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

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – 2019


Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Ngô Hữu Cường
2. PGS.TS. Trương Hoài Chính

Phản biện 1: GS.TS. Phạm Văn Hội
Phản biện 2: PGS.TS. Trương Tích Thiện
Phản biện 3: TS. Trần Đình Quảng

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận án Tiến sĩ cấp Đại học
Đà Nẵng.
Vào lúc 8 giờ 30 ngày 15 tháng 6 năm 2019.

Có thể tìm hiểu luận án tại:

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 của các chi tiết 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. Liên kết cũng sẽ được mô phỏng bằng phần
mềm phần tử hữu hạn ba chiều ABAQUS và độ tin cậy của kỹ thuật mô
phỏng sẽ được kiểm chứng qua việc so sánh với kết quả thực nghiệm.


2
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu đề xuất loại liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột giữa
CFT phù hợp và hiệu quả với điều kiện thi công của Việt Nam.
- Nghiên cứu ứng xử và khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn
phẳng BTCT và cột giữa CFT được đề xuất bằng thực nghiệm và mô phỏng
số.
- Đề xuất công thức dự đoán khả năng kháng nén thủng của liên kết
sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT.
3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học
Ở Việt Nam, việc sử dụng cột CFT trong các công trình xây dựng
còn khá mới mẻ và chưa được phổ biến. Những kết quả thu được từ thí
nghiệm và mô phỏng trong nghiên cứu này sẽ góp phần bổ sung thêm
những luận điểm, kiến thức mới và là nguồn dữ liệu bổ ích phục vụ cho
những nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.
Ý nghĩa thực tiễn
Hiện nay liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT đã được nhiều
tác giả đề xuất và khảo sát để tìm hiểu ứng xử kết cấu và sự hiệu quả nhằm
phục vụ cho việc ứng dụng vào thực tiễn. Việc đề xuất một chi tiết liên kết
giữa sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT có cấu tạo đơn giản nhưng hiệu

- Cột CFT nằm ở giữa, không phải cột ở biên hoặc góc;
- Không xét đến ứng xử chịu mômen đồng thời của liên kết do tải
ngang với trục cột gây ra;
- Chỉ tác động tải tĩnh đẩy dần, không phải là lực lặp lại hoặc tải
động.
7. Bố cục luận án
Nội dung của luận án gồm 125 trang A4 có bố cục như sau:
Mở đầu.
Chương 1: Tổng quan về cột CFT và liên kết với sàn phẳng BTCT.
Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm liên kết sàn phẳng BTCT và cột
CFT.
Chương 3: Phân tích sự làm việc của liên kết sàn phẳng BTCT và
cột CFT bằng phương pháp số.
Kết luận – Hướng phát triển.
8. Đóng góp chính của luận án
- Đề xuất một chi tiết liên kết mới giữa sàn phẳng BTCT và cột giữa
CFT đơn giản, dễ chế tạo và phù hợp với điều kiện thi công trong nước.


4
- 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 sàn phẳng BTCT
và cột giữa CFT mới đề xuất.
- 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 sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT mới đề xuất theo Tiêu chuẩn
Việt Nam TCVN 5574:2012, Tiêu chuẩn Châu Âu EC2 và Quy phạm Hoa
Kỳ ACI 318-11.
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFT VÀ LIÊN KẾT VỚI

kết loại 1 có giá trị là 417 kN và của liên kết loại 2 là 569 kN.

