Nghiên cứu ứng xử của liên kết sàn bê tông cốt thép với cột ống thép nhồi bê tông (tt)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRƯƠNG QUANG HẢI NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA LIÊN KẾT SÀN BÊ TÔNG CỐT THÉP VỚI CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG CHUYÊN NGÀNH : CƠ KỸ THUẬT MÃ SỐ : 9520101 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG – năm 2022 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Cơng trình hồn thành trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Người hướng dẫn khoa học: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC PGS TS TRƯƠNG HỒI CHÍNH Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Trường Thắng Trường Đại học Xây dựng Hà Nội Phản biện 2: PGS TS Trương Tích Thiện Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh Phản biện 3: PGS TS Phan Đức Hùng Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh Luận án bảo vệ Hội đồng chấm Luận án Tiến sĩ cấp Đại học Đà Nẵng vào ngày 04 tháng 12 năm 2021 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Quốc gia Việt Nam Trung tâm Thông tin – Học liệu, Truyền thông, ĐH Đà Nẵng THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện nay, với việc gia tăng mạnh mẽ dự án nhà cao tầng đô thị lớn Việt Nam đặt nhu cầu cấp thiết tìm kiếm giải pháp kết cấu chịu lực hiệu mặt kĩ thuật kinh tế Một xu hướng kết cấu có tính ứng dụng, hiệu cao kết hợp kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) với sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) thành hệ kết cấu chịu lực cho nhà cao tầng Tuy nhiên, vấn đề quan trọng kết hợp hai loại kết cấu giải liên kết sàn - cột Hiện nay, nghiên cứu tập trung cho liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT, chưa có nghiên cứu cho liên kết cột biên, cột góc CFST với sàn phẳng BTCT hay sàn phẳng bê tông ứng lực trước (ƯLT) Bên cạnh đó, chưa có nhiều nghiên cứu có tính hệ thống kiểu liên kết từ việc phân tích lựa chọn hình thức liên kết đến nghiên cứu thực nghiệm, khảo sát tham số phân tích mơ hình tính Do đó, việc nghiên cứu chi tiết liên kết cột CFST với kết cấu sàn phẳng nhằm cung cấp giải pháp cấu tạo, biện pháp gia cường, chế làm việc cơng thức tính tốn cần thiết để áp dụng rộng rãi hệ kết cấu vào thực tế xây dựng nhà cao tầng Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu đề xuất giải pháp cấu tạo cải tiến liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT sàn bê tông ƯLT; Nghiên cứu ứng xử chế làm việc liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT thực nghiệm mô số; Đề xuất công thức xác định chu vi phá hoại tháp cắt thủng liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép sàn phẳng bê tông ứng lực trước Từ đó, xác định khả chịu cắt thủng sàn dựa vào công thức tiêu chuẩn châu Âu EC2 với chu vi phá hoại đề xuất THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT sàn phẳng bê tông ƯLT Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử sàn liên kết cột giữa, cột biên, cột góc CFST với sàn phẳng BTCT liên kết cột CFST với sàn phẳng bê tơng ƯLT có gia cường cốt đai; Các mơ hình thí nghiệm thực cho tải trọng đứng, khơng xét ảnh hưởng mô men, tải trọng lặp tải trọng ngang; Đề xuất chu vi tới hạn để tính tốn khả chịu cắt thủng sàn liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT sàn phẳng bê tơng ƯLT có gia cường cốt đai