Nghiên cứu ứng xử của dầm có vỏ thép liên hợp Nghiên cứu ứng xử của dầm có vỏ thép liên hợp Nghiên cứu ứng xử của dầm có vỏ thép liên hợp Nghiên cứu ứng xử của dầm có vỏ thép liên hợp Nghiên cứu ứng xử của dầm có vỏ thép liên hợp
MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục vi Danh sách hình ix Danh sách bảng xiii Danh sách chữ viết tắt kí hiệu viv Chương 1: Tổng quan 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Đặt vấn đề 1.1.2 Sự cần thiết đề tài 1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.3 Mục tiêu phạm vi nghiên cứu 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Tính đề tài 1.6 Nội dung nghiên cứu 1.6.1 Thực nghiệm 1.6.2 Giới hạn đề tài Chương 2: Cơ sở lý thuyết vi 2.1 Dầm có điểm uốn theo học vật rắn biến dạng 2.2 Ứng xử dầm bê tông cốt thép 13 2.3 Ứng xử dầm liên hợp 15 2.3.1 Dầm thép bê tông cốt thép 15 2.4 Về phương pháp mô 17 2.4.1 Định nghĩa 17 Chương 3: Nguyên vật liệu, tiến hành thí nghiệm, kết thảo luận 22 3.1 Sơ đồ thí nghiệm 22 3.2 Chế tạo mẫu thí nghiệm 22 3.2.1 Vật liệu bê tông 22 3.2.2 Vật liệu thép 23 3.2.3 Vật liệu thép 24 3.3 Thiết lập tiến hành thí nghiệm 24 3.4 Ứng xử uốn dầm thí nghiệm 26 3.5 Ảnh hưởng bề dày vỏ đến sức kháng uốn MOR 29 3.6 Ảnh hưởng mác bê tông đến độ nhạy kháng uốn MOR 30 3.7 Ứng xử nứt dầm bị phá hoại mẫu 31 Chương 4: Phân tích giải tích, so sánh thực nghiệm phân tích mơ phỏng, so sánh thực nghiệm 34 4.1 Phân tích lý thuyết 34 4.1.1 Mơ hình đề xuất vật liệu 34 4.1.2 Cơ sở phân tích 34 4.1.3 Kết phân tích 37 4.2 So sánh kết phân tích lý thuyết thực nghiệm 39 4.3 Dự báo sức kháng uốn dầm vỏ thép kích thước lớn 41 4.4 Thiết lập mô sở phần mềm ABAQUS 42 4.4.1 Giới thiệu tổng quan phần mềm Abaqus 42 4.4.2 Mục đích việc mô 42 4.4.3 Các bước xây dựng cấu kiện 43 vii 4.4.4 Định nghĩa vật liệu thuộc tính mặt cắt 52 4.4.5 Định nghĩa lắp ghép cấu kiện 56 4.4.6 Thiết lập bước phân tích 59 4.4.7 Định nghĩa ràng buộc 60 4.4.8 Định nghĩa tải trọng điều kiện biên 65 4.4.9 Phân chia lưới cho cấu kiện 66 4.4.10 Công tác phân tích cấu kiện 68 4.2 So sánh kết phân tích mô thực nghiệm 69 Chương 5: Kết luận kiến nghị hướng nghiên cứu: 73 5.1 Kết luận kiến nghị 73 5.2 Hướng nghiên cứu 73 Tài liệu kham khảo 74 viii DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Các loại hình kêt cấu liên hợp Hình 1.2: Kết cấu liên hợp sử dụng cho cơng trình cầu Hình 1.3: Kết cấu liên hợp sử dụng cho cơng trình dân dụng Hình 1.4: Mặt cắt kết cấu dầm, cột thép liên hợp bê tơng Hình 1.5: Cấu tạo dầm Hình 2.1: Sơ đồ uốn điểm đàn hồi Hình 2.2: Độ cong dầm chịu uốn Hình 2.3: Sơ đồ tải biểu đồ nội lực 10 Hình 2.4 Các vết nứt, độ biến dạng ứng suất dầm thử nghiệm 14 Hình 2.5: Biểu đồ độ cong – mô men với dầm thử nghiệm 15 Hình 2.6: Dầm thép liên hợp sàn bê tơng 17 Hình 3.1: Sơ đồ thí nghiệm 22 Hình 3.2: Chế tạo mẫu