Hình 1.32: Cấu tạo liên kết loại 1
của Yan

Hình 1.34: Cấu tạo liên kết loại 2
của Yan

1.3.4 Nghiên cứu của Kim cùng cộng sự (2014)
Kim cùng cộng sự (2014) đề xuất một số sơ đồ liên kết kháng cắt dùng
cốt cứng cho liên kết cột giữa CFT − sàn phẳng BTCT. Kết quả thực
nghiệm cho thấy khả năng kháng cắt của liên kết sử dụng liên kết thép hình
kháng cắt cao hơn rất nhiều so với liên kết sàn phẳng BTCT − cột CFT
không sử dụng liên kết thép hình kháng cắt.
1.3.5 Các nghiên cứu trong nước
1.4 Ưu và nhược điểm của các liên kết đã công bố
1.4.1 Ưu điểm: Đều đảm bảo khả năng chịu lực và độ dai cần thiết.
1.4.2 Nhược điểm: Các liên kết của Satoh và Shimazaki, Yan và Kim cùng
cộng sự: Có các chi tiết cấu tạo phức tạp, khó gia công, nằm chìm trong
sàn nên cản trở việc lắp đặt cốt thép sàn; Liên kết của Satoh và Shimazaki,
Su và Tian và liên kết loại 1 của Yan: Cốt thép sàn bị gián đoạn bởi cột
CFT; Liên kết của Su và Tian: Bản gối có khả năng chịu uốn và độ cứng
thấp; Các liên kết của Satoh và Shimazaki, Su và Tian, Yan và Kim cùng
cộng sự: Sự truyền lực từ sàn vào vỏ ống thép của cột CFT thông qua chi
tiết chịu cắt, không truyền trực tiếp vào lõi bê tông ngay vị trí liên kết.
1.5 Khả năng kháng nén thủng của sàn phẳng BTCT theo các tiêu
chuẩn hiện hành


6


100

180

180

20 20 20 20
155

25

Bản thép dày
16mm
155 16

155
20202020

20

Cột thép D=400mm

120

120

8

Chi tiết sườn thép


50

d14a240
1050
50

11-d14a240 = 2400
2500

50

Hình 2.3: Mặt bằng bố
trí lớp thép trên mẫu SC-V

900

50
11-d14a240 = 2400
2500

A

A

8d16
d6a150

200 200


mẫu S-C-V

Hình 2.5: Mặt cắt A-A
mẫu S-C-V

21-d14a120 = 2400
2500

50

50

11-d14a240 = 2400
2500

2380

80100
180

50

20
50

Hình 2.6: Mặt bằng bố
trí lớp thép trên
mẫu S-02-M-V

Hình 2.7: Mặt bằng bố


180

8

A

21-d14a120 = 2400
2500

50

50

2.1.3.2 Cấu tạo chi tiết mẫu S-02-M-V

400
440

20

21-d14a120 = 2400
2500

50

Hình 2.8: Mặt cắt A-A
mẫu S-02-M-V



fcm

b) Các mẫu dùng để xác định cường độ kéo
chẻ trung bình fsp

Hình 2.13: Thí nghiệm nén và kéo chẻ mẫu bê tông

Kết quả cường độ nén trung bình mẫu hình trụ fcm = 40.4 MPa và
cường độ kéo trung bình của bê tông fctm = 0.9fsp = 3.16 MPa được thể hiện
trong Bảng 2.4 và Bảng 2.5.
2.3.1.2 Thép tấm
Các thép tấm và vỏ thép của cột CFT mẫu S-02-M-V sử dụng thép
Q345B. Thí nghiệm kéo cho thấy thép tấm có giới hạn chảy nhỏ nhất là
351 MPa, giới hạn bền là 489 MPa.


Ứng suất kéo (MPa)

9
500
400
300
200
100
0
0

0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14
Biến dạng


100

2500
1050

1050

475

50 200

200 50

100

100
D2A

D3A

200

D6

20

100

200



D3A

D3

50

D1

850

400

D2

D4

100

850

200

2500

475

100

D1A


200

1050

D1

D5

D2

D4

H

20

D2A

200

100

200

100

200
160


2.3.2.2 Sơ đồ lắp đặt cảm biến cho mẫu S-C-V và S-02-M-V
Cảm biến đo biến dạng cốt thép có ký hiệu S1, S2, S3, S4, S5, S6 (Hình
2.18 và Hình 2.20). Cảm biến đo biến dạng của bê tông có ký hiệu C1, C2,
C3, C3, C5 (Hình 2.5 và Hình 2.6).

