Nghiên cứu thực nghiệm khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép được gia cường bởi cốt sợi kim loại vô định hình

1320(9) 9.2017
Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ 
Giới thiệu
Kết cấu sàn phẳng hiện đang được sử dụng rộng rãi 
trong các công trình xây dựng bê tông cốt thép trong nước 
và trên thế giới. Ưu điểm của hệ sàn phẳng là bản sàn được 
kê trực tiếp lên đầu cột cho phép tăng tương đối chiều cao 
thông tầng, tạo được độ phẳng không gian trần đẹp, thi 
công nhanh, sử dụng không gian linh hoạt. Tuy nhiên, sự 
kết hợp momen uốn và lực cắt lớn tại vị trí mối nối giữa 
cột và sàn sẽ gây ra phá hoại đột ngột tại vị trí này. Hơn 
nữa, sự phá hoại tại các vị trí này sẽ dẫn đến sự suy giảm 
đáng kể khả năng chống tải trọng đứng của liên kết cột 
- sàn và dẫn đến sự sụp đổ của toàn hệ kết cấu (theo các 
nghiên cứu của Graf và Mehrain [1]; Hatcher và cộng sự 
[2]). Vì vậy, tại các vị trí mối nối cột - sàn cần được gia 
cường để đảm bảo khả năng chịu cắt và khả năng chuyển 
vị (độ dẻo).
Một số nghiên cứu thực nghiệm ở nước ngoài [3, 4] đã 
chỉ ra rằng, khả năng chống chọc thủng tại vị trí liên kết 
cột - sàn của kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép phụ thuộc 
vào nhiều yếu tố như chiều dày sàn, cường độ của cốt thép 
chịu uốn, cường độ bê tông, kích thước cột. Từ đó, một số 
nghiên cứu sau này đã phát triển các chi tiết thép để gia 
cường tại vị trí mũ cột để làm tăng khả năng chống chọc 
thủng tại vị trí này, như thép chịu cắt dạng bulong (head-
studs) [5], tấm carbon (shear CFRP sheets) [6], cốt thép 
ngang chịu cắt [7], cốt sợi thép truyền thống (steel fibers) 
[8, 9]. Ở Việt Nam, nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng số 
về ứng xử chọc thủng của kết cấu sàn phẳng đã được thực 
hiện, nhưng các số liệu thực nghiệm về vấn đề này còn rất 
Nghiên cứu thực nghiệm khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng 
bê tông cốt thép được gia cường bởi cốt sợi kim loại vô định hình
Đặng Công Thuật1*, Đinh Ngọc Hiếu1, Trương Gia Toại2
1Khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng
2Khoa Xây dựng, Trường Đại học Kiến trúc TP Hồ Chí Minh 
Ngày nhận bài 20/3/2017; ngày chuyển phản biện 7/4/2017; ngày nhận phản biện 28/5/2017; ngày chấp nhận đăng 31/5/2017
Tóm tắt:
Nghiên cứu này nhằm khảo sát bằng thực nghiệm khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép 
không dự ứng lực khi được gia cường bởi cốt sợi kim loại vô định hình. Kết quả thí nghiệm được so sánh với các 
giải pháp khác cũng được sử dụng để gia cường tại liên kết cột - sàn như thép đai và bulong chịu cắt. Kết quả thí 
nghiệm cho thấy việc sử dụng cốt sợi kim loại vô định hình trong bê tông làm tăng khả năng chống chọc thủng 
và ứng xử chuyển vị của sàn so với giải pháp sử dụng thép đai chịu cắt và bulong chịu cắt.
Từ khóa: Chọc thủng, cốt sợi kim loại vô định hình, sàn phẳng bê tông cốt thép, thí nghiệm sàn phẳng.