thiết lập thí nghiệm uốn dầm 26 Hình 3.3: Ứng xử uốn dầm 27 Hình 3.4: So sánh sức kháng uốn dầm với bề dày vỏ khác cho bê 28 tơng M300 bê tơng M200 Hình 3.5: Ảnh hưởng bề dày vỏ đến sức kháng uốn dầm 30 MOR Hình 3.6: Ảnh hưởng mác bê tông đến độ nhạy tăng kháng uốn 30 Hình 3.7: Ảnh chụp mẫu bị phá hoại 33 ix Hình 4.1: Mơ hình hóa quan hệ ứng suất – biến dạng dọc trục bê 35 tông thép Hình 4.2: Phân bố ứng suất, biến dạng tiết diện có vỏ thép liên hợp 36 tồn phần Hình 4.3: Điều kiện biến dạng kéo thép 36 Hình 4.4: Giao diện Abaqus/Cae 43 Hình 45: Cửa sổ Create Part Abaquscted 44 Hình 4.6: Mơ hình hình học hai chiều cấu kiện bê tơng 45 Hình 4.7: Kích thước mơ hình hình học hai chiều cấu kiện bê tơng 45 Hình 4.8: Cửa sổ Edit Base Extrusion 45 Hình 4.9: Mơ hình ba chiều cấu kiện dầm bê tơng 46 Hình 4.10: Cửa sổ Create Part Abaquscted 47 Hình 4.11: Mơ hình hình học hai chiều cấu kiện bê tơng 47 Hình 4.12: Kích thước mơ hình hình học hai chiều cấu kiện bê tơng 48 Hình 4.13: Cửa sổ Edit Base Extrusion 48 Hình 4.14: Mơ hình ba chiều vỏ thép thành 48 Hình 4.15: Cửa sổ Create Part Abaquscted 49 Hình 4.16: Mơ hình hai chiều cấu kiện cốt thép đai 49 Hình 4.17: Mơ hình ba chiều cấu kiện cốt thép đai 50 Hình 4.18: Mơ hình hai chiều cấu kiện cốt thép dọc 50 Hình 4.19: Mơ hình ba chiều cấu kiện cốt thép dọc 51 Hình 4.20: Mơ hình hai chiều cấu kiện cốt thép neo 51 Hình 4.21: Mơ hình ba chiều cấu kiện cốt thép neo 51 x Hình 4.22: Xác định thông số vật liệu bê tông 53 Hình 4.23: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt bê tơng 54 Hình 4.24: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cốt thép 55 Hình 4.25: Lựa chọn đối tượng gán mặt cắt 55 Hình 4.26: Cửa sổ Edit Section Assignment 55 Hình 4.27 Cửa sổ Create Instance 56 Hình 4.28: Cửa sổ Display Options 57 Hình 4.29: Cốt thép dầm 57 Hình 4.30: Hệ thống cốt thép dầm 58 Hình 4.31: Hồn thành việc lắp ghép đối tượng 58 Hình 4.32: Dầm bê tơng vỏ thép sau chia khối đối tượng 59 Hình 4.33: Cửa sổ Create Step thiết lập bước phân tích 59 Hình 4.34: Cửa sổ Edit Step 60 Hình 4.35: Cốt thép bê tơng ràng buộc 60 Hình 4.36: Điểm đặt lực dầm bê tông ràng buộc 61 Hình 4.37: Gối dầm bê tơng ràng buộc 61 Hình 4.38: Cửa sổ Create Interaction 62 Hình 4.39: Cửa sổ lựa chọn mặt tiếp xúc 62 Hình 4.40: Cửa sổ Create Interaction Property 63 Hình 4.41: Cửa sổ Edit Contact Property 64 Hình 4.42: Liên kết vỏ thép bê tơng 65 Hình 4.43: Cửa sổ Edit Boundary Condition 66 Hình 4.44: Cửa sổ Global Seeds 67 xi Hình 4.45: Phân chia biên 67 Hình 4.46: Thơng báo chia lưới dầm 67 Hình 4.47: Mạng lưới phần tử hữu hạn dầm bê tơng 68 Hình 4.48: Cửa sổ Create Job 68 Hình 4.49: Cửa sổ Edit Job 68 Hình 4.50: Cửa sổ Job Manager 69 Hình 4.51: Hình ảnh mơ dầm bê tơng có vỏ thép 69 Hình 4.52: So sánh ứng xử uốn điển hình dầm từ thực nghiệm 70 mơ Hình 