S6
C3

Hình 2.19: Sơ đồ lắp đặt cảm biến đo
biến dạng của bê tông mẫu S-C-V

d = 184

Hình 2.18: Sơ đồ lắp đặt cảm biến đo
biến dạng của cốt thép lớp trên mẫu
S-C-V

C4

d = 184

d = 184
S3

d = 184

C1

S1


400

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

2.3.3 Tiến hành quá trình thực nghiệm
2.3.3.1 Tạo mẫu thí nghiệm

Hình 2.21. Lắp đặt
ván khuôn và cốt
thép cho mẫu
S-C-V

Hình 2.22: Đổ bê
tông cho mẫu
S-C-V

Hình 2.23: Lắp đặt
ván khuôn và cốt
thép cho mẫu
S-02-M-V

2.3.3.2 Vận chuyển mẫu, lắp mẫu vào vị trí

Hình 2.24: Đổ bê
tông cho mẫu
S-02-M-V


11

600
500
400
300
200
100
0

900
800
700
600
500
400
300
200
100
0

Lực (kN)

Lực (kN)

2.3.4 Tiến hành gia tải – Kết quả thực nghiệm mẫu S-C-V
2.3.4.1 Gia tải thí nghiệm
Bắt đầu gia tải đứng khoảng 5% tổng lực phá hoại theo tính toán,
khoảng 30 kN/cấp tải.
2.3.4.2 Kết quả thí nghiệm của mẫu S-C-V
Lực phá hoại nén thủng: 827.3 kN



Hình 2.33: Đường quan hệ lực - biến
dạng của cốt thép sàn mẫu S-C-V

Lực (kN)

2.3.4.3 Hình dạng tháp nén thủng của mẫu S-C-V
Sàn bị phá hoại do nén thủng với giá trị lực là 827.3 kN (Hình 2.36).

-0,0015

Thực nghiệm
Thực nghiệm
Thực nghiệm
Thực nghiệm
Thực nghiệm

C1
C2
C3
C4
C5

900
800
700
600
500
400
300

40
30
20
10
0

0
4
8
12 16 20
Chuyển vị ngang đầu cột (mm)

Hình 2.38: Quan hệ lực – chuyển vị ngang đầu cột

2.3.5.2 Thí nghiệm giai đoạn 2
Gia tải đứng đến khi liên kết sàn phẳng BTCT - cột CFT bị phá hoại hoàn
toàn do nén thủng với lực nén thủng là 1024.00 kN.
2.3.5.3 Kết quả thí nghiệm giai đoạn 2 của mẫu S-02-M-V

Chuyển
Chuyển
Chuyển
Chuyển
Chuyển

0

3

6

chuyển vị mẫu S-02-M-V

-0,003

1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0

Lực (kN)

Lực (kN)

1100
1000
900
800
700
600
500
400
300

-0,001

0

0,001

Biến dạng

Hình 2.41: Đường quan hệ lực − biến
dạng của bê tông sàn mẫu S-02-M-V

Hình 2.42: Hình dạng tháp nén
thủng của của mẫu S-02-M-V


14
2.3.5.4 Hình dạng tháp nén thủng của mẫu S-02-M-V
Giai đoạn 1: Gia tải chuyển vị ngang đầu cột đạt giá trị 17 mm
ứng với lực đo là 74 kN, trên sàn không xuất hiện vết nứt.
Giai đoạn 2: Kết quả thí nghiệm cho thấy sàn bị phá hoại do nén
thủng. Lực nén thủng phá hoại hoàn toàn cho liên kết sàn phẳng BTCT cột CFT là P = 1024.00 kN Hình 2.42.
2.4 Kết luận
Chương 2 đã trình bày cấu tạo liên kết sàn phẳng – cột BTCT toàn
khối và sàn phẳng BTCT - cột CFT được đề xuất mới, các kết quả thí
nghiệm vật liệu bê tông, thép tấm và cốt thép của sàn phẳng và quy trình
thực nghiệm xác định ứng xử cắt thủng của mẫu S-C-V và mẫu S-02-MV. Kết quả thí nghiệm được thể hiện qua các biểu đồ quan hệ giữa lực nén
thủng và các đại lượng như chuyển vị, ứng suất, biến dạng trong bê tông
và cốt thép của mẫu S-C-V và S-02-M-V. Kết quả hình dạng của tháp nén
thủng và ứng xử chịu lực khá tương đồng với các nghiên cứu của các tác
giả trên thế giới.