Chỉ số phân loại: 2.1
*Tác giả liên hệ: Email: dangcongthuat@dut.udn.vn
Experimental study on the punching 
shear capacity of flat slab reinforced 
with amorphous steel fibers
Cong Thuat Dang1*, Ngoc Hieu Dinh1, Gia Toai Truong2
1Faculty of Civil Engineering, University of Science and Technology - The 
University of Danang
2Faculty of Civil Engineering, University of Architecture Ho Chi Minh City
Received 20 March 2017; accepted 31 May 2017
Abstract:
This experimental study has been carried out to 
investigate the punching shear capacity of flat concrete 
slabs reinforced by amorphous steel fibers (ASFs). The 
experimental results were compared to those of the 
different reinforcing solutions applied at the column-
slab connection region using stirrups and stud rails. 
The test results have shown that the use of ASFs in 
concrete could improve significantly the punching 
shear capacity of the flat slab as well as the deflection 
of the slabs subjected under the testing load compared 
to the using of the stirrups or stud rails.
Keywords: Amorphous steel fibers, flat concrete slab, flat 
slab experiment, punching shear capacity.
Classification number: 2.1
1420(9) 9.2017
Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ
hạn chế [10-12].
Hiện nay, cốt sợi kim loại vô định hình (Amorphous 
steel fibers) là một loại cốt sợi phân tán mới được chế tạo 
với công nghệ hoàn toàn khác so với cốt sợi thép truyền 
thống. Loại cốt sợi này có cường độ chịu kéo và khả năng 
chống ăn mòn cao hơn cốt sợi thép, mềm, dễ uốn, khả 
năng phân tán cao trong bê tông, và đặc biệt là không bị 
hiện tượng ăn mòn kim loại. Ở nước ngoài, một số nghiên 
cứu đã sử loại cốt sợi này để tăng khả năng kiểm soát vết 
nứt của cấu kiện bê tông cốt thép trong quá trình co ngót 
hay quá trình chịu tải trọng [13, 14]. Tuy nhiên, ở Việt 
Nam, các nghiên cứu cũng như ứng dụng loại cốt sợi này 
vào các kết cấu công trình xây dựng vẫn chưa được khảo 
sát.
Trong nghiên cứu này, khả năng chống chọc thủng của 
sàn phẳng bê tông cốt sợi vô định hình không dự ứng lực 
được nghiên cứu bằng thực nghiệm và so sánh với các 
phương pháp truyền thống khác như sử dụng cốt thép đai 
chịu cắt và bulong chịu cắt. Trên cơ sở đó, tính hiệu quả 
của mẫu khi sử dụng cốt sợi vô định hình được so sánh với 
mẫu sử dụng các phương pháp khác dựa trên hai chỉ tiêu: 
Cường độ và khả năng chuyển vị tại liên kết cột - sàn.
mô tả thí nghiệm
Vật liệu
Trong nghiên cứu này, bê tông với cường độ nén mẫu 
tiêu chuẩn kích thước hình trụ tròn 100x200 mm ở 28 ngày 
tuổi là 24 MPa, được xác định theo tiêu chuẩn ASTM C39/
C39M [15]. Cốt thép có gờ với 3 loại đường kính Ø10, 
Ø13 và Ø24 được sử dụng làm cốt thép dọc chịu lực trong 
mẫu thí nghiệm. Cường độ chịu kéo ở giới hạn chảy được 
xác định theo tiêu chuẩn ASTM E8/E8M [16] lần lượt là 
455, 430 và 465 MPa. Bulong chịu cắt dùng trong mẫu thí 
nghiệm có đường kính Ø10, chiều dài 85 mm, cường độ 
chịu kéo ở giới hạn chảy là 400 MPa.