4.53: So sánh sức kháng uốn điển hình từ thực nghiệm mô cho dầm M300 M200 xii 71 DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1: Thơng số mơ hình phá hoại dẻo 20 Bảng 3.1: Cấp phối sử dụng chế tạo bê tông 23 Bảng 3.2: Thông số đặc trưng cốt thép 23 Bảng 3.3: Tính chất học thép 24 Bảng 3.4: Khả kháng uốn mẫu giới hạn đàn hồi (LOP) 28 Bảng 3.5: Khả kháng uốn mẫu đỉnh đường cong (MOR) 29 Bảng 4.1: Cơng thức tính khả chịu uốn Mn vị trí trục trung hịa c 37 Bảng 4.2: So sánh sức kháng mô men lý thuyết thực nghiệm 41 Bảng 4.3: Sức kháng mô men dầm kích thước lớn tính theo lý thuyết 42 Bảng 4.4: So sánh sức kháng mô men mô thực nghiệm 71 xiii DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Chữ viết tắt BTCT Bê tông cốt thép M300 Mác bê tông 300 M200 Mác bê tông 200 MOR Modulus of rupture (điểm phá hoại) LOP Limit of proportionality (điểm giới hạn đàn hồi) FRP Fiber reinforced polymer CAE Computer aided design (Thiết kế hỗ trợ nhờ máy tính) FEA Finite element analysis (Phân tích phần tử hữu hạn) ABAQUS Chương trình phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến công ty Simulink phát triển Ký hiệu Rn Cường độ chịu nén mẫu hình lập phương (150x150x150mm) 28 ngày tuổi f ’c Cường độ chịu nén mẫu hình lăng trụ (150x300mm) 28 ngày tuổi quy đổi theo mẫu lập phương Es Mơ đun đàn hồi thép As Diện tích thép chịu kéo A’s Diện tích thép chịu nén f 1y Cường độ chảy thép chịu kéo f 2y Cường độ chảy thép làm vỏ d’ Khoảng cách từ thớ nén đến tâm thép chịu kéo yT i Khoảng cách từ trục trung hòa tới lực kéo tương đương Ti y i C Khoảng cách từ trục trung hòa tới lực nén tương đương Ci Độ cong dầm Mn Mô men danh định e cu Biến dạng đỉnh dầm xiv Chương 1: Tổng quan 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Đặt vấn đề Trong thập niên gần đây, với phát triển ngành công nghiệp xây dựng, việc phát triển kết cấu cho đảm bảo tính thẩm mỹ bền vững cơng trình cần thiết Theo đó, ngành xây dựng cịn đặt nhiều điều kiện cụ thể như: chất lượng tốt, biện pháp thi công thuận lợi, thỏa mãn nhu cầu sử dụng đồng thời kết cấu tạo có hình dáng mảnh Để đáp ứng nhu cầu trên, việc nghiên cứu chế tạo loại kết cấu liên hợp vỏ thép – lõi bê tơng hồn tồn phù hợp với tình hình thực tiễn Giải pháp nghiên cứu tận dụng ưu điểm riêng đặc trưng lý vật liệu thép bê tông để tạo kết cấu liên hợp có khả chịu lực lớn, độ tin cậy cao Hiện loại kết cấu dầm bê tơng liên hợp vỏ thép kín mặt sử dụng nhiều công trình cầu Tiếp nối loại kết cấu này, kết cấu dầm liên hợp mặt kín - mặt hở dễ thi công liên hợp với bê tông cốt thép thuận tiện hơn, cần nghiên cứu 1.1.2 Sự cần thiết đề tài Đề tài mở hướng phát triển loại dầm liên hợp có số ưu điểm so với kết cấu dầm truyền thống Sản phẩm tạo đáp ứng công nhu cầu sử dụng cơng trình 1.2 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước - Hiện