Đánh giá ứng xử cơ học của liên kết kháng cắt dạng perfobond luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA LIÊN KẾT KHÁNG CẮT DẠNG PERFOBOND LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG Đồng Nai, 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA LIÊN KẾT KHÁNG CẮT DẠNG PERFOBOND Chuyên ngành Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số ngành 8580201 Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Đồng Nai, 2020 i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến người hướng dẫn luận văn này, Thầy TS Với tận tụy nhiệt tình, Thầy giúp phát triển ý tưởng, định hướng đề tài, hướng dẫn chi tiết giúp đỡ việc tìm tài liệu cần thiết Luận văn hoàn thành với nỗ lực thân với khơng giúp đỡ từ gia đình, bạn bè cá nhân khác Tôi xin chân thành cảm ơn Anh (Chị) khóa trước, luận văn mà Anh (Chị) để lại nguồn tài liệu tham khảo quý giá, định hướng cho Tôi thực luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình người thân, họ dành cho ủng hộ định Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Sau đại học, Trường Đại học Lạc Hồng truyền đạt kiến thức quý giá cho tôi; Luận văn hoàn thành thời hạn với nỗ lực thân, tránh khỏi thiếu sót Kính mong q Thầy Cơ dẫn thêm để tơi bổ sung kiến thức hồn thiện thân Tơi xin trân trọng cảm ơn! Đồng Nai, ngày tháng Tác giả năm 2020 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài “Đánh giá ứng xử học liên kết kháng cắt dạng Perfobond” cơng trình tơi thực hướng dẫn thầy TS Lê Văn Phước Nhân Các kết Luận văn thực xác, nhận xét khách quan Tôi xin chịu trách nhiệm cơng việc thực Đồng Nai, ngày tháng năm Tác giả 2020 iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Hiện công nghệ xây dựng phát triển nhanh chóng, nhiều loại kết cấu có tính ưu việt nghiên cứu ứng dụng nhiều cơng trình xây dựng Trong có kết cấu liên hợp thép – bê tông cốt thép Nghiên cứu sức kháng cắt dầm liên hợp sử dụng liên kết kháng cắt perfobond tiến hành rộng rãi Quá trình làm việc mẫu bê tơng cốt thép sử dụng liên kết chốt, thép góc, thép chữ U, perfobond dạng kín số tác giả thực Tuy nhiên mẫu bê tông cốt thép sử dụng liên kết kháng cắt dạng perfobond có dạng chữ Ω chưa quan tâm nhiều Để có nhìn tổng quan ứng xử kháng cắt dạng liên kết này, sử dụng phần mềm Ansys để tính tốn mơ mẫu thí nghiệm sử dụng liên kết kháng cắt dạng perfobond với kích thước thực, mẫu có khác biệt cấp độ bền bêtơng, hàm lượng cốt thép bố trí liên kết nhằm khảo sát ảnh hưởng yếu tố đến ứng xử loại liên kết Nghiên cứu ứng xử mẫu liên hợp thông qua đại lượng khả chịu tải, trượt tương đối mặt tiếp xúc bêtông dầm thép hình, biến dạng bêtơng thép hình, biến dạng thép làm liên kết perfobond Mặt khác, để đánh giá khả ứng dụng phương pháp mô cho việc nghiên cứu ứng xử liên kết kháng cắt dạng perfobond, kết mô so sánh với kết thực nghiệm tiến hành phịng thí nghiệm nghiên cứu trước Từ khóa Kết cấu liên hợp, liên kết perfobond iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN .ii TÓM TẮT LUẬN VĂN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii CHƯƠNG GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Phương pháp thực 1.5 Ý nghĩa thực tiễn ý nghĩa khoa học đề tài 1.6 Cấu trúc luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu kết cấu liên hợp bê tông- thép 2.2 Sơ lược liên kết chống cắt kết cấu bê