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


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
Ý nghĩa

Ký hiệu
BTCT

Bê tông cốt thép

CFT


Bảng 1.3: Thông số mẫu thí nghiệm chuỗi thứ 3 của Satoh và Shimazaki (2004)
[37] ...................................................................................................................... 23
Bảng 1.4: Thông số vật liệu mẫu thí nghiệm của Yan (2011) [44] .................... 30
Bảng 2.1: Số liệu của mẫu S-C-V và S-02-M-V................................................. 51
Bảng 2.2: Danh mục các thiết bị thí nghiệm ....................................................... 57
Bảng 2.3: Cấp phối bê tông B30 ......................................................................... 58
Bảng 2.4: Cường độ nén trung bình .................................................................... 59
Bảng 2.5: Cường độ kéo chẻ trung bình ............................................................. 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
Bảng 3.5: Các dạng tương tác khi mô phỏng mẫu S-02-M-V .......................... 107
Bảng 3.6: So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng mẫu S-02-M-V ............ 112
Bảng 3.7: So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng mẫu S-C-V và mẫu S-02M-V ................................................................................................................... 117
Bảng 3.8: Kết quả tính toán lực kháng nén thủng cực hạn theo các tiêu chuẩn của
mẫu S-02-M-V .................................................................................................. 121
Bảng 3.9: Giá trị lực nén thủng mẫu S-C-V và S-02-M-V nghiên cứu thực nghiệm
và tính toán theo các tiêu chuẩn ........................................................................ 122


vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Cấu tạo điển hình của cột ống thép nhồi bê tông .................................. 7
Hình 1.2: Cấu tạo cột CFT đặc [17] ...................................................................... 7
Hình 1.3: Cấu tạo cột CFT mặt cắt rỗng [17] ....................................................... 8
Hình 1.4: Cấu tạo cột CFT được bọc BTCT [17] ................................................. 8

Hình 1.24: Mô hình thí nghiệm chuỗi số 2 của Satoh và Shimazaki (2004) [37]
............................................................................................................................. 21
Hình 1.25: Cấu hình vết nứt của mẫu Ps.8 [37] .................................................. 22
Hình 1.26: Chi tiết mẫu thí nghiệm chuỗi số 3 của Satoh và Shimazaki (2004) [37]
............................................................................................................................. 23
Hình 1.27: Cấu hình vết nứt các mẫu chuỗi thí nghiệm thứ 3 [37] .................... 24
Hình 1.28: Chi tiết liên kết của Su và Tian (2010) [40] ..................................... 25
Hình 1.29: Cấu tạo mẫu thí nghiệm của Su và Tian (2010) [40] ........................ 26
Hình 1.30: Mô hình thí nghiệm của Su và Tian (2010) [40] .............................. 27
Hình 1.31: Quan hệ lực − chuyển vị đầu cột của mẫu SP1 [40] ......................... 27
Hình 1.32: Cấu tạo liên kết loại 1 của Yan (2011) [44] ...................................... 28
Hình 1.33: Mẫu thí nghiệm liên kết loại 1 của Yan (2011) [44] ........................ 29
Hình 1.34: Cấu tạo liên kết loại 2 của Yan (2011) [44] ...................................... 29
Hình 1.35: Mẫu thí nghiệm liên kết loại 2 của Yan (2011) [44] ........................ 30
Hình 1.36: Mô hình và công tác lắp đặt thí nghiệm của Yan (2011) [44] .......... 30
Hình 1.37: Sơ đồ vị trí theo phương đứng của liên kết chịu cắt [44] ................. 31
Hình 1.38: Mẫu thí nghiệm của Kim cùng cộng sự (2014) [23]......................... 33
Hình 1.39: Mô hình thí nghiệm của Kim cùng cộng sự (2014) [23] .................. 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



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 2.38: Quan hệ lực – chuyển vị ngang đầu cột mẫu S-02-M-V .................. 76
Hình 2.39: Đường quan hệ lực – chuyển vị mẫu S-02-M-V .............................. 77
Hình 2.40: Đường quan hệ lực − biến dạng của cốt thép sàn mẫu S-02-M-V .. 77

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 3.41: Mô phỏng sự làm việc đồng thời của bê tông-cốt thép mẫu S-02-M-V
........................................................................................................................... 108
Hình 3.42: Khai báo tương tác dạng “coupling” mẫu S-02-M-V ..................... 108
Hình 3.43: Mô phỏng điều kiện biên mặt trên của mẫu S-02-M-V .................. 109

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
công ở Việt Nam. Thông qua tính toán và mô phỏng sơ bộ, kích thước và cấu tạo chi
tiết của liên kết sẽ được đề xuất. Ứng xử chịu cắt và khả năng kháng nén thủng của
liên kết kích thước thật sẽ được khảo sát thông qua nghiên cứu thực nghiệm. Thêm
nữa, liên kết cũng sẽ được mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS và độ tin cậy của kỹ
thuật mô phỏng sẽ được kiểm chứng qua việc so sánh với kết quả thực nghiệm.


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
ABAQUS cũng được thiết lập để dự đoán ứng xử của liên kết.

6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
Ứng xử cắt thủng của liên kết sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT.

Phạm vi nghiên cứu

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
ABAQUS và so sánh với kết quả thực nghiệm.
− 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.


6

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFT VÀ LIÊN KẾT
VỚI SÀN PHẲNG BTCT
1.1.

Cột ống thép nhồi 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

Bê tông

Ống thép
Bê tông

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

Bê tông

Cốt thép

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


9

Cột CFT có gia cường bằng cốt thép, cốt cứng và sườn tăng cứng
Việc gia cường cốt thép và cốt cứng nằm bên trong ống thép (Hình 1.5) làm

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