tình hình nghiên cứu loại dầm minh họa Hình 1.1b, có vỏ thép liên hợp (3 mặt kín, mặt hở) nước ngồi thơng tin Loại kết cấu vỏ thép kín lịng nhồi bê tơng ghi nhận qua báo sau: + Shun-ichi Nakamura Hiromitsu Morishita [1] nghiên cứu dầm liên hợp tiết diện chữ nhật hộp thép lịng nhồi bê tơng cho hai trường hợp phân chiều cao đầy chiều cao hộp thép Tác giả nhận thấy cường độ kháng uốn Hình 4.53 So sánh sức kháng uốn điển hình từ thực nghiệm mơ cho dầm M300 M200 (a) Khả chịu mô men dầm M300-M200 có vỏ thép 2,0 mm (b) Khả chịu biến dạng dầm M300-M200 có vỏ thép 2,0 mm Bảng 4.4 So sánh sức kháng mô men thực nghiệm mô Loại mẫu Mô men MOR Mô men MOR mô Sai lệch thực thực nghiệm (kN.m) (kN.m) nghiệm – mô M300-1,2 22,73 23,71 4,30% M300-2,0 32,47 29,77 8,32% M200-1,2 19,08 21,52 12,8% M200-2,0 29,53 28,11 5,86% Nhận xét: Theo Bảng 4.4 sức kháng mơ men thực nghiệm mơ có khác biệt cụ thể sau: + Đối với dầm M300: 4,30% (vỏ 1,2mm) + Đối với dầm M300: 8,32% (vỏ 2,0mm) + Đối với dầm M200: 12,80% (vỏ 1,2mm) + Đối với dầm M200: 5,86% (vỏ 2,0mm) 71 Kết luận: Theo kết so sánh trên, tác giả nhận thấy kết mô khác biệt khơng nhiều so với kết thí nghiệm với sai lệch tối đa 13% Sai số chấp nhận kết mơ thiên an tồn Do đó, kết mơ đáng tin cậy, sử dụng 72 Chương 5: Kết luận kiến nghị hướng nghiên cứu 5.1 Kết luận kiến nghị Từ kết thu trên, nghiên cứu luận văn rút kết luận sau: 1) Khả kháng mô men dầm tăng lên cao bề dày vỏ thép tăng lên sau: Đối với bê tông M300, sức kháng mô men dầm thực nghiệm tăng 2,18 lần 3,07 lần so sánh dầm có vỏ thép dày 1,2mm 2,0mm với dầm không vỏ Đối với bê tông M200, sức kháng mô men dầm thực nghiệm tăng 2,51 lần 3,89 lần so sánh dầm có vỏ thép dày 1,2mm 2,0mm với dầm không vỏ 2) Biến dạng võng dầm ghi nhận giảm có vỏ thép nhờ độ cứng dầm tăng lên 3) Sai số sức kháng mô men theo thực nghiệm tính tốn lý thuyết 1-14%, sai khác liên hợp dầm – vỏ chưa toàn phần giả thiết Sai số thực nghiệm mô dao động từ 1-13% 5.2 Hướng nghiên cứu Để có sở đánh giá đầy đủ yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến dầm cho giai đoạn phá hoại dẻo, nghiên cứu xem xét tăng cường thép neo liên kết vỏ thép dầm bê tơng xem tồn phần tiếp tục xem xét quy luật phân bố hướng phát triển vết nứt nghiên cứu kết cấu dầm kích thước lớn 73 Tài liệu tham khảo [1] Shun-ichi Nakamura, Hiromitsu Morishita Bending strength of concrete-filled narrow-width steel box girder Journal of Constructional Steel Research, Volume 64, Issue 1, January 2008, Papes 128-133 [2] Lin-Hai-Han, Wei Li, Reidar Bjorhovde Developments and advanced applications of concrete-filled steel tubular (CFST) structures: Members Journal of Constructional Steel Research, Volume 100, September 2014, Papes 211-228 [3] M Jonhansson Composite action and Confinement Effects in Turbular SteelConcrete Columns, PhD thesis, University