BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐINH THỊ NHƯ THẢO

ỨNG XỬ KHÁNG CHỌC THỦNG CỦA LIÊN KẾT
CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VÀ SÀN
PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Đà Nẵng − Năm 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

ĐINH THỊ NHƯ THẢO

ỨNG XỬ KHÁNG CHỌC THỦNG CỦA LIÊN
KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VÀ SÀN
PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
Chuyên ngành : Cơ kỹ thuật
Mã số

: 62 52 01 01

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGÔ HỮU CƯỜNG
PGS.TS. TRƯƠNG HOÀI CHÍNH


Tính cấp thiết của luận án.......................................................................... 1

2.

Mục tiêu nghiên cứu....................................................................................2

3.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án..................................2

4.

Nội dung nghiên cứu....................................................................................2

5.

Phương pháp nghiên cứu............................................................................3

6.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu..............................................................3

7.

Bố cục luận án..............................................................................................4

8.

Đóng góp chính của luận án........................................................................4

2.4. Kết luận.......................................................................................................81
Chương 3 PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT
SÀN PHẲNG
BTCT VÀ CỘT CFT BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ.......................................82
3.1. Đặt vấn đề...................................................................................................82
3.2. Giới thiệu về phần mềm ABAQUS...........................................................82

3.3. Các bài toán mô phỏng số của tác giả đã thí nghiệm..............................94

3.4. Áp dụng tính toán khả năng nén thủng cực hạn của mẫu S-02-M-V theo
các tiêu chuẩn TCVN 5574:2012, EC2 và ACI 318-11.................................118


iv

3.5. Kết luận.....................................................................................................122
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..................................................... 124
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
TÀI LIỆU THAM KHẢO


v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Ý nghĩa

BTCT


Bảng 1.1: Thông số mẫu thí nghiệm chuỗi thứ 1 của Satoh và Shimazaki (2004)
[37] ...................................................................................................................... 21
Bảng 1.2: Thông số mẫu thí nghiệm chuỗi thứ 2 của Satoh và Shimazaki (2004)
[37] ...................................................................................................................... 22
Bảng 1.3: Thông số mẫu thí nghiệm chuỗi thứ 3 của Satoh và Shimazaki (2004)

[37] ......................................................................................................................
Bảng 1.4: Thông số vật liệu mẫu thí nghiệm của Yan (2011) [44] ....................
Bảng 2.1: Số liệu của mẫu S-C-V và S-02-M-V.................................................
Bảng 2.2: Danh mục các thiết bị thí nghiệm .......................................................
Bảng 2.3: Cấp phối bê tông B30 .........................................................................
Bảng 2.4: Cường độ nén trung bình ....................................................................
Bảng 2.5: Cường độ kéo chẻ trung bình .............................................................

23
30
51
57
58
59
59

Bảng 2.6: Lực nén thủng cực hạn của liên kết sàn phẳng BTCT − cột CFT và liên

kết sàn phẳng − cột BTCT toàn khối .................................................................. 80
Bảng 3.1: Các công thức xác định các thông số đặc trưng của vật liệu bê tông . 84

Bảng 3.2: Các thông số đặc trưng của vật liệu bê tông mô phỏng ..................... 94
Bảng 3.3: Các dạng tương tác khi mô phỏng mẫu S-C-V .................................. 98
Bảng 3.4: So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng mẫu S-C-V .................. 101

............................................................................................................................. 13
Hình 1.11: Sự hình thành tháp nén thủng theo thí nghiệm Kinnuen và Nylander [25]
...................................................................................................................... 13 Hình
1.12: Sự sụp đổ của cao ốc Sampoong-Hàn Quốc do phá hoại nén thủng [16]
............................................................................................................................. 14