tông- thép liên hợp 2.3 Một số nghiên cứu vật liệu liên hợp bê tông- thép 2.4 Trình tự thiết kế dầm theo Eurocode 2.5 Kết luận chương 36 CHƯƠNG MÔ PHỎNG PHẦN TỬ HỮU HẠN 37 3.1 Giới thiệu 37 3.2 Ví dụ số 38 3.2.1 Mơ hình mẫu tính tốn mơ 38 3.2.2 Vật liệu 39 3.2.3 Chương trình mơ kiểm chứng 40 3.3 Các trường hợp khác 49 3.3.1 Mơ hình tính tốn mơ 49 3.3.2 Mô hình vật liệu 50 3.3.2.1 Thép hình, thép liên kết cốt thép 51 v 3.3.2.2 Bê tông 53 3.3.3 Mô phần tử hữu hạn cho mẫu Push – out 56 3.3.3.1 Thông số đầu vào chia lưới mơ hình 56 3.3.3.2 Điều kiện tiếp xúc 58 3.3.3.3 Điều kiện biên tải trọng 59 3.3.3.4 Kết phân tích phần tử hữu hạn 60 CHƯƠNG KẾT LUẬN 65 4.1 Kết luận 65 4.2 Hướng phát triển đề tài 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Các dạng kết cấu liên hợp thép – bê tơng cốt thép ………………… Hình Ứng dụng kết cấu liên hợp bê tông thép ……………………… Hình 2.2 Biểu đồ ứng suất – biến dạng ……………………………………… Hình Biểu đồ đánh giá độ mềm liên kết……………………………… Hình Thi công liên kết thép C T ………………………………… Hình Chiều rộng hiệu dụng đan tương ứng với dầm………… 10 Hình Mơ hình mẫu thí nghiệm Push - out ……………………………… 38 Hình Đường cong quan hệ ứng suất biến dạng kéo cốt thép…… 40 Hình 3 Chi tiết liên kết perfobond ………………………………………… 40 Hình Liên kết perfobond thép hình I ……………………………… 40 Hình Mơ hình phần mềm Ansys……………………………………….41 Hình Lưới mơ hình………………………………………………………… 42 Hình Tiếp xúc dính chặt bê tơng chân đế……………………… 42 Hình Tiếp xúc ma sát cốt thép, liên kết perfobond với bê tơng…… 43 Hình Điều kiện biên………………………………………………………… 43 Hình 10 Áp đặt chuyển vị cưỡng lên thép hình I………………………… 44 Hình 11 Quan hệ lực độ trượt tương đối bê tông thép chữ I nghiên cứu tác giả Đinh Thái Hịa……………………………………… 44 Hình 12 Chuyển vị mẫu……………………………………………………45 Hình 13 Chuyển vị cốt thép mẫu…………………………………… 45 Hình 14 Kết lực – chuyển vị mô phỏng…………………………… 46 Hình 15 Kết so sánh thực nghiệm mơ cho mẫu N1……… 47 Hình 16 Vết nứt dọc bê tơng……………………………………………… 47 Hình 17 Hình dạng phá hoại mẫu kết thúc thí nghiệm……………… 48 Hình 18 Hình dạng phá hoại mẫu kết thúc thí nghiệm……………… 48 Hình 19 Sự phân bố biến dạng gia tải phần mềm Ansys…………….49 Hình 20 Mơ hình 3D………………………………………………………… 50 Hình 21 Số lượng thép lỗ liên kết…………………………….50 Hình 22 Ảnh hưởng hàm lượng Cacbon đến tính thép ……… 51 vii Hình 23 Quan hệ ứng suất – biến dạng vật liệu thép………………… 52 Hình 24 Phần tử SOLID185 Ansys ………………………………… 52 Hình 25 Phần tử SOLID65 Ansys …………………………………… 54 Hình 26 Ứng xử bê tông tác dụng tải trọng nén …………… 54 Hình 27 Ứng xử bê tông tác dụng tải trọng kéo …………… 55 Hình 28 Mặt chảy dẻo ứng suất phẳng ……………………………… 55 Hình 29 Chia lưới cho mơ hình……………………………………………… 57 Hình 30 Chia lưới cho thép hình cốt thép………………………………… 57 Hình 31 Tiếp xúc má sát thép hình, thép liên kết bê tơng…………… 58 Hình 32 Tiếp xúc ma sát cốt thép bê tơng…………………………… 59 Hình 33 Điều kiện biên……………………………………………………… 60 Hình 35 Chuyển vị theo phương thẳng đứng………………………………… 61 Hình 36 Kết so sánh thực nghiệm trường hợp khảo sát thêm…… 62 Hình 37 Phân bố ứng suất…………………………………………………… 63 Hình 38 Phân bố biến dạng…………………………………………………… 64 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Bản cánh dầm thép chịu nén không giữ ổn định đan .12 Bảng 2 Tỉ lệ phần trăm lớn phân phối lại mômen gối 25 Bảng Chiều cao lớn dầm thép h(mm) tiết