Nghiên cứu thực cho cột ống thép tiết diện vuông Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm kết hợp mô số Ý nghĩa khoa học thực tiễn Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu tổng quan cột CFST, sàn phẳng liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT; Nghiên cứu chọn hình thức liên kết để từ đề xuất giải pháp cấu tạo cột giữa, cột biên, cột góc CFST với sàn phẳng; Thực nghiệm mẫu kích thước lớn liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT sàn phẳng bê tơng ƯLT; cột biên, cột góc CFST với sàn phẳng BTCT; Mô số phần mềm Abaqus liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT sàn bê tông ƯLT; Xác định chu vi tới hạn để tính tốn khả chịu cắt thủng sàn liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT sàn phẳng bê tông ƯLT THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Bố cục luận án Mở đầu Chương Tổng quan cột ống thép nhồi bê tông, sàn phẳng liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép Chương Giải pháp cấu tạo thực nghiệm liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng Chương Mơ số liên kết mơ hình tính toán khả chịu cắt thủng sàn liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng Kết luận kiến nghị Những đóng góp luận án Cải tiến liên kết gia cường cấu tạo nút liên kết sàn phẳng – cột CFST, cụ thể thêm thép đỡ vòng quanh tiết diện cột phía đáy, thêm cốt thép vịng để hạn chế vết nứt bê tông vùng kéo, thêm thép đai hình chữ C nhằm tăng cường khả chống cắt thủng Kiểm chứng hiệu phương án gia cường thực nghiệm Cung cấp 02 số liệu thí nghiệm tin cậy làm việc liên kết dầm bẹt với cột CFST với hai loại shear-head khác cung cấp 02 số liệu tin cậy làm việc nút liên kết sàn phẳng với cột CFST sàn phẳng bê tông ứng lực trước với cột CFST sở thí nghiệm tỉ lệ 1:1 Đề xuất cách xác định chu vi tiết diện phá hoại chiều cao làm việc chịu cắt công thức EC2 để xác định khả kháng thủng liên kết cột ống thép nhồi bê tông sàn phẳng THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội CHƯƠNG TỔNG QUAN CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG, SÀN PHẲNG VÀ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1 Tổng quan cột ống thép nhồi bê tông 1.2 Tổng quan giải pháp sàn phẳng cơng trình xây dựng 1.3 Tổng quan liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép Liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng Quan tổng quan cho thấy, nghiên cứu tập trung cho liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT, chưa thấy nghiên cứu cho liên kết cột biên, cột góc Các nghiên cứu cho liên kết cột CFST với sàn bê tông ƯLT chưa đề cập Tổng quan cho thấy có hình thức liên kết cho cột CFST với sàn phẳng BTCT sử dụng phổ biến gồm: (1) sử dụng shear-head thép hình hàn vào mặt cột nhúng vào bê tông sàn; (2) sử dụng thép đỡ mặt sàn; (3) sử dụng stud hàn bề mặt cột để liên kết sàn với cột Trong giải pháp sử dụng shearhead làm chi tiết liên kết hợp lý hiệu Tuy nhiên, giải pháp liên kết sử dụng shear-head nghiên cứu tổng quan số tồn như: độ tin cậy liên kết chưa cao; chưa có giải pháp cấu tạo đảm bảo liên tục chế truyền tải; thiếu biện pháp gia cường để nâng cao khả chịu tải cho sàn; vấn đề đảm bảo tính liên tục sàn - cột Liên kết cột biên, cột góc ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng Liên kết cột - sàn bê tông ứng lực trước 1.4 Tổng quan số mơ hình