Cốt sợi thép vô định hình (ASFs) được sử dụng trong 
nghiên cứu là một loại cốt sợi mới, có dạng thẳng, được 
phát triển bởi Công ty POSCO - Hàn Quốc (
posco.com/) (hình 1a). Ưu điểm của loại cốt sợi này là quá 
trình sản xuất tiết kiệm năng lượng và giảm khí thải CO2 
(ít hơn 20% so với cốt sợi thép truyền thống), mỏng, dễ 
uốn, trọng lượng riêng nhẹ, cường độ chịu kéo cao hơn so 
với cốt sợi thép truyền thống và đặc biệt là không có hiện 
tượng ăn mòn kim loại. Hơn nữa, bề mặt của phần tử sợi 
nhám, có khả năng làm tăng lực bám dính giữa bê tông và 
cốt sợi (hình 1b). 
a. Hình dạng cốt sợi kim loại 
vô định hình
b. Hình ảnh khi quét dưới 
kính hiển vi điện tử
Hình 1. Cốt sợi kim loại vô định hình sử dụng trong thí 
nghiệm.
ASFs có trọng lượng riêng là 7200 kg/m3, cường độ 
chịu kéo là 1400 MPa và modul đàn hồi là 14x104 MPa. 
Trong khi đó, cốt sợi thép truyền thống có dạng móc ở 2 
đầu, trọng lượng riêng là 7850 kg/m3, cường độ chịu kéo 
là 1100 MPa và modul đàn hồi là 20x104 MPa. Hình 2 so 
sánh kích thước hình học của cốt sợi kim loại vô định hình 
và cốt sợi thép truyền thống.
a. Cốt sợi kim loại vô định hình b. Cốt sợi thép truyền thống
Hình 2. So sánh kích thước hình học của cốt sợi kim loại 
vô định hình và cốt sợi thép truyền thống.
Mẫu thí nghiệm
Trong nghiên cứu này, có 4 mẫu được thí nghiệm, bao 
gồm mẫu tiêu chuẩn (TC), mẫu được gia cường bởi bulong 
chịu cắt ở đầu cột (BL), mẫu được gia cường bởi thép đai 
chịu cắt ở đầu cột (TĐ), và mẫu sử dụng bê tông cốt sợi 
thép vô định hình (ASFs). Tất cả các mẫu thí nghiệm đều 
có kích thước 1800x1800 mm, chiều dày sàn là 120 mm. 
Trong sàn, cốt thép dọc chịu lực Ø13 được sử dụng. Cột 
được thiết kế làm việc trong giai đoạn đàn hồi, với kích 
thước tiết diện là 200x200 mm và cốt thép dọc chịu lực là 
4Ø24. 
Theo khuyến cáo từ nhà sản xuất, hàm lượng ASFs hợp 
lý trong hỗn hợp bê tông dùng trong các kết cấu công trình 
từ 0,6-0,8%. Vì vậy, trong thí nghiệm này, nhóm nghiên 
cứu lựa chọn hàm lượng cốt sợi vô định hình được trộn 
trực tiếp vào hỗn hợp bê tông với hàm lượng là 0,8%. Kích 
thước hình học và cấu tạo cốt thép của các mẫu thí nghiệm 
được trình bày trong hình 3. Trong nghiên cứu này, bê 
tông cốt sợi kim loại vô định hình được sử dụng cho toàn 
bộ tấm sàn.
1520(9) 9.2017
Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ 
10
0
800 200 800
1800
Ø10 @50
Thép cẩu lắp Ø13
Thép cột 4Ø24
B
AA
A-A
18
00
12
Ø
13
@
15
0
30
30
12Ø13@150
12
0
10
0
80
0
20
0
80
0
Thép chịu lực Ø13
Thép chịu lực Ø13
200
Đơn vị: mm
a. Mẫu tiêu chuẩn sử dụng bê tông thông thường, mẫu sử 
dụng bê tông cốt sợi kim loại vô định hình
800 200 800
1800
18
00
AA
12
Ø
13
@
15
0
12Ø13@150
80
0
20
0
80
0
Ø10@50
Thép cẩu lắp Ø13
Column rebars: 4Ø24
30
30
12
0
5010
0
10
0
50Thép chịu lực Ø13
Thép chịu lực Ø13
200 Bulong Ø10
b. Mẫu được gia cường bởi bulong chịu cắt ở đầu cột
Ø10@50
Thép cột 4Ø13
Ø10@45
A A
1800
200 800800
8
0
0
2
0
0
8
0
0
1
8
0
0
1
2
Ø
1
3
@
1
5
0
12Ø13@150
200Thép cẩu lắp Ø13
Thép chịu lực Ø13
Thép chịu lực Ø13
1
2
0 3
0
3
0
1
0
0
1
0
0
A-A
c. Mẫu được gia cường bởi thép đai chịu cắt ở đầu cột
Hình 3. Kích thước và cấu tạo cốt thép của mẫu thí 
nghiệm.