Hình 1.13: Sự sụp đổ của chung cư 2000 Commonwealth Avenue, Boston,
Massachusetts, Hoa kỳ do phá hoại nén thủng [24] ............................................ 14
Hình 1.14: Sự sụp đổ của căn hộ cao tầng Skyline Plaza ở Bailey’s Crossroad,
Virginia, Hoa Kỳ do phá hoại nén thủng [38] ..................................................... 15
Hình 1.15: Ba dạng phá hoại do nén thủng trong sàn phẳng BTCT − Menetrey
(2002) [10] ........................................................................................................... 16
Hình 1.16: Cốt thép chịu cắt tại liên kết cột − sàn phẳng BTCT [10], [32] ....... 16
Hình 1.17: Hệ cốt cứng chịu cắt − Corley và Hawkins (1968) [11] ................... 17
Hình 1.18: Sử dụng các chốt chịu cắt của Elgabry và Gali (1987) [14] ............. 18
Hình 1.19: Hệ băng kháng cắt của Pilakoutas và Li (2003) [36] ........................
Hình 1.20: Hệ liên kết chịu cắt “NUUL” của Subedi và Baglin (2003) [41] .....
Hình 1.21: Hình dạng phá hoại của liên kết “NUUL” khi bị nén thủng [41] .....
Hình 1.22: Chi tiết liên kết của Satoh và Shimazaki (2004) [37] .......................

18
18
18
19


viii

Hình 1.23: Mô hình thí nghiệm của Satoh và Shimazaki (2004) [37] ................ 20
Hình 1.24: Mô hình thí nghiệm chuỗi số 2 của Satoh và Shimazaki (2004) [37]

31
33
33

Hình 1.40: Hình dạng tháp nén thủng các mẫu thí nghiệm của Kim cùng cộng sự
(2014) [23] ........................................................................................................... 34
Hình 1.41: Chi tiết cấu tạo liên kết của Đào Ngọc Thế Lực cùng cộng sự (2017) [1],
[3] .................................................................................................................. 35 Hình
1.42: So sánh ứng xử bề mặt sàn ở cấp tải P=480 kN và đường cong tải trọng

– chuyển vị từ ABAQUS và thí nghiệm của Đào Ngọc Thế Lực cùng cộng sự
(2017) [1], [3] ...................................................................................................... 35
Hình 1.43: Chi tiết cấu tạo liên kết của Nguyễn Quốc Nhật (2018) [2] ............. 36
Hình 1.44: Vết nứt trên sàn tại cấp tải 400 kN mẫu thí nghiệm của Nguyễn Quốc
Nhật [2] ................................................................................................................ 37


ix

Hình 1.45: Sự phá hoại sàn tại cấp tải 440 kN mẫu thí nghiệm của Nguyễn Quốc
Nhật [2] ................................................................................................................ 37
Hình 1.46: Chi tiết cấu tạo liên kết của Trần Phan Nhật (2018) [5] ................... 38
Hình 1.47: Vết nứt đầu tiên tại cấp tải 43 kN mẫu thí nghiệm của Trần Phan Nhật
[5] ........................................................................................................................ 39
Hình 1.48: Sự phá hoại sàn tại cấp tải 226 kN mẫu thí nghiệm của Trần Phan Nhật

[5] ........................................................................................................................
Hình 1.49: Tháp nén thủng theo TCVN 5574:2012 [4] ......................................
Hình 1.50: Tháp nén thủng theo Tiêu chuẩn Châu Âu EC2 [13] .......................
Hình 1.51: Tháp nén thủng theo Quy phạm Hoa Kỳ ACI 318-11 [8] ................

Hình 2.14: Quan hệ ứng suất – biến dạng của thép tấm ..................................... 60
Hình 2.15: Quan hệ ứng suất – biến dạng của cốt thép sàn 14 ......................... 61
Hình 2.16: Mặt bằng lắp đặt chuyển vị kế cho mẫu S-C-V và S-02-M-V ......... 61
Hình 2.17: Mặt đứng lắp đặt chuyển vị kế cho mẫu S-C-V và S-02-M-V ......... 62