tính tốn khả chịu cắt thủng sàn 1.5 Tổng quan tiêu chuẩn tính tốn THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 1.6 Kết luận Chương 1 Tổng quan kết cấu cột CFST kết cấu sàn phẳng sử dụng thực tế để thấy ưu điểm trội hệ kết cấu so với kết cấu thép kết cấu bê tông cốt thép nhằm sử dụng hệ kết cấu làm kết cấu chịu lực kết cấu cơng trình Qua tổng quan hình thức liên kết khác cột CFST với sàn phẳng BTCT cho thấy đa số nghiên cứu thực nghiệm liên kết sàn - cột giữa, chưa có nghiên cứu ứng xử liên kết cột biên, cột góc CFST với sàn phẳng BTCT ảnh hưởng ứng lực trước đến khả chịu lực liên kết Nhìn chung, liên kết đề xuất nghiên cứu đảm bảo khả chịu tải trọng khả thi công thực tế Tuy nhiên, số điểm quan trọng cần cải tiến để nâng cao hiệu giải pháp kết cấu hình thức liên kết, độ tin cậy, tính liên tục biện pháp gia cường nâng cao khả chịu tải cải thiện ứng xử sau phá hoại sàn liên kết Các kết thí nghiệm cho thấy liên kết bị phá hoại cắt thủng sàn, chương tổng hợp giải pháp gia cường sàn bê tông cốt thép để nâng cao khả chịu cắt thủng cho sàn gợi ý cho việc đề xuất chi tiết liên kết sàn với cột CFST cách hợp lý hiệu Hiện nay, tiêu chuẩn thiết kế nước chưa đề cập đến quy định cấu tạo tính tốn liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT Do đó, việc tổng quan tính tốn khả chịu cắt thủng sàn BTCT theo tiêu chuẩn với số mơ hình tính tốn phổ biến giúp hiểu rõ phương thức thiết lập mơ hình tính sở để áp dụng tính tốn cho liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội CHƯƠNG GIẢI PHÁP CẤU TẠO VÀ THỰC NGHIỆM LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG 2.1 Giải pháp cấu tạo thực nghiệm liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép Cấu tạo liên kết đề xuất (3) C ốt thép đai C (4) C ốt thép vò ng (1) S hear-head (6) C ột C F T (2) T ấm liên tục (C ontinuity plate) (5) C ốt thép sà n a) C ấu tạo liên kết mặt (4) C ốt thép vò ng (6) C ột C F ST (2) T ấm liên tục (C ontinuity plate) (1) S hear-head (5)T hép lớp (3) C ốt đai C (5) T hép lớp b) M ặt cắt dọc Hình 2.4 Cấu tạo liên kết đề xuất Thiết kế chế tạo mẫu thí nghiệm Shear-head: Thép hình số hiệu H100, đoạn vươn tính từ mặt cột L = 400 mm, phần bụng l = 50 mm đưa vào lõi cột Hình 2.4 Tấm thép liên tục: bề rộng b = 50 mm, chiều dày t = 10 mm, hàn theo chu vi cột cánh H100 Cốt thép sàn: Cốt thép lớp theo hai phương 14a85, hàm lượng ρ = 1,21%, cốt thép lớp chọn cấu tạo 10a100 Theo phương bố trí cốt thép xuyên cột THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Cốt thép đai cốt vòng: Cốt đai 10, uốn gập 60 mm Lớp cốt đai cách mặt cột bên cánh shear-head 75 mm, lớp cốt đai 100 mm Cốt thép vịng cấu tạo 10a100 Hình 2.13 Bố trí cốt thép sàn Thiết bị thiết lập thí nghiệm Hình 2.15 Thi cơng đế gia tải thí nghiệm LV D T L1 Hình 2.16 Các chi tiết neo mơ hình thí nghiệm neo LV D T L2 400 300 600 800 200 200 Saø n phẳ ng BT C T 400 C ột C FST (300ì 300) T hanh neo ị36 K ớch thuỷ y lực T ấm đệ m Sà n ng 50 50 800 400 400 200 800 200 50 50 2700 Hình 2.17 Sơ đồ bố trí thí nghiệm Hình 2.18 Lắp đặt thí nghiệm THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội Hình 2.25 Bố trí cảm biến đo biến dạng cốt thép shear-head Hình 2.26 Bố trí cảm biến đo chuyển vị biến dạng bề mặt bê tông Thí nghiệm vật liệu Kết thí nghiệm Hình 2.30 Ứng xử mặt sàn thời điểm phá hoại Hình 2.32 Tháp phá hoại