20
10
0
0

0,001 0,002 0,003 0,004
Biến dạng

Hình 3.16: Quan hệ ứng suất – biến
dạng của bê tông khi chịu nén

3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0

0,1
0,2
0,3
0,4
Bề rộng vết nứt (mm)

Hình 3.17: Quan hệ ứng suất – bề
rộng vết nứt của bê tông khi chịu kéo


trên và biên dưới
Cốt thép sàn
Embedded element
− Sàn phẳng BTCT
d=14mm
− Cột BTCT


16
3.3.2.3 Điều kiện biên mô phỏng mẫu S-C-V
Khai báo điều kiện biên tương tự khi tiến hành thực nghiệm, 4 biên trên và
biên dưới đều sử dụng biên liên kết khớp u1 = u2 = u3 = 0 như Hình 3.24 và
Hình 3.25.

Hình 3.24: Mô phỏng
điều kiện biên mặt trên
của mẫu S-C-V

Hình 3.25: Mô phỏng
điều kiện biên mặt dưới
của mẫu S-C-V

Hình 3.26: Mô phỏng
chia lưới tạo phần tử
của mẫu S-C-V

900
800
700
600

Chuyển vị (mm)

25

Hình 3.27: Quan hệ lực – chuyển vị D1
mẫu S-C-V

900
800
700
600
500
400
300
200
100
0

Mô phỏng-S1
Thực nghiệm-S1

0

0,01

0,02
0,03
Biến dạng

0,04


3.3.2.7 Nhận xét
Kết quả cho thấy rằng lực nén thủng trong mô phỏng thấp hơn lực
nén thủng thực nghiệm 8.19% và chuyển vị D1 nhỏ hơn 6.82% so với thực
nghiệm. Kết quả cấp tải gây nứt và vùng tháp nén thủng trong mô phỏng
cũng gần với kết quả thực nghiệm.
3.3.3 Mô phỏng ứng xử chịu nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT –
cột giữa ống thép nhồi bê tông S-02-M-V
3.3.3.1 Các bộ phận của mẫu S-02-M-V

Hình 3.35: Hình
dạng mô phỏng

Hình 3.36: Mô
phỏng sàn cột bê
tông

Hình 3.37: Mô phỏng cốt thép sàn và cột

Hình 3.38: Mô phỏng hệ sườn, bản thép đầu cột và cột thép mẫu S-02-M-V


18
3.3.3.2 Các dạng tương tác khi mô phỏng mẫu S-02-M-V
Bảng 3.5: Các dạng tương tác khi mô phỏng mẫu S-02-M-V
Cấu kiện

Dạng tương tác

Sàn BTCT

− Bản thép đầu cột
− Cột thép
− Hệ sườn thép
− Lõi cột bê tông
− Sàn BTCT
− Bản thép đầu cột
− Hệ sườn thép
− Lõi cột bê tông
− Cột thép
− Bản thép đầu cột
− Sàn BTCT
− Sàn BTCT
− Lõi bê tông cột

3.3.3.3 Điều kiện biên mô phỏng mẫu S-02-M-V
Khai báo điều kiện biên tương tự khi tiến hành thực nghiệm, 4 biên
trên và biên dưới đều sử dụng biên liên kết khớp u1 = u2 = u3 = 0 như Hình
3.43 và Hình 3.44.
3.4.3.4 Mô phỏng tạo lưới chia mẫu S-02-M-V
Việc chọn lưới chia cho phần tử bê tông; đệm thép; cốt thép sàn,
cột đều chọn lưới chia có kích thước l = 50 mm. Kết quả chia lưới cho mẫu
S-02-M-V như Hình 3.45.