x

Hình 2.18: Sơ đồ lắp đặt cảm biến đo biến dạng của cốt thép lớp trên mẫu S-C-V
63
Hình 2.19: Sơ đồ lắp đặt cảm biến đo biến dạng của bê tông mẫu S-C-V..........63
Hình 2.20: Sơ đồ lắp đặt cảm biến đo biến dạng của bê tông và cốt thép lớp trên
mẫu S-02-M-V.................................................................................................... 64
Hình 2.21: Lắp đặt ván khuôn và cốt thép cho mẫu S-C-V................................ 65
Hình 2.22: Đổ bê tông cho mẫu S-C-V...............................................................66
Hình 2.23: Lắp đặt ván khuôn và cốt thép cho mẫu S-02-M-V..........................66
Hình 2.24: Đổ bê tông cho mẫu S-02-M-V.........................................................66
Hình 2.25: Lắp đặt mẫu S-C-V vào khung gia tải...............................................68
Hình 2.26: Lắp đặt mẫu S-02-M-V vào giá gia tải..............................................68
Hình 2.27: Lắp đặt thiết bị gia tải cho mẫu S-C-V và S-02-M-V....................... 69
Hình 2.28: Lắp đặt chuyển vị kế cho mẫu S-C-V...............................................70
Hình 2.29: Lắp đặt chuyển vị kế cho mẫu S-02-M-V.........................................70
Hình 2.30: Gắn cảm biến đo biến dạng của bê tông và cốt thép sàn cho mẫu S-CV và mẫu S-02-M-V............................................................................................70
Hình 2.31: Kết nối các dây cảm biến và chuyển vị kế vào data logger..............71
Hình 2.32: Đường quan hệ lực − chuyển vị mẫu S-C-V.....................................72
Hình 2.33: Đường quan hệ lực − biến dạng của cốt thép sàn mẫu S-C-V..........72
Hình 2.34: Đường quan hệ lực − biến dạng của cốt thép sàn mẫu S-C-V..........73
Hình 2.35: Đường quan hệ lực − biến dạng của bê tông sàn mẫu S-C-V...........73
Hình 2.36: Hình dạng tháp nén thủng của mẫu S-C-V....................................... 74
Hình 2.37: Đường cong trễ lực – chuyển vị ngang đầu cột.................................75

Hình 3.17: Quan hệ ứng suất – bề rộng vết nứt của bê tông khi chịu kéo..........95
Hình 3.18: Hình dạng mô phỏng của mẫu S-C-V...............................................96
Hình 3.19: Mô phỏng sàn cột bê tông của mẫu S-C-V....................................... 96
Hình 3.20: Mô phỏng cốt thép sàn và cột của mẫu S-C-V..................................97
Hình 3.21: Mô phỏng gối đệm trên, dưới của mẫu S-C-V..................................97
Hình 3.22: Mô phỏng sự làm việc đồng thời của bê tông và cốt thép mẫu S-C-V
98
Hình 3.23: Khai báo tương tác dạng “coupling” mẫu S-C-V..............................98
Hình 3.24: Mô phỏng điều kiện biên mặt trên của mẫu S-C-V...........................99
Hình 3.25: Mô phỏng điều kiện biên mặt dưới của mẫu S-C-V......................... 99
Hình 3.26: Mô phỏng chia lưới tạo phần tử của mẫu S-C-V............................ 100


xii

Hình 3.27: Quan hệ lực – chuyển vị D1 mẫu S-C-V........................................ 100
Hình 3.28: Quan hệ lực – chuyển vị D3 mẫu S-C-V........................................ 101
Hình 3.29: Quan hệ lực – biến dạng S1 mẫu S-C-V......................................... 101
Hình 3.30: Quan hệ lực – biến dạng S3 mẫu S-C-V......................................... 102
Hình 3.31: Quan hệ lực – biến dạng C1 mẫu S-C-V.........................................102
Hình 3.32: Các vết nứt tiếp tuyến đầu tiên xuất hiện mẫu S-C-V.....................103
Hình 3.33: Các vết nứt hướng tâm về phía 4 góc sàn mẫu S-C-V....................103
Hình 3.34: Hình dạng tháp nén thủng mẫu S-C-V............................................103
Hình 3.35: Hình dạng mô phỏng của mẫu S-02-M-V.......................................104
Hình 3.36: Mô phỏng sàn bê tông của mẫu S-02-M-V.....................................105
Hình 3.37: Mô phỏng cốt thép sàn của mẫu S-02-M-V.................................... 105
Hình 3.38: Mô phỏng hệ sườn, bản thép đầu cột và cột thép mẫu S-02-M-V .. 106

Hình 3.39: Mô phỏng cột thép và lõi bê tông cột của mẫu S-02-M-V..............106
Hình 3.40: Mô phỏng gối đệm trên, dưới, bên của mẫu S-02-M-V..................107

Hình 3.63: Tháp nén thủng của mẫu S-02-M-V theo EC2................................120
Hình 3.64: Tháp nén thủng của mẫu S-02-M-V theo ACI 318-11....................120