cắt thủng sàn Phá hoại cuối phá hoại cắt thủng với P = 1250 kN Dạng phá hoại 1: Mặt phá hoại xuất phát từ chân cốt đai cắt qua bê tơng nằm ngồi vùng bố trí cốt đai Hình 2.33 Mặt phá hoại giữ cốt đai THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 11 Cấu tạo liên kết đề xuất Thiết kế chế tạo mẫu thí nghiệm 2700 600 400 400 650 650 400 2700 600 400 650 650 Bốtrí bócá p theo mỗ i phương Mỗ i bógồ m cá p T1 (1 2,7mm) Hình 2.48 Bố trí cáp cho mẫu Hình 2.49 Bố trí cốt thép sàn thí nghiệm Thiết bị thiết lập thí nghiệm LV D T L1 LV D T L2 400 300 600 800 200 200 C p ƯLT 400 C ột C FST (300ì 300) T hanh neo ị36 K ớch thuỷ y lực T ấm đệ m Sàn ng 50 50 800 400 400 200 800 50 50 200 2700 Hình 2.55 Sơ đồ bố trí mơ hình thí nghiệm Hình 2.63 Bố trí mơ hình thí nghiệm Thí nghiệm vật liệu Kết thí nghiệm Hình 2.69 Bề mặt sàn lúc phá hoại Hình 2.70 Phá hoại bê tơng mặt sàn Hình 2.73 Đồ thị tải trọng – chuyển vị đứng đầu cột THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 12 Sau mẫu bị phá hoại quan sát thấy mơ hình phá hoại xảy theo hai dạng giống với mẫu sàn cột không sử dụng ứng lực trước là: (1) mặt cắt thủng nằm ngồi vùng bố trí cốt đai; (2) mặt phá hoại cắt thủng cắt qua cốt đai 2.3 Giải pháp cấu tạo thực nghiệm liên kết cột biên, cột góc ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép Cấu tạo liên kết đề xuất 1 1 4 2I 2I 2I 2-2 2I 1-1 2-2 1-1 C Ộ T BI Ê N C Ộ T G Ó C Cột CFST; Shear-head; Tấm liên tục; Lổ khoan sẵn Hình 2.78 Cấu tạo liên kết cột biên, cột góc CFST – sàn phẳng BTCT Thiết kế chế tạo mẫu thí nghiệm Þ14a170 50 150 (300x300x10) 65 2I 450 p Saø n BT CT T ấm thé Cột CFST 100 Þ14a85 600 900 T ấm thé p đỡ Shear-head 35 300 Þ14a85 300 Þ14a85 I1 300 200 1350 150 (H100x100) 300 1200 1500 1-1 Þ14a170 Þ14a170 Þ14a170 T ấm thé p (H100x100) 200 900 Shear-head 150 I1 2I 1500 2-2 Hình 2.80 Cấu tạo chi tiết liên kết THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 13 Hình 2.81 Bố trí cốt thép cho liên kết cột biên, cột góc CFST – sàn phẳng BTCT Thiết bị thiết lập thí nghiệm Hình 2.84 Thiết lập thí nghiệm cho cột biên, cột góc Thí nghiệm vật liệu Kết thí nghiệm Hình 2.85 Ứng xử mẫu cột biên sau thí nghiệm Hình 2.86 a) Đồ thị tải trọng-chuyển vị THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 14 Hình 2.88 Ứng xử mẫu cột góc sau phá hoại Hình 2.89.a) Đồ thị tải trọng - chuyển vị Kết thí nghiệm xác nhận mơ hình phá hoại cho hai mẫu sàn cột biên sàn cột góc phá hoại uốn 2.4 Kết luận Chương Nghiên cứu thực nghiệm mẫu dầm bê tông cốt thép (kết cấu phương) với cột ống thép nhồi bê tơng sử dụng kiểu hình dạng shear-head khác Kết cho thấy việc lựa chọn shear-head thép hình tiết diện H I làm chi tiết liên kết hợp lý Đề xuất giải pháp cấu tạo cải tiến liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép Nghiên cứu thực nghiệm cách hệ thống cho liên kết cột giữa, cột biên, cột góc ống thép nhồi bê tơng với sàn phẳng bê tông cốt thép xét tương quan hệ kết cấu Nghiên cứu thực nghiệm liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông ứng lực trước với chi tiết liên kết tương tự cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 15 CHƯƠNG MÔ PHỎNG SỐ LIÊN KẾT VÀ MƠ HÌNH TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT THỦNG CỦA SÀN TẠI LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TƠNG VỚI SÀN PHẲNG 3.1 Mơ số liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng Mô liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép xác thực với kết thí nghiệm Sử dụng phần tử khối C3D8R để mô cho cấu kiện: sàn bê tông, ống thép hộp, lõi bê tông, shear-head đặc tải Phần tử dạng T3D2 dùng để mô cho cốt thép dọc, cốt đai, cốt vòng Bê tông: Sử dụng đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng bê tông để mô bê tông miền đàn hồi mơ hình phá hoại dẻo (CDP) để mô ứng xử bê tông sau miền đàn hồi Vật liệu thép: Sử dụng mơ hình đàn hồi - dẻo Hình 3.5 Mơ hình mơ liên kết sàn BTCT – cột CFST Sử dụng tương tác surface to surface cho sàn BTCT với cột CFST, ống thép hộp với lõi bê tông; tương tác tie cho shear-head với vỏ ống thép tương tác embedded cho cốt thép với sàn BTCT THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 16 Hình 3.6 Điều kiện biên, điều kiện chuyển vị cho kết cấu Hình 3.7 Đồ thị tải trọng – chuyển vị đứng sàn theo thí nghiệm mơ Hình 3.8 Đồ thị tải trọng – biến dạng bê tông mặt sàn theo phương vng góc với mặt cột từ kết thí nghiệm mô Mô liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông ứng lực trước xác thực với kết thí nghiệm Phần tử C3D8T để mô cáp ứng lực trước Cáp ứng lực trước mô cách quy đổi diện tích tương đương Hình 3.11 Mơ hình mơ mẫu thí nghiệm sàn ƯLT – cột CFST THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 17 Mơ hình thay đổi nhiệt độ sử dụng để tạo ứng lực trước cáp [21] Với Esp = 200 GPa, hệ số giãn nhiệt α = 1,15×10-5 (1/oC) ứng suất kéo cáp ban đầu 1300 MPa, nhiệt độ sử dụng mô ΔT = -565,2 oC Hình 3.14 Đồ thị tải trọng – chuyển vị sàn theo thí nghiệm mơ Hình 3.17 Đồ thị tải trọng – biến dạng cốt thép đai Nhận xét: kết so sánh mô số liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép sàn phẳng bê tông ứng lực trước tương đồng với kết thực nghiệm Điều chứng tỏ độ tin cậy mơ hình mơ số Khảo sát ảnh hưởng tham số đến liên kết Từ kết mô số thực khảo sát ảnh hưởng tham số đến làm việc liên kết kích thước vùng liên kết, tiết diện ngang shear-head, hàm lượng cốt thép dọc, cường độ bê tông ảnh hưởng cốt thép đai 3.2 Mơ hình tính toán khả chịu cắt thủng sàn phẳng liên kết với cột ống thép nhồi bê tông Đề xuất chu vi tiết diện tới hạn Dạng 1: Mặt cắt thủng nằm ngồi vùng bố trí cốt đai THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 18 a) Mặt phá hoại vùng cốt đai b) Mặt phá hoại cắt qua cốt đai (1)Shear-head; (2) Đỉnh shear-head; (3) Chu vi trung bình mặt phá hoại; (4) Mặt phá hoại; (5) Chu vi cốt đai cùng; (6) dv khoản cách từ cánh shead-head đến trọng tâm cốt thép chịu uốn Hình 3.30 Phân tích chu vi tới hạn sàn phẳng bê tơng cốt thép Hình 3.31 Phân tích chu vi tới hạn sàn phẳng bê tông ứng lực trước THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 19 Dạng 2: Mặt cắt thủng xuất phát từ cánh shear-head cắt qua cốt đai b −b d  b0,in =  c s + v + lv  + 4bs   (3.1) Trong đó: bc – bề rộng cột; bs – bề rộng lớp cốt đai đỉnh shearhead; lv – chiều dài đoạn shear-head nhúng sàn tính từ mặt cột; dv – chiều cao làm việc chịu cắt sàn b 0,in = b c - b s + d v + lv + 4b s 2 bs bs C hu vi thaù p cắt thủ ng d v /2 kd v d v /2 k = 2.0 C hu vi thá p cắt thuû ng kd b 0,in bc bs lv bc bs lv v kd v kd b 0,out lv lv kd v d v /2 lv bc lv d v /2 d v /2 kd v kd v v d v /2 d v /2 lv bc lv d v/2 a) Chu vi phá hoại vùng b) Chu vi phá hoại cắt qua cốt đai cốt