Chương 1. GIỚI THIEU Trong khung bê tông cốt thép (BTCT) của các công trình dân dung, nút dầm-cột đóng vai trò rất quan trọng. Dưới tác động của tải trọng ngang, đặc biệt là tải trọng Hình 1. Công trinh sụp đồ do động đất ở Turkey, 1999 Dưới tác động của tải ngang hay động dat, nút khung BTCT là vị tri bi phá hoại dau tiên và gây sụp đồ toàn bộ công trình sau đó.
Từ thực tế trên, một số tiêu chuẩn hiện hành (ACI 318, 2005; NZS 3101, 1995) đã dé xuất các phương pháp cấu tạo cốt thép đặc biệt nhăm tăng cường khả năng chịu lực cho nút và song song với đó là các phương pháp tính toán kiểm tra. Một số các phương pháp cầu tạo cốt thép cho nút khung chịu tải trọng ngang đã được biết như là cốt đai dạng lưới, b6 sung thêm cốt dọc thành dầm. Gần đây, phương pháp dùng sợi thép tăng cường vào nút khung đã và dang được nghiên cứu và bước dau đã cho thay được tính khả thi và hiệu qua trong việc làm tăng khả năng chịu lực, độ dẻo dai, khả năng hấp thụ năng lượng của nút (Filiautrault và cộng sự, 1995; Gebman, 2001; Shannag và cộng sự, 2005; Liu và Cong, 2006). Ngoài ra, sợi thép còn làm tăng khả năng bam dính va tăng kha năng neo của cốt thép (Tang và cộng sự, 1992: Shannag và cộng sự, 2005).
Bên cạnh đó việc bồ sung sợi thép làm giảm khoảng cách cốt đai, giúp cho quá trình thi công trở nên thuận tiện hơn (Gefken va Ramey, 1989). Tuy vậy, do đặc điểm cơ học phức tạp của nút dưới tác động của tải trọng ngang, cùng với nhiều yếu tô kỹ thuật và kinh tế, việc khảo sát ảnh hưởng của tat cả các biến số đối với sự làm việc và khả năng chịu lực của nút BTCT có hay không có sử dụng sợi thép bằng phương pháp thực nghiệm gặp rất nhiều khó khăn. Cho đến thời điểm hiện tại, số lượng các nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử của nút khung BTCT có sử dụng sợi thép là rất ít. Trước thực trạng trên, phương pháp nghiên cứu số thật sự đã trở thành một lựa Hình 1.
Toa nhà 15 tầng sụp đồ và mit khung bị phd hoại do động dat (Chichi, Taiwan, 9/1999) Đề phục vụ cho việc tính toán khả năng chịu lực của nút khung sử dụng sợi thép, một số tác giả đã đề xuất công thức tính (Somma, 2010; Liu và Cong, 2006). Tuy nhiên, hầu hết là dựa trên kết quả thực nghiệm của một số lượng mẫu thí nghiệm rat han ché. Thuc té nay cho thay, việc dé xuất một mô hình tính toán cơ học thé hiện được bản chất vật lý dé mô phỏng ứng xử và dự đoán được khả năng chịu lực của nút khung bê tông cốt sợi nhăm phục vụ cho công tác thiết kế là thật sự cần thiết. Đề tai áp dụng phương pháp phan tử hữu hạn (PTHH) dé mô phỏng và phân tích ứng xử của nút khung BTCT có sử dụng sơi thép.
Kết quả từ phương pháp PTHH bước đầu được so sánh với kết quả thực nghiệm dé kiểm tra tính chính xác của phương pháp. Dựa vào phương pháp này, sau đó ảnh hưởng của các tham số như hàm lượng thép đai, hàm lượng sợi thép và giá trị lực dọc đối với sự làm việc của nút sẽ được khảo sát chi tiết. Ngoài ra, một mô hình thanh chéng-giang đơn giản cũng được dé xuất để mô phỏng ứng xử và dự đoán khả năng chịu lực của nút khung BTCT dùng sợi thép chịu tác dụng của tải trọng ngang. TONG QUAN NGHIÊN CUU 2.