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Trong những thập niên qua, kết cấu thép – bê tông liên hợp đã được sử dụng
ngày càng rộng rãi trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp ở nhiều
nước trên thế giới do có các ưu điểm nổi trội về mặt kết cấu và thi công của cả hai
loại vật liệu thép kết cấu và bê tông truyền thống. Công trình sử dụng giải pháp kết
cấu liên hợp có khả năng chịu lực, độ cứng và độ dẻo dai cao, đáp ứng tốt công
năng sử dụng, có hiệu quả về kinh tế và đảm bảo tính thẩm mỹ, đồng thời tăng
cường khả năng chống cháy so với kết cấu thép truyền thống.
Trong nhà nhiều tầng, chiều cao tầng, kích thước cột và nhịp của cấu kiện là
những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế và công năng sử dụng của
công trình. Do đó, nhu cầu cần có một hệ kết cấu mới có thể giảm chiều cao tầng, giảm
kích thước cột, tăng nhịp cấu kiện, rút ngắn thời gian thi công và tiết kiệm chi phí xây
dựng là một điều hết sức cần thiết. Hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFT
− Concrete Filled steel Tube) và sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) là hệ kết cấu
tương đối mới, phù hợp với các tiêu chí trên và được mong đợi sẽ được áp dụng rộng
rãi trên thế giới trong tương lai gần. Tuy nhiên, dạng liên kết hiệu quả giữa cột CFT

và sàn phẳng BTCT cùng ứng xử kháng nén thủng của nó, là một yếu tố then chốt
trong việc đảm bảo khả năng chịu lực của hệ, vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ và
đang thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu.
Qua việc tham khảo và phân tích ưu nhược điểm của các chi tiết liên kết đã
được công bố trên thế giới, luận án đề xuất một chi tiết liên kết mới giữa sàn phẳng
BTCT và cột giữa CFT có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo và phù hợp với điều kiện thi

cột giữa CFT có cấu tạo đơn giản nhưng hiệu quả, phù hợp với điều kiện thi công tại
Việt Nam sẽ là bước khởi đầu cho việc nghiên cứu thêm các dạng liên kết khác để
có thể phát triển giải pháp kết cấu cột CFT – sàn phẳng BTCT cho công trình xây
dựng. Đặc biệt, việc xây dựng một mô hình số cho phép dự đoán khả năng chịu lực
của liên kết phù hợp với kết quả thực nghiệm là một điều cần thiết để có được kết
quả tin cậy trong việc áp dụng cho công tác thiết kế loại liên kết này trong thực tiễn
mà không cần thực hiện các thí nghiệm tốn kém và mất thời gian.

4. Nội dung nghiên cứu
− Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài.
− Đề xuất chi tiết liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT.


3

− Chế tạo liên kết và tiến hành đúc mẫu thí nghiệm.
− Thiết lập quy trình thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm.
− Xử lý, phân tích số liệu và đánh giá kết quả thí nghiệm.
− Mô phỏng số ứng xử của liên kết bằng phần mềm PTHH ABAQUS có xét
tác động phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu.
− Kiểm chứng độ tin cậy của kỹ thuật mô phỏng qua việc so sánh kết quả
phân tích với kết quả thực nghiệm.
− Rút ra những kết luận, kiến nghị.

5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của đề tài là phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
kết hợp với mô phỏng số. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để phân tích ứng
xử và khả năng chịu lực cũng như để đánh giá tính khả thi và sự hiệu quả của việc
ứng dụng liên kết đề xuất mới cho giải pháp kết cấu cột CFT – sàn phẳng BTCT.
Bên cạnh đó, một quy trình và kỹ thuật mô phỏng số liên kết bằng phần mềm PTHH

Đề xuất chi tiết liên kết phù hợp và hiệu quả; Đề xuất quy trình thí nghiệm;
Trình bày quá trình thí nghiệm và kết quả ứng xử nén thủng của liên kết đề xuất khi
chịu tải; So sánh kết quả thí nghiệm của liên kết đề xuất với liên kết sàn phẳng – cột
BTCT toàn khối để làm rõ sự hiệu quả.
Chương 3: Phân tích sự làm việc của liên kết sàn phẳng BTCT và cột CFT
bằng phương pháp số.
Trình bày cơ sở lý thuyết của phần mềm ABAQUS và thiết lập quy trình mô
phỏng số cho liên kết đề xuất và liên kết đối chứng; So sánh kết quả mô phỏng với
kết quả thí nghiệm để làm rõ độ tin cậy của mô hình số; Đề xuất hướng dẫn tính
toán để dự đoán khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT và cột giữa
CFT theo các tiêu chuẩn TCVN 5574:2012, EC2 và ACI 318-11.
Kết luận – Hướng phát triển.

