. Luận án này nghiên cứu 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 và đề xuất công thức bán thực nghiệm dự đoán khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn BTCT/BTUST – cột CFT dùng chi tiết liên kết dạng bản. Chương trình thực nghiệm được thực hiện trên mười hai mẫu liên kết sàn BTCT/BTUST – cột CFT kích thước lớn dùng bốn loại chi tiết liên kết cải tiến có các thông số kỹ thuật thay đổi gồm liên kết đầy đủ (cả sườn ngang và sườn đứng), không đầy đủ (chỉ có sườn đứng) và hình dạng sườn ngang (vành khuyên liên tục và chữ nhật rời rạc). Kết quả cho thấy các chi tiết liên kết dạng bản đầy đủ được đề xuất đã giúp cho các nút liên kết sàn BTCT/BTUST – cột CFT duy trì được độ cứng tốt; có khả năng kháng chọc thủng lớn hơn đáng kể (lên đến 25%), khả năng biến dạng vượt trội (lên đến 123%) và độ dẻo dai tốt (lên đến 91%) cũng như có khả năng hấp thụ năng lượng rất ấn tượng (lên đến 216%) so với của nút sàn cột BTCT truyền thống. Trong khi đó chi tiết liên kết không đầy đủ cũng giúp cải thiện mạnh khả năng biến dạng (29%), độ dẻo dai (4%) và khả năng hấp thụ năng lượng (18%) nhưng lại làm giảm nhẹ khả năng kháng chọc thủng (xấp xỉ 7%) và giảm đáng kể độ cứng sau nứt (xấp xỉ 50%) của nút liên kết sàn BTCT – cột CFT so với của nút sàn cột BTCT truyền thống. Kết quả nghiên cứu cũng cho ii thấy hiệu quả cải thiện các đặc tính kết cấu của tất cả các loại chi tiết liên kết dạng bản đề xuất đối với nút liên kết sàn BTUST – cột CFT nhỏ hơn rõ rệt so với nút liên kết sàn BTCT – cột CFT, đặc biệt ở phương diện khả năng kháng chọc thủng (nhỏ hơn 213%), độ dẻo dai và khả năng hấp thụ năng lượng (lần lượt nhỏ hơn 264% và 232%). Điều này cho thấy cần có thêm những nghiên cứu cải tiến đối với các dạng chi tiết liên kết dùng thép bản đã được đề xuất để có thể tăng hơn nữa hiệu quả sử dụng của chúng cho trường hợp kết cấu sàn BTUST – cột CFT. Có sự khác biệt rõ giữa ứng xử chọc thủng của nút liên kết sàn BTUST – cột CFT với nút liên kết sàn BTCT – cột CFT dùng các chi tiết liên kết thép bản được đề xuất. Cáp UST giúp kiểm soát rất hiệu quả tốc độ suy giảm độ cứng của liên kết sàn – cột CFT; theo đó, mức độ suy giảm độ cứng sau khi nứt so với trước khi nứt của mẫu liên kết sàn BTUST – cột CFT nhỏ hơn rất đáng kể (đến 2,1 lần) so với của mẫu liên kết sàn BTCT – cột CFT. Kết quả này khiến cho cáp UST một mặt giúp sàn kiểm soát tốt chuyển vị (giảm đến 58%) và đảm bảo tốt yêu cầu kết cấu về giới hạn sử dụng; nhưng ở mặt khác, nó cũng làm tăng tính giòn và giảm khả năng biến dạng (chuyển vị cuối cùng) của sàn (đến 51%). Điều này khiến cho độ dẻo và chỉ số hấp thụ năng lượng của mẫu liên kết sàn BTUST – cột CFT giảm đáng kể lần lượt đến 44% và 41% so với của mẫu liên kết sàn BTCT – cột CFT. Trong bối cảnh hầu hết các công thức hiện có đều được xây dựng dựa trên phương pháp thuần thực nghiệm, các công thức đề xuất trong luận án này được xây dựng theo phương pháp giải tích kết hợp với thực nghiệm đã phản ánh được gần hơn 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. Kết quả kiểm chứng cho thấy công thức đề xuất dự đoán khả năng kháng chọc thủng của nút liên kết sàn BTCT/ BTUST – cột CFT dùng chi tiết liên kết dạng bản với mức độ chính xác tốt và có sự phân tán thấp so với kết quả thực nghiệm, có thể được dùng để hỗ trợ công tác thiết kế kết cấu sàn BTCT/BTUST cột CFT. iii ABSTRACT Reinforced concrete (RC)/unbonded prestressed concrete (UPC) flat slab – concrete- filled steel tube (CFT) column joints possess many outstanding features in terms of structure, construction and architecture. RC/UPC slab – CFT column joints are, thus, widely used in civil and industrial projects. However, since the RC/UPC slabs are directly connected to the CFT columns, the slabs also face the same brittle and dangerous type of punching shear failure as the traditional slab – RC column joint. In addition, the inherent weak bond between the concrete slab and the smooth surface of the CFT steel column strongly affects the integrity of the connection, which can reduce the stiffness, punching shear resistance and effectiveness of this delicate structure - RC/UPC slab – CFT column joints. Clarifying the punching shear behavior of this delicate and promising structure as well as searching for new types of connection elements that can ensure the continuity, punching shear resistance, ease of construction and ductility of this structure are of crucial importance. This thesis investigates the punching shear behavior of RC/UPC slab – CFT column joints using proposed innovative connections in the form of steel plates and proposes a semi-empirical model to predict the punching shear resistance of RC/UPC slab – CFT column joints using steel plate connections. The experimental program was carried out on 12 large-scale RC/UPC slab – CFT column joints using four types of innovative connections with various configurations including full connection (having both horizontal bearing plates and vertical ribs) and reduced connection (only vertical ribs), and with different shapes of horizontal bearing plates (continuous annular and discrete rectangular). The experimental results showed that the proposed full connection helped the RC/UPC slab – CFT column joints maintain good rigidity, have a significantly greater punching shear resistance (up to 25%), outstanding deformability (up to 123%) and good ductility (up to 91%) as well as a very high energy absorption capacity (up to 216%) compared to the traditional slab – RC column joint. Meanwhile, the reduced connection also greatly improved the deformability (29%), ductility (4%) and energy absorption capacity (18%) but slightly reduced the punching shear resistance (about 7%) and significantly reduced the post-cracking stiffness (about 50%) of the slab-CFT column iv joint compared to the traditional slab – RC column joint. The obtained test results also showed that the effectiveness in improving the structural response of all the proposed connections for the UPC slab – CFT column joint was significantly smaller than that for the RC slab – CFT column joint, especially in terms of punching shear resistance (smaller than 213%), ductility and energy absorption (smaller than 264% and 232%, respectively). This means that more research is needed to improve the steel plate connections proposed in this thesis to increase further their effectiveness in the case of UPC slab-CFT column joints. There was a clear difference in the punching shear behavior between the UPC slab – CFT column and RC slab CFT column joints. The prestressing tendons effectively reduced the rate of stiffness deterioration of the slab – CFT column joints. That is, the degree of stiffness reduction (after cracking compared to before cracking) of the UPC slab CFT column samples was significantly smaller (up to 2.1 times) than that of the RC slab – CFT column samples. This result means that the tendons, on the one hand, helped control the slab displacement well (reduced by up to 58%) and ensure the serviceability of the structure. However, on the other hand, the tendons increased the brittleness and reduced the deformability (final displacement) of the slab (up to 51%). This resulted in the ductility and energy absorption indexes of the UPC slab – CFT column samples being significantly smaller than the RC slab-CFT column samples (up to 44% and 41%, respectively).