Thiết lập thí nghiệm
Lực tập trung theo phương thẳng đứng được tác dụng 
tại vị trí đầu cột trên của các mẫu thí nghiệm thông qua 
thiết bị gia tải là kích thủy lực 500 kN. Cấu tạo và hình 
ảnh hệ thống thí nghiệm được trình bày ở hình 4, bao gồm 
bộ phận truyền động, bộ phận điều khiển lực, và thiết bị 
đo chuyển vị (LVDT) đặt tại vị trí đầu cột dưới. Tải trọng 
đứng (P) được tác dụng lên mẫu thí nghiệm với vận tốc 
0,03 mm/s cho đến khi mẫu bị phá hoại. Chuyển vị (w) của 
mẫu và lực tác dụng lên mẫu được đo và ghi nhận tại vị 
trí đầu cột dưới trong suốt quá trình thí nghiệm thông qua 
một máy ghi dữ liệu. 
1620(9) 9.2017
Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ
Bộ phận điều khiển lực
Thiết bị đo chuyển vị
Dầm đỡ
Bộ phận truyền động
Mẫu thí nghiệm
Khung gia tải
a. Hình ảnh hệ thống thí nghiệm.
b. Cấu tạo hệ thống thí nghiệm.
Hình 4. Hệ thống thí nghiệm.
Kết quả thí nghiệm và phân tích
Kết quả đường cong lực - chuyển vị
Kết quả đường cong lực (P) - chuyển vị (w) của các 
mẫu thí nghiệm được trình bày ở hình 5. Ta có thể thấy 
rằng, ở mẫu tiêu chuẩn (TC), sau khi đạt giá trị lực lớn 
nhất (214,8 kN), đường cong lực - chuyển vị sụt giảm 
một cách đột ngột. Mẫu được gia cường bởi thép đai (TĐ) 
cũng thể hiện một ứng xử tương tự mẫu TC, tuy nhiên 
khả năng chịu lực (258,8 kN) cao hơn so với mẫu TC là 
20,5%. Mẫu được gia cường bởi bulong chịu cắt cho khả 
năng chịu lực cao hơn chỉ khoảng 4,6%, tuy nhiên khả 
năng chuyển vị cao hơn 30,9%, và sau khi đạt giá trị lực 
lớn nhất, đường cong lực - chuyển vị sụt giảm một cách từ 
từ. Đối với mẫu thí nghiệm sử dụng cốt sợi vô định hình 
với hàm lượng 0,8% (ASFs), giá trị lực và chuyển vị lớn 
nhất tương ứng đạt 277,3 kN và 29,49 mm, tức là cao hơn 
tương ứng 29 và 72% so với mẫu TC, đồng thời, đường 
cong lực - biến dạng sụt giảm một cách từ từ sau khi đạt 
giá trị lực lớn nhất. Điều này chứng tỏ cốt sợi kim loại vô 
định hình sử dụng trong hỗn hợp bê tông làm tăng khả 
năng chống chọc thủng và khả năng chuyển vị của mẫu thí 
nghiệm. Đồng thời, chúng có khả năng kiểm soát các vết 
nứt sau khi đạt đến trạng thái giới hạn chịu lực, giúp cho 
các kết cấu không bị phá hoại một cách đột ngột, tương tự 
như cốt sợi thép truyền thống [17].
0
50
100
150
200
250
300
0 10 20 30 40
P
(k
N
)
w (mm)
TC
BL
TĐ
ASF
Hình 5. Quan hệ lực - chuyển vị.