8. Đóng góp chính của luận án
− Qua việc tham khảo và phân tích ưu nhược điểm của các chi tiết liên kết đã
được công bố trên thế giới, luận án đã đề xuất một chi tiết liên kết mới giữa sàn phẳng
BTCT và cột giữa CFT khá đơn giản và phù hợp với điều kiện thi công trong nước.


5

− Thiết lập quy trình thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm để khảo sát ứng xử
chịu cắt và khả năng kháng nén thủng của liên kết.
− Mô phỏng số phân tích ứng xử kháng nén thủng của liên kết bằng phần mềm

− Đề xuất hướng dẫn tính toán để dự đoán khả năng kháng nén thủng của
liên kết theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012, Tiêu chuẩn Châu Âu EC2,
Quy phạm Hoa Kỳ ACI 318-11.



nhiệt của vỏ thép khi chịu lửa.
− Cột CFT tiết diện nhỏ gọn nên tiết kiệm không gian sử dụng và cấu kiện
thanh mảnh nên có tính thẩm mỹ cao.


7

Lõi bê tông
Vỏ thép

a) Cột vuông, chữ nhật

b) Cột tròn

Hình 1.1: Cấu tạo điển hình của cột ống thép nhồi bê tông

Phân loại
Cấu tạo của cột CFT rất đa dạng. Dựa vào hình dạng và cấu tạo của mặt cắt
ngang, cột CFT được phân loại như sau:

Cột CFT đặc
Cột CFT đặc là loại cột CFT điển hình có cấu tạo gồm ống thép tiết diện rỗng
hình tròn, hình vuông, hình chữ nhật được nhồi bê tông đặc [17]. Trong một số
trường hợp do yêu cầu về mặt kiến trúc và cần có sự chịu lực khác nhau theo hai
phương, tiết diện ống thép có thể là hình đa giác, ô-van hay e-lip như Hình 1.2.
Ống thép

Ống thép

Bê tông

với dạng cột có tiết diện ngang lớn. Chiều dày vỏ và trọng lượng bản thân của cấu
kiện loại này cũng nhỏ hơn so với cột CFT đặc. Thêm nữa, các loại vật liệu khác
nhau có thể được sử dụng cho loại cột này để đảm bảo tính thẩm mỹ và khả năng
chống ăn mòn, ví dụ ống thép ngoài có thể dùng thép không gỉ trong khi ống thép
trong vẫn dùng thép thông thường [17].
Ống thép
Bê tông

Hình 1.3: Cấu tạo cột CFT mặt cắt rỗng [17]

Cột CFT được bọc BTCT
Cột CFT được bao bởi BTCT có cấu tạo gồm ống thép nhồi bê tông đặt bên
trong cột BTCT truyền thống (Hình 1.4). Ống thép đặt chìm ở phía trong sẽ làm tăng sự
bó lõi của bê tông bên trong và làm tăng khả năng chịu lực của cột. Phần BTCT bọc
bên ngoài tạo thành lớp chống cháy cho phần cột CFT bên trong làm cho khả năng
chống cháy của loại cấu kiện này tốt hơn cột CFT thông thường. Loại cột này có thể
liên kết dễ dàng với sàn phẳng BTCT hay sàn sườn BTCT hay dầm thép [17].
Bê tông

Ống thép

Cốt thép

Bê tông

Ống thép

Cốt thép

Hình 1.4: Cấu tạo cột CFT được bọc BTCT [17]

Một số công trình sử dụng cột CFT
Cột CFT có nhiều ưu điểm nên được sử dụng thay thế cho cột BTCT và cột
thép truyền thống trong giải pháp kết cấu công trình ở các nước như Anh, Nhật Bản,
Trung Quốc, Việt Nam… cho nhà dân dụng và công nghiệp, ga điện ngầm, tháp
điện cao thế, cột điện, cầu… Sau đây sẽ trình bày một số công trình nhà tiêu biểu.

Tòa nhà Fleet Place House (Anh)
Tòa nhà phức hợp Fleet Place House ở nước Anh gồm 8 tầng (Hình 1.6) sử dụng
cột ống thép tròn nhồi bê tông với đường kính ngoài của ống thép là 323.9 mm. Độ dày
của thành ống thép của tầng 1 là 30 mm, tầng 2 đến tầng 6 là 16 mm và các