of Technology Goteburg, Sweden, 2002 [4] Mohammad H Shams Non – Linear Evaluation of Concrete – Steel Turbular Columns, PhD thesis, New Jersey Institute of Technology, United States, 1997 [5] J Zeghiche and K Chaoui An Experimental behaviour of Concrente – filled steel Tubular Columns, Journal of Contructional Steel Research, 61 (2005) 53 – 66 [6] Lin Hai Han Flexural Behaviour of Concrete – Felled Steel Tube , Journal of Contructional Steel Research, 60 (2004) 313–337 [7] Nguyễn Văn Chúng, Bùi Công Thành Phân tích dầm thép – Bê tơng liên hợp có xét đến tương tác khơng tồn phần liên kết chịu cắt phương pháp ma trận độ cứng trực tiếp Tạp chí phát triển Khoa học Cơng nghệ “Đại học Quốc Gia – TPHCM), tập 10, số 11 2007 [8] Phạm Anh Tuấn Nghiên cứu, ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tơng Tạp chí Khoa học công nghệ, Nông nghiệp phát triển nông thôn – kỳ + – tháng 2/2007 [9] TS Đinh Văn Thuật, PGS.TS Phạm Văn Hội Giải pháp kết cấu liên hợp thép bê tông cho nhà nhiều tầng Việt Nam Internet: http://www.ketcausoft.com/ forum/attachment.php?aid=744, 22/7/2017 [10] PGS-TS Nguyễn Viết Trung Thiết kế kết cấu Bê tông cốt thép đại theo Tiêu chuẩn ACI NXB Giao thông Vận tải, 2000 74 [11] TCVN 5574:2012, Tiêu chuẩn thiết kế bê tông bê tông cốt thép, Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng – Bộ Xây dựng biên soạn (2012) [12] H Ju, D.H Lee, H.C Cho, K.S Kim, S Yoon and S.Y Seo Application of Hydrophilic Silanol-Based Chemical Grout for Strengthening Damaged Reinforced Concrete Flexural Members Materials 2014, 7, 4823-4844; doi:10.3390/ma7064823 (2014) [13] PGS-TS Trần Mạnh Tn Tính tốn kết cấu Bê tông cốt thép theo Tiêu chuẩn ACI 318-2002 NXB Xây dựng, 2012 [14] ACI 318-14, Building code requirements for structural concrete, 2014 [15] M Jonhansson Composite action and Confinement Effects in Turbular SteelConcrete Columns, PhD thesis, University of Technology Goteburg, Swede, 2002 [16] J Zeghiche and K Chaoui An Experimental behaviour of Concrente – filled steel Tubular Columns, Journal of Contructional Steel Research, 61 (2005) 53 – 66 [17] Lin Hai Han Flexural Behaviour of Concrete – Felled Steel Tube , Journal of Contructional Steel Research, 60 (2004) 313–337 [18] Wahalathantri, Thambiratnam, Chan, Fawzia A material model for flexural crack simulation in reinforced concrete elements using Abaqus The First International Conference on Engineering, Designing and Developing the Built Envirronment for Sustainable Wellbeing, 2011, pp 260-264 [19] Original author(s) Dassault Systemes, Developer(s) ABAQUS Inc 75 Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, Hà Nội, 8-9/12/2017 Tập Cơ học Vật rắn biến dạng Ứng xử dầm bê tông vỏ thép liên hợp Nguyễn Duy Liêm1,*, Nguyễn Đức Hòa1 Khoa Xây dựng - Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM *Email: liemnd@hcmute.edu.vn Tóm tắt Ứng xử dầm bê tơng cốt thép có vỏ thép liên hợp phân tích nghiên cứu thực nghiệm uốn điểm Kết cho thấy khả kháng mô men dầm tăng lên đáng kể (2-3 lần) so với trường hợp không vỏ, biến dạng võng ứng với mơ men lớn lại giảm nhờ độ cứng dầm tăng lên Quan sát dầm trình gia tải nhận thấy vỏ dầm hai thành bên có xu hướng bị phá hoại trước cong vênh Cơng thức tính tốn dự báo sức chịu tải dầm có vỏ hở liên hợp phân tích, thiết lập Từ khóa: dầm liên hợp, dầm vỏ thép, khả chịu uốn, độ võng Giới thiệu chung Kết cấu liên hợp vỏ thép kín lịng nhồi bê tơng nhiều nhà nghiên cứu thực [1,2,3,4] Tại Việt Nam, kết cấu ống thép lịng nhồi bê tơng sử dụng nhiều kết cấu cầu cầu Ông Lớn, Xóm Củi, Cần Giuộc đường Nguyễn Văn Linh – Tp Hồ Chí Minh, cầu Đơng Trù QL5- Hà Nội Trên sở kết cấu này, tác giả tiến hành nghiên cứu ứng xử dầm giản đơn bê tơng cốt thép (BTCT) có vỏ thép liên hợp khơng kín sau: mặt đáy mặt bên liên hợp bê tông, mặt hở để lắp đặt cốt thép đổ bê tông Ý tưởng phát triển kết cấu tận dụng vỏ thép vừa làm ván khuôn, vừa tăng khả kháng uốn dầm nhờ kết cấu trở nên mảnh tạo hiệu kiến trúc cao Hiện nay, thông tin ứng xử loại dầm liên hợp cịn ít, việc nghiên cứu ứng xử kết cấu cần thiết Phân tích lý thuyết 2.1 Mơ hình đề xuất vật liệu Mơ hình vật liệu bê tơng thường thể Hình (a) Hình (b) cung cấp quan hệ ứng suất – biến dạng tải trọng dọc trục vật liệu bê tông thép Tùy vào cấu tạo mối liên kết hai vật liệu bê tông thường – vỏ thép, tải trọng phân bố lên mặt cắt ngang khác [5] Trong nghiên cứu này, dầm bố trí neo để hai vật liệu vỏ thép – ruột bê tơng xem liên hợp tồn phần, xem mơ tả Hình (a) (b) 2.2 Cơ sở phân tích Khi phân tích dầm, số giả thuyết áp dụng: Bê tông thường thép vật liệu đồng đẳng hướng; Mặt cắt dầm phẳng trước uốn; Độ biến dạng cốt thép thanh, vỏ thép độ biến dạng bê tông; Khả chịu kéo bê tông thường nhỏ so với thép nên bỏ qua Xét dầm giản đơn chịu mơ men dương có tiết diện chữ nhật với chiều cao h , bề rộng b thép chịu kéo Hình thể phân bố biến dạng ứng suất vật liệu theo chiều cao dầm Vị trí trục trung hịa xác định công thức c = kh , độ cong dầm ( ) khả chịu mô men danh định ( M n ) rút từ phương trình cân tĩnh học lực mô men mặt cắt ngang sau (công thức 1-3): C = T i i (1) Nguyễn Duy Liêm Nguyễn Đức Hòa M n = Ti yTi Ci yCi (2) = e ts / ( d c ) = e cu / c = 0.003 / c (3) Trong yT i , yC i khoảng cách từ trục trung hòa tới lực kéo tương đương Ti lực nén tương đương Ci ; độ cong tương ứng với mô men M n , dầm e cu biến dạng đỉnh Khi biến dạng nén đạt đến giới hạn 0.003, biến dạng cốt thép chịu kéo xảy trường hợp mô tả Hình sau (ACI 318-02 [6]): Mặt cắt kiểm soát nén: biến dạng thép chịu kéo nhỏ dầm phá hủy ( e ts ≤0.002) Mặt cắt chuyển tiếp: biến dạng thép chịu kéo mức vừa phải dầm phá hủy (0.002< e ts