Hình 3.43: Mô phỏng điều kiện biên
mặt trên của mẫu S-02-M-V

Hình 3.45: Mô phỏng chia lưới tạo
phần tử của mẫu S-02-M-V




Chuyển vị ngang đầu cột (mm)

Hình 3.46: Hình dạng của liên
kết S-02-M-V khi chuyển vị
ngang đầu cột có giá trị 17 mm

Hình 3.47: Quan hệ lực – chuyển vị ngang
đầu cột mẫu S-02-M-V

Hình 3.48: Ứng suất Mises trong sàn khi chuyển vị đầu cột có giá trị 17mm
mẫu S-02-M-V

Nhận xét: Trong quá trình mô phỏng giai đoạn gia tải ngang cũng không
làm xuất hiện vết nứt trong sàn Hình 3.48.
Giai đoạn 2
Tiến hành gia tải gây nén thủng cho liên kết bằng phương pháp điều khiển
chuyển vị đến khi liên kết bị “phá hoại hoàn toàn”.
Bảng 3.6: So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng mẫu S-02-M-V
Lực nén
Chuyển vị Chuyển vị
thủng
D1
D3
(kN)
(mm)
(mm)
1024.00
23.43
17.56

Lực (kN)

1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0

Mô phỏng-D1
Thực nghiệm-D1

0

3

6

9

12 15 18 21 24

Chuyển vị (mm)


3.3.3.7 Nhận xét
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số của các mẫu SC-V và S-02-M-V cho thấy khả năng kháng nén thủng của liên kết đề xuất
S-02-M-V lớn hơn mẫu đối chứng S-C-V trên 20% và độ cứng của mẫu S02-M-V cũng lớn hơn mẫu S-C-V tương đối nhiều (Hình 3.58).


22

1100
1000
900
800

Lực (kN)

700
600
500

Mô phỏng-D1-SCV

400

Thực nghiệm-D1-SCV"

300
Mô phỏng-D1-S02MV

200

Thực nghiệm-D1-S02MV

Chuyển vị D1
(mm)

Chuyển vị D3
(mm)

Mẫu
Thực
nghiệm

Mô
phỏng

Thực
nghiệm

Mô
phỏng

Thực
nghiệm

Mô
phỏng

S-C-V

827.3

759.58

8.38%

12.68%

23.06%

12.46%

Phân tích mô phỏng số cho kết quả lực phá hoại mẫu tương đối sát
với kết quả thực nghiệm nhưng độ dốc ở phần đầu của các đường quan hệ
“Lực – chuyển vị” hay “Lực – biến dạng” từ phân tích số lớn hơn kết quả


23
của ứng xử tương ứng trong thực nghiệm. Điều này chứng tỏ độ cứng chịu
cắt dự đoán của liên kết khi chịu nén thủng từ phân tích số lớn hơn so với
kết quả tương ứng từ thực nghiệm. Ta cũng có thể nhận thấy điều vừa nêu
ở các nghiên cứu tương tự khác đã được công bố khi mô phỏng ứng xử
chịu cắt của cấu kiện bê tông cốt thép, kể cả dầm chịu cắt lẫn liên kết sàn
– cột chịu cắt thủng. Điều này là do hạn chế của mô hình bê tông có sẵn
trong thư viện của phần mềm ABQUS và cần được nghiên cứu làm rõ trong
các nghiên cứu khác.
3.4 Áp dụng tính toán khả năng nén thủng cực hạn của mẫu S-02-MV theo các tiêu chuẩn TCVN 5574:2012, EC2 và ACI 318-11
3.5 Kết luận
Kết quả mô phỏng được thể hiện qua các biểu đồ quan hệ giữa lực
nén thủng và các đại lượng cơ học như chuyển vị và biến dạng trong bê
tông và cốt thép của mẫu S-C-V và S-02-M-V cho thấy tải trọng nén thủng
và giá trị của các đại lượng cơ học chênh lệch trong phạm vi 10.0%. Hình
dạng và kích thước tháp nén thủng trong mô phỏng số bằng phần mềm
ABAQUS tương đối tương đồng với kết quả thực nghiệm.