Đặc điểm phá hoại mẫu
Trong nghiên cứu này, các mẫu thí nghiệm được kê tự 
do lên các gối tựa đặt ở 4 cạnh của mẫu thí nghiệm. Vì vậy, 
phần diện tích sàn xung quanh cột sẽ chịu tác dụng của lực 
chọc thủng cũng như moment uốn lớn nhất. Trong tất cả 
các mẫu thí nghiệm, các vết nứt đầu tiên được hình thành 
trong vùng chịu kéo của tiết diện sàn gần vị trí cột, sau đó 
bề rộng và diện tích vùng nứt tăng dần cùng với sự tăng 
của tải trọng (hình 6).
Hình 6. Đặc điểm hình thái phá hoại mẫu.
1720(9) 9.2017
Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ 
Hình 6 cho thấy hình mẫu của các vết nứt được quan 
sát bằng mắt thường tại thời điểm sau khi các mẫu thí 
nghiệm bị phá hoại. Trong trường hợp các mẫu tiêu chuẩn 
(TC), bulong chịu cắt (BL), thép đai chịu cắt (TĐ), một số 
lượng lớn các vết nứt được hình thành xung quanh chu vi 
cột và gây ra sự phá hoại của vùng bê tông ở bề mặt bên 
dưới các mẫu thí nghiệm, kéo theo sự phá hoại hoàn toàn 
mẫu sau đó. Tuy nhiên, trong trường hợp mẫu thí nghiệm 
với hàm lượng 0,8% cốt sợi vô định hình trong hỗn hợp 
bê tông (mẫu ASFs), số lượng các vết nứt ít và diện tích 
cũng như bề rộng các vết nứt hẹp được quan sát sau khi 
mẫu bị phá hoại.
Diện tích vùng phá hoại cũng được đo và thể hiện ở 
hình 6. Ta có thể thấy rằng, diện tích vùng phá hoại trong 
trường hợp mẫu ASFs gần bằng với mẫu TC và ít hơn các 
mẫu còn lại. Ngoài ra, số lượng các vết nứt quan sát được 
trong mẫu ASFs ít hơn nhiều so với tất cả các mẫu TC, BL 
và TĐ. Điều này có thể được lý giải bởi sự hiện diện của 
cốt sợi vô định hình trong hỗn hợp bê tông đã tạo ra hiệu 
ứng cầu nối (bridging effect) giữa các vết nứt xuất hiện 
khi bị phá hoại, và làm giảm số lượng các vết nứt lớn cũng 
như bề rộng khe nứt [17]. 
Kết luận và kiến nghị
Bài báo đã trình bày kết quả nghiên cứu bằng thực 
nghiệm để khảo sát tính hiệu quả của cốt sợi kim loại vô 
định hình khi trộn vào trong bê tông đến khả năng chống 
chọc thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép không dự ứng 
lực. Một số kết luận có thể rút ra từ kết quả thí nghiệm 
như sau:
- Các phương pháp kháng chọc thủng tại liên kết cột - 
sàn như sử dụng bulong chịu cắt, thép đai chịu cắt, cũng 
như sử dụng cốt sợi kim loại vô định hình trong hỗn hợp 
bê tông đều làm tăng khả năng kháng chọc thủng tại vị trí 
này.
- Mẫu thí nghiệm sử dụng cốt sợi kim loại vô định hình 
trong hỗn hợp bê tông có khả chịu tải trọng chọc thủng tại 
đầu cột lớn hơn 29% so với mẫu tiêu chuẩn, và lớn hơn so 
với các mẫu sử dụng các biện pháp gia cường khác. 
- Diện tích vùng phá hoại trong trường hợp mẫu sử 
dụng cốt sợi kim loại vô định ít hơn các mẫu còn lại. 
Ngoài ra, số lượng các vết nứt cũng như bề rộng khe nứt 
quan sát được trong mẫu ASF ít hơn nhiều so với các mẫu 
tiêu chuẩn, bu lông chịu cắt, thép đai chịu cắt.