diện dầm thép không bọc bê tông 28 Bảng Ứng suất cho phép lớn cốt thép .35 Bảng Kết thí nghiệm cường độ bê tông 39 Bảng Kết thí nghiệm cường độ thép 39 Bảng Thông số vật liệu .56 53 3.3.2.2 Bê tông Các cấu kiện bê tông cốt thép tồn cơng trình xây dựng hình thức làm việc khác Hiểu biết rõ ứng xử chúng suốt trình chịu tải điều cần thiết có thiết kế để kết cấu làm việc hiệu an toàn Nhiều phương pháp sử dụng để nghiên cứu ứng xử kết cấu BTCT, phương pháp thí nghiệm cho biết ứng xử thực kết cấu lại tốn thời gian kinh phí Những năm gần việc sử dụng phần tử hữu hạn (PTHH) kỹ thuật xây dựng trở nên phổ biến phát triển không ngừng công nghệ máy tính, mà chương trình tính tốn ANSYS lựa chọn tốt để phân tích ứng xử kết cấu nói chung BTCT nói riêng Tuy nhiên, ứng xử không đàn hồi kết cấu BTCT phức tạp thuộc tính phi tuyến nứt nén vỡ bê tông, mà cần nổ lực đáng kể để ứng xử bê tơng mơ xác đặc biệt giai đoạn sau nứt Thực tế cần kết hợp mà mô PTHH thường thực trước kết thí nghiệm dùng để kiểm tra hiệu chỉnh Ứng xử không đàn hồi kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) phức tạp thuộc tính phi tuyến nứt nén vỡ bê tông kết hợp với tính chất đàn hồi-dẻo cốt thép Mơ cách xác ứng xử kết cấu bê tơng giai đoạn sau nứt thử thách lớn nhà nghiên cứu kỹ sư thiết kế Trong luận văn này, phân tích phần tử hữu hạn chương trình tính tốn ANSYS thực nhằm mô ứng xử phi tuyến dầm cột BTCT, phần tử SOLID65 (hình 3.25) dùng để mơ vật liệu bê tơng Sự hình thành phát triển nứt bê tông, quan hệ (P-∆) tải trọng tác dụng chuyển vị dầm/cột khảo sát phân tích 54 Hình 25 Phần tử SOLID65 Ansys [9]  Ứng xử kéo nén trục bê tông Quan hệ ứng suất – biến dạng bê tông tác dụng tải trọng kéo, nén phải xác định hình 3.26 hình 3.27 Với E0 module đàn hồi bê tông chưa phá hoại, quan hệ xác định sau Trong dt dc Hai biến số phá hoại kéo nén εt~pl εc~pl Hai biến dạng dẻo đường đương kéo nén Hình 26 Ứng xử bê tông tác dụng tải trọng nén [9] Quan hệ ứng suất – biến dạng nén (hình 3.26) chia thành ba giai đoạn 55 (1) đàn hồi tuyến tính σc < σc0, (2) trước phá hoại σc0 < σc < σcu sau phá hoại Quan hệ ứng suất – biến dạng kéo (hình 3.10) chia làm hai giai đoạn (1) đàn hồi tuyến tính ứng suất phá hoại σt0 (2) vùng phá hoại kéo Để xác định vùng phá hoại, hai biến số phá hoại nén dc kéo dt xác định cơng thức sau Trong bc bt thơng số phá hoại Hình 27 Ứng xử bê tông tác dụng tải trọng kéo [9]  Phá hoại dẻo bê tông Tiêu chuẩn phá hoại dẻo Lubliner et al (1989) đề xuất sau Lee & Fenves (1998) cải tiến nhằm xét đến khả bị phá hoại điều kiện ứng suất khác hình 3.28 Hình 28 Mặt chảy dẻo ứng suất phẳng [9] 56 3.3.3 Mô phần tử hữu hạn cho mẫu Push – out Như giới thiệu phần trước, phần tiến hành khảo sát khả chịu lực mẫu có thép lỗ lỗ cịn lại khơng có cốt thép 3.3.3.1 Thông số đầu vào chia lưới mơ hình Bảng Thơng số vật liệu Vật liệu Đặc trưng - Module đàn hồi E = 32500 MPa Bê tông - Hệ số Poisson ʋ = 0.2 - Cường độ chịu nén Bc = 17.0 MPa - Cường độ chịu kéo Bt = 1.2 MPa - Module đàn hồi E = 200000 MPa Thép chữ I - Hệ số Poisson ʋ = 0.3 - Giới hạn chảy dẻo fy = 230 MPa - Độ bền kéo đứt fu = 340 MPa - Module đàn hồi E = 200000 MPa Thép liên kết - Hệ số Poisson ʋ = 0.3 - Giới hạn chảy dẻo fy = 230 MPa - Độ bền kéo đứt fu = 340 MPa - Module đàn hồi E = 200000 MPa Thép xây dựng - Hệ số Poisson ʋ = 