Sơ lược về bê tông sợi thép Bê tông sợi thép (SFRC) là hỗn hợp gồm vữa xi măng, cốt liệu mịn. cốt liệu thô và sợi thép. Dưới tác dụng của lực kéo, bê tông sợi thép sẽ bị phá hoại khi sợi thép bị Hình 2. Sw pha huy của bê tông sợi thép Sợi thép được sử dụng trong hỗn hợp bê tông có chiều dài từ 7 đến 80mm, tỉ lệ chiều dai trên đường kính từ 20 đến 100.
Soi thép có nhiều hình dạng khác nhau: dạng thăng, dạng có gờ và dạng lượn sóng Hình 2. Khả năng bám dính và cường độ là hai đặc tính quan trọng của sợi thép. Khả năng bam dính phụ thuộc vào tỉ lệ chiều dài sợi thép trên đường kính thép và dạng hình học của sợi. Đặc tính của bê tông sợi thép phụ thuộc vào đặc tính của bê tông (cường độ và mô đun đàn hỏi), đặc tính của sợi thép (hàm lượng, cường độ, mô đun đàn hồi va kha Hình 2.
M6t số loại sợi thép So với bê tông truyền thống, sử dụng sợi thép với hàm lượng 1.5% không làm tăng đáng ké cường độ chịu nén của bê tông (0 đến 15%), nhưng làm tang đáng kề cường độ chịu kéo của bê tông (30% đến 40%). Ngoài ra, khả năng kháng cắt có thé tăng đến 30% ứng với hàm lượng sợi thép 1%. Nghiên cứu thực nghiệm nút dầm-cột có sử dung sợi thép Gefken và Ramey (1989) khảo sát thực nghiệm ứng xử của nứt khung biên có sử dụng sợi thép chịu tải trọng ngang. Thí nghiệm được tiến hành trên 10 mẫu có kích thước hình học giống nhau (Hình 2.
Hàm lượng sợi thép trong các mẫu như nhau và bằng 2% (tinh theo thé tích). Soi thép sử dung trong thí nghiệm thuộc dang sợi thăng, tiết diện tròn. Chiều dài và đường kính sợi thép lần lượt là 25 mm và 0. Cac két quả vé tính dẻo, tai trọng giới hạn và bê rộng vét nut của những nút khung sử dụng sợi thép được so sánh với nút khung BTCT truyền thống.
Kết quả cho thay rang sử dụng sợi thép trong nút khung không chỉ tăng khoảng cách cốt đai ma còn có thé bỏ cốt đai, tăng tính dẻo tốt hon và tăng khả năng chịu lực so với mau nút khung BTCT truyền thống. 300 200 (a ‘126 180 Simple r Support Steel fiber #4@100 460 460 280 _ 1880 : 23@38/ +3 @80 | 300 SE Displacement Simple s|_ Support Hình 2. Cau tao mit khung trong thi nghiệm của Gefken va Ramey (1989) Tang và cộng sự (1992) thực hiện nghiên cứu thực nghiệm trên 5 mẫu nút khung biên (Hình 2.4a) và 7 mẫu nút khung giữa (Hình 2.4b) chịu tác động của tải trọng đứng điều hòa. Thí nghiệm sử dụng hai loại sợi thép khác nhau: (7) sợi thép hình chữ nhật dài 25-30mm, có kích thước tiết điện 4x4 mm và 5x5mm, được cắt ra từ những tâm thép có hàm lượng carbon thấp; và (27) sợi thép tròn có đường kính 0.8 mm dài 50-55mm.
Dựa trên kết quả thí nghiệm, tác giả đã đề xuất một công thức để xác định khả năng kháng cat của sợi thép có dạng như sau: F, = 2. V,A, ⁄ Ngoài ra, kết quả thí nghiệm cho thấy sử dụng sợi thép làm tăng khả năng kháng nứt cat và khả năng hấp thụ năng lượng. Với những mẫu nút khung biên, sự trượt của thép dọc trong nút có côt sợi giảm nhiêu so với nút không sợi (8 mm xuông còn 0. Với những mẫu nút khung giữa, sợi thép tăng khả năng bám dính và khả năng neo của côt thép dọc.