Tài liệu Tham Khảo
[1] W.P. Graf, M. Mehrain (1992), “Analysis and testing of a flat slab 
concrete building”, Proceedings of Earthquake Engineering, 10th World 
Conference, Rotterdam, Netherlands, pp.3387-3392.
[2] D.S. Hatcher, M.A. Sozen, C.P. Siess (1969), “Test of a reinforced 
concrete flat slab”, Journal of the Structural Division (ASCE), 95(ST6), pp.1051-
1072.
[3] P.E. Regan (1981), Behavior of Reinforced Concrete Flat Slabs, 
Construction Industry Research and Information Association, London, UK, Report 
89, February, pp.1-89.
[4] S. Lips, M.F. Ruiz, A. Muttoni (2012), “Experimental investigation on 
punching shear strength and deformation capacity of shear-reinforced slabs”, 
ACI Structural Journal, 109(6), pp.889-900.
[5] C.B. Tan, S.C. Lee, S. Teng (2002), “Shear studs in slab-column 
connections with rectangular column”, Proceedings of the 27th Conference on 
Our World in Concrete and Structures, Singapore, pp.569-574. 
[6] M.R. Esfahani (2008), “Effect of cyclic loading on punching shear 
strength of slabs strengthened with carbon fiber polymer sheets”, International 
Journal of Civil Engineering, 6(3), pp.208-215.
[7] M.M.G. Inácio, A.P. Ramos, D.M.V. Faria (2012), “Strengthening of flat 
slabs with transverse reinforcement by introduction of steel bolts using different 
anchorage approaches”, Engineering Structures, 44, pp.63-77. 
[8] S. Altoubat, A. Yazdanbakhsh, K.A. Rieder (2009), “Shear behavior of 
macro-synthetic fiber-reinforced concrete beams without stirrups”, ACI Material 
Journal, 106(4), pp.381-389. 
[9] M.A. Tantary, A. Upadhyay, J. Prasad (2012), “Influence of steel fibers on 
the shear strength of concrete”, Journal of Engineering, Computer and Applied 
Sciences, 1(1), pp.88-92.
[10] Lê Khắc Hùng, Trương Hoài Chính (2011), “Sàn phẳng bê tông ứng lực 
trước căng sau thiết kế theo phương pháp khung tương đương và phương pháp 
phần tử hữu hạn”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, 4(45), 
tr.65-74. 
[11] Trương Hoài Chính, Võ Trang Thắng (2013), “Quá trình sử dụng kết cấu 
bê tông ứng lực trước tại Việt Nam và những bài học kinh nghiệm”, Tạp chí Khoa 
học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, 5(66), tr.7-14.
[12] Trương Hoài Chính (2016), “Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng 
- kích thước mũ cột đến sự làm việc và khả năng chịu lực của sàn phẳng bê 
tông ứng lực trước”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, 1(98), 
tr.15-20.
[13] H. Kim, G. Kim, J. Nam, J. Kim, S. Han, S. Lee (2015), “Static 
mechanical properties and impact resistance of amorphous metallic fiber-
reinforced concrete”, Composite Structures, 134, pp.831-844.
[14] N.H. Dinh, K.K. Choi, H.S. Kim (2016), “Mechanical Properties and 
Modeling of Amorphous Metallic Fiber-Reinforced Concrete in Compression”, 
International Journal of Concrete Structures and Materials, 10(2), pp.221-236.
[15] ASTM (2012b) C39/C39M-12a, Standard test method for compressive 
strength of cylindrical concrete specimens, American Society for Testing and 
Materials (ASTM), WestConshohocken, PA, USA.
[16] ASTM (2012b) E8/E8M-12a, Standard Test Methods for Tension Testing 
of Metallic Materials, American Society for Testing and Materials (ASTM), 
WestConshohocken, PA, USA.
[17] P.B. Sakthivel, A. Jagannathan, R. Padmanaban (2012), “Thin 
cementitious slabs reinforced with stainless steel fibers”, Journal of Mechanical 
and Civil Engineering, 4(2), pp.39-45.