0.3 - Giới hạn chảy dẻo fy = 230 MPa - Độ bền kéo đứt fu = 340 MPa Việc chia lưới tính tồn PTHH quan trọng, ảnh hưởng đến khả hội tụ kết tính tốn Nếu mơ hình đơn giản nên chia lưới mịn phần tử có hình dạng vng vắn, cịn mơ hình phức tạp nên chia lưới vừa phải (hình 3.29) Ở mơ hình có 31868 nút 10271 phần tử 57 Hình 29 Chia lưới cho mơ hình Hình 30 Chia lưới cho thép hình cốt thép 58 3.3.3.2 Điều kiện tiếp xúc Đây yếu tố quan trọng tính tốn mơ phỏng; bên ngồi thực tế, vạn vật chạm với có tiếp xúc tương tác lẫn Tại đây, tiếp xúc ma sát khai báo bề mặt chung sau • Giữa thép hình, thép liên kết bê tơng Theo hình 3.31, q trình chịu tải trọng từ xuống, lực ma sát sinh tạo lực cản trở ngược lại, không cho thép hình thép liên kết Điều gây ứng suất, đạt đến giá trị tới hạn gây nứt bê tơng; tiếp xúc ma sát cần thiết khai báo Hình 31 Tiếp xúc má sát thép hình, thép liên kết bê tơng 59 • Giữa cốt thép bê tơng Tương tự trên, hình 3.28 thể tiếp xúc ma sát phải báo Hình 32 Tiếp xúc ma sát cốt thép bê tông 3.3.3.3 Điều kiện biên tải trọng Bản đáy đế ngàm chặt; khống chế sáu bậc tự UX, UY, UZ, ROTX, ROTY ROTZ (hình 3.33) Sau đó, hình 3.34 tiến hành áp đặt chuyển vị cưỡng xuống theo chiều thẳng đứng 6mm 60 Hình 33 Điều kiện biên Hình 34 Tải trọng cưỡng 3.3.3.4 Kết phân tích phần tử hữu hạn Quá trình phân tích mẫu thí nghiệm nhỏ quan trọng, giúp tiết kiệm thời gian, chi phí có liệu cần thiết để phân tích mẫu lớn hớn, hoạt động điều kiện khác Tuy nhiên, để tránh sai sót dẫn tới sai số cơng việc phân tích thí nghiệm phần mềm dựa tảng 61 phương pháp PTHH cần thiết Q trình phân tích đề cập đến ba vấn đề sau  Chuyển vị mẫu theo phương thẳng đứng  Ứng suất phân bố mẫu  Biến dạng phân bố mẫu a) Chuyển vị theo phương thẳng đứng Thông qua chuyển vị thẳng đứng, trình làm việc cốt thép thép liên kết với bê tông thể rõ Sau kết phân tích chi tiết Hình 35 Chuyển vị theo phương thẳng đứng Khi chịu lực hướng xuống, dầm thép hình có xu hướng xuống phía bị bê tơng cản lại; hình 3.35 cho thấy thép liên kết bị kéo dãn lên phía cốt thép bị liên kết kéo cong theo phương ngang Điều cho thấy trình kết 62 hợp ba yếu tố thép liên kết, cốt thép bê tông tốt loại kết cấu Giá trị chuyển vị lớn đạt ~6.0mm lớn mẫu N1 (bảng 3.5), trường hợp khả chịu lực liên kết không tốt mẫu N1 chuyển vị lớn Bảng Kết so sánh thực nghiệm mô cho trường hợp khảo sát thêm Giá trị Đơn vị Thực nghiệm Khảo sát thêm Pmax kN 565.69 459.61 δu mm 5.81 6.00 Hình 3.36 cho thấy so sánh khả chịu lực mẫu hướng phát triển trình chịu lực Hình 36 Kết so sánh thực nghiệm trường hợp khảo sát thêm 63 b) Ứng suất phân bố mẫu Hình 37 Phân bố ứng suất Qua hình 3.37 nhận thấy ứng suất tập trung vào vị trí tiếp xúc liên kết perfobond bê tông, chịu tải trọng xuống thành phần để chống lại tác động Trong giai đoạn ban đầu liên kết dễ bị tuột dồn vai trò chịu lực xuống liên kết thứ 2, dễ hiểu ứng suất tập trung cao Ứng suất lớn đạt giá trị 337 MPa, tập trung vị trí chân lỗ liên kết perfobond vị trí nguy hiểm 64 c) Biến dạng phân bố mẫu Hình 38 Phân bố biến dạng Tương tự ứng suất; hình 3.38 biến dạng tập trung vị trí chốt liên kết thứ vị trí nguy hiểm cần quan tâm trình gia cơng chế tạo 65 CHƯƠNG KẾT LUẬN Căn vào kết mô tiến hành với trường hợp đưa ra, kết hợp với nghiên cứu trước đề tài đánh giá khả chịu lực làm việc chung thành phần