N N + H — Hy H 1425 1425 1425 - +P +P - +P E E S 3 Beam 5| lẽ | 5| 5 Beam | = = = > = at ỊE Si 350 a, a _ F | Š teel fiber concrete a st SF6 = k 4H SF1 c| + : : 4. SF7 s h SF2 ŠŸ : ` SFS sft : +: sre Pe 5 | | 5FE eS 3 | —| 982100 =| 982100 L1 L1 — | L———l = L SF3 ol + + + SF5 = SFL10 RCll ~~ RC4 + TFLC12 ~~ | TY | it | 38 Lj _—_ 10 Hình 2. Hinh dang và cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Tang và cộng sự (1992) Filiautrault và cộng sự (1995) nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ số chiều dài và đường kính và hàm lượng của sợi thép đến ứng xử của nút khung biên. Nghiên cứu được tiến hành trên 4 mẫu nút khung biên và 4 mẫu nút khung giữa (Hình 2.
Trong 4 mẫu nút biên, có hai mẫu nút khung BTCT truyền thống gồm 1 mẫu không thiết kế cốt kháng chân và 1 mẫu thiết kế cốt kháng chan theo tiêu chuẩn Canada (CSA-A23.3, 1994); 2 mẫu còn lại không thiết kế cốt kháng chan nhưng được bố sung sợi thép với hàm lượng (1% va 1.6%) và khác nhau về ty số về chiều dai và đường kính (/,/d,) của sợi thép. Trong 3 mẫu nút giữa, mau 1 là mẫu nút khung BTCT không được thiết kế cốt kháng chan dùng dé đối chứng: mẫu 2 được thiết kế cốt kháng chan; va mẫu 3 không được thiết kế kháng chân nhưng có sử dung sợi thép. Các mẫu có kích thước hình học như nhau. Kết quả cho thây việc sử dụng sợi thép trong nút dam-cét không những giảm hàm lượng cốt dai ma đảm bảo tính dẻo, khả năng tiêu tán năng lượng như các nút khung được thiết kế cốt thép kháng chấn truyền thống.
Trl) 5= rth} $ =5 TT š ttt} © 282 CT |] 2825 Men 4900 HH) 1400 it} 8 | | ị co |—] = HHÍ| sÌs 3 THỊ S| | 11@180 | sao ||EEH 350 pos CO S th) © + MT ‘Mas Hl 4M-15 ro a Z K 4 16 M415 3] tat 16 M-15 350 350 (a) a— Se a a 5 1620M——„— SPECIMEN SI, S3 16-20M SPECIMEN S2 (>) 3 © “2 > ge > =) Ps : pa BS 2 single ties 9 avg : ch ke t a8 1” in the joint 3 sŸ a a 4-15M 4-15M Suồ 4-15M 414M 80 - Mg {— he te ⁄ LET Lt: Li be =5 = |(Iii LTT TTTT I 4-15M es © $s F 9 double ties @ 200 c/c Ị 41 số *g double vì Soule ties ties @ Be mm: | o | 100 c/c 200 cic bal | BA a | \ | I ¬ 8# | Boe) 33° © FRC in this Region | 2 * : (S3 only) | Ww | | ——— =—— —=——— Top = 1950 ¿400 | __. Hinh dang và cầu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Filiautrault và cong sự (1995): (a) Nut biên; (b) Nut giữa Gebman (2001) thực hiện thí nghiệm trên 6 mẫu (Hình 2.6) nút dầm-cột biên với tỉ lệ mô hình 1/2, trong đó, gồm 2 mẫu BTCT truyén thống va 4 mẫu BTCT sử dụng sợi thép với hàm lượng 2%. Khoảng cách cốt đai trong 2 mẫu BTCT truyền thống là 102 mm, trong 4 mẫu có sử dụng cốt sợi còn lại là 152 mm và 203 mm. Kết quả thí nghiệm cho thay sợi thép cải thiện đáng ké khả năng chịu tải của nút và giảm bề rộng vết nứt.