cấu tạo trình bày Qua đề tài rút số kết luận sau 4.1 Kết luận Chương trình mơ sử dụng phần mềm tin cậy Ansys, mơ mơ hình 3D đầy đủ giống mơ hình thực tế khảo sát thay đổi ba thông số bản, bao gồm hình dạng thép liên kết, hàm lượng cốt thép mác bê tông Dưới tác dụng tải trọng, lực cắt dọc phát sinh vị trí tiếp xúc dầm thép bê tông Tại vị trí phát sinh biến dạng trượt tương đối dầm thép sàn bê tơng Bố trí liên kết chống cắt nhằm ngăn cản trượt tương đối Sự thay đổi hình dạng thép liên kết ảnh hưởng đến khả làm việc dầm không nhiều Mác bê tông ảnh hưởng nhiều đến khả chịu lực; mác bê tông tăng lên, mặt làm tăng độ cứng kết cấu mặt khác làm tăng độ dai liên kết Như độ võng trượt ngang giảm Hàm lượng cốt thép đặt liên kết perfobond ảnh hưởng đáng kể đến khả truyền lực độ dai liên kết Nếu khơng bố trí cốt thép dễ bị tách lớp làm giảm khả chịu lực làm tăng biến dạng trượt Ngược lại bố trí cốt thép liên kết dai hơn, kết cấu cứng từ làm giảm chuyển vị trượt ngang 4.2 Hướng phát triển đề tài Để đánh giá đầy đủ yếu tố ảnh hưởng đến khả chịu lực liên kết, hướng nghiên cứu thay đổi chiều dày thép liên kết cho vừa đảm bảo khả chịu lực vừa đảm bảo tính kinh tế thi cơng Khảo sát kích thước thay đổi cường độ thép liên kết dầm thép 66 hình để chọn phương án thiết kế tối ưu Khảo sát thêm thay đổi đường kính vị trí đặt cốt thép để vừa giảm hàm lượng cốt thép mà đảm bảo làm việc chung với thành phần khác Tiến hành thí nghiệm để kiểm chứng kết mô 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TS ĐINH VĂN THUẬT, PGS TS PHẠM VĂN HỘI, Giải pháp kết cấu liên hợp thép – bê tông cho nhà nhiều tầng Việt Nam, 2005 [2] PHẠM VĂN HỘI, Kết cấu liên hợp thép – bê tông dùng nhà cao tầng Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2010 [3] EUROCODE prEN 1994-1-1, Design of Coposite Steel and Concrete Structure [4] Structural Steelwork Eurocodes Development of A Trans-national Approach, 1990 [5] K BASKAR, N.E.SHANMUGAM, “Steel–concrete composite plate girders subject to combined shear and bending”, June 2002 [6] Gaetano Manfredi, Giovanni Fabbrocino, Edoardo Cosenza “ Modeling of steelConcrete composite beams under negative bending”, June 1999 [7] ĐINH THÁI HÒA, 2016, Luận văn cao học đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh “Khảo sát phân bố truyền lực lên liên kết kháng cắt dạng Perfobond dầm liên hợp” [8] YANGQING LIU, YUQING LIU, HAOHUI XIN, HAO TIAN and JUN WEI, “Numerical Study on Shear Perfomance of a New Perfobond Connector with Controllable Stiffness”, August 2020 [9] Ansys - Mechnical APDL Material Reference, Release 14 Ansys Inc., 2011 ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG *** ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA LIÊN KẾT KHÁNG CẮT DẠNG PERFOBOND Chuyên ngành Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số ngành 8580201 Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng. .. lực cắt liên kết, độ mềm liên kết, dạng phá hoại liên kết 1.4 Phương pháp thực Để đánh giá khả ứng xử liên kết, chương trình mơ phần mềm PTHH đặt xét tới ảnh hưởng số thông số đến ứng xử liên kết. .. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài ? ?Đánh giá ứng xử học liên kết kháng cắt dạng Perfobond? ?? cơng trình thực hướng dẫn thầy TS Lê Văn Phước Nhân Các kết Luận văn thực xác, nhận xét khách quan Tôi