đai Hình 3.33 Đề xuất chu vi phá hoại Mơ hình tính tốn khả chịu cắt thủng sàn phẳng bê tông cốt thép so sánh kết với thí nghiệm Dạng 1: Mặt cắt thủng nằm ngồi vùng bố trí cốt đai ( ) VR,ou t = 0,18 + 200 / d (100ρfc ) b0,out d 1/3 (3.2) Trong đó:(1 + (200/d)1/2  2.0) - ảnh hưởng kích thước sàn; ρ - hàm lượng cốt thép chịu uốn; fc - cường độ chịu nén bê tông; d - chiều cao làm việc sàn bên ngồi vùng bố trí cốt đai; b0,out - chu vi tiết diện phá hoại xác định Hình 3.a Dạng 2: Mặt cắt thủng xuất phát từ đỉnh shear-head cắt qua cốt đai VR,in = λVc + Vsw THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG (3.3) Lưu hành nội 20 + Khả chịu cắt bê tông: ( Vc = 0,18 + 200 / dv ) (100ρf ) 1/3 c b0,in dv (3.4) Trong đó: dv - chiều cao làm việc chịu cắt tiết diện phá hoại, b0,in – chu vi tiết diện phá hoại + Khả chịu cắt cốt đai tiết diện nghiêng: d  Vsw = Asw f yw  v   sw  (3.5) Trong đó: Asw - diện tích chu vi cốt đai; fyw – cường độ chảy dẻo cốt thép (MPa); sw – khoảng cách chu vi cốt đai Khả chịu cắt danh nghĩa sàn sử dụng shear-head cốt đai VR = min(VR,in, VR,out) Bảng 3.8 So sánh kết tính tốn với thực nghiệm Mẫu S0-L40-C45-SW10-1.27 Stest (mẫu thí nghiệm) b0,in (mm) 3701,1 3862 b0,out (mm) 5360 5209 V0,out (mm) 1126,7 V0,in (kN) 1593,4 Vcal (kN) 1126,7 Vtest (kN) 1250 Vcal Vtest 0,901 Bảng 3.9 So sánh kết tính tốn với nghiên cứu D.V Bompa[16] b0,in (mm) 3437,7 3437,7 Mẫu HS13-0T HS13-CT b0,out (mm) - V0,out (mm) - V0,in (kN) 1516,7 1563,3 V (kN) 1516,7 1563,3 Vtest (kN) 1655 1830 Vcal Vtest 0,92 0,85 Bảng 3.10 So sánh kết tính tốn với kết mơ số Abaqus Mẫu S1-L25-C45-SW10-1.27 S2-L50-C45-SW10-1.27 S3-L40-C20-SW10-1.27 S4-L40-C30-SW10-1.27 S5-L40-C45-SW05-1.27 S6-L40-C45-SW10-1.56 S7-L40-C45-SW10-0.78 b0,in (mm) 2852,6 4266,8 3701,1 3701,1 4266,8 3701,1 3701,1 b0,out (mm) 4200,0 5608,0 5360,0 5360,0 5360,0 5360,0 5360,0 V0,out (mm) 942,2 1258,0 916,6 1049,3 1202,4 1287,7 1022,0 V0,in (kN) 1486,8 1732,1 1481,4 1552,2 2724,1 1679,5 1537,7 Vcal (kN) 942,2 1258,0 916,6 1049,3 1202,4 1287,7 1022,0 Vabaqus (kN) 1153 1315 1034,3 1156,7 1279,6 1391,3 1000,7 Vcal Vabaqus 0,82 0,96 0,89 0,91 0,94 0,93 1,02 Nhận xét: biểu thức tiên đoán khả chịu cắt thủng sàn sử dụng chu vi tiết diện tới hạn đề xuất cho kết tính phù hợp với kết từ mơ hình thực nghiệm mơ số THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 21 Mơ hình tính tốn khả chịu cắt thủng sàn phẳng bê tông ứng lực trước so sánh kết với thí nghiệm Dạng 1: Mặt cắt thủng nằm ngồi vùng bố trí cốt đai V0,in = Vc + Vp (3.6) Khả chịu cắt cốt bê tông là: Vc = 0,18(1 + 200 / dv )  (100 fc )1/3 + 0,1 cp  b0,out  d (3.7) Trong đó: σcp = ( σcx + σcy)/2; σcx, σcy ứng suất nén trung bình bê tơng theo hai phương Khả chịu cắt cáp ứng lực theo phương đứng: n n i =1 i =1 V p =  v pi =  Asp  f yp  sin  (3.8) Trong đó: Asp – Diện tích bó cáp cắt qua khe nứt nghiêng chu vi b0,out (mm2); fyp - ứng suất hiệu cáp (MPa); θ – góc nghiêng cáp với phương ngang Dạng 2: Mặt cắt thủng xuất phát từ đỉnh shear-head cắt qua cốt đai V0,in = Vc + Vsw + Vp (3.9) Khả chịu cắt cốt bê tông là: Vc = 0.18(1 + 200 / dv )  (100 fc )1/3 + 0.1 cp  b0,in  dv (3.10) Khả chịu cắt cốt đai tiết diện nghiêng: d  Vsw = Asw f yw  v   sw  (3.11) Bảng 3.12 So sánh kết tính toán với thực nghiệm Mẫu θ (o) σx = σy (MPa) V0,out (mm) V0,in (kN) Vcal (kN) Vtest (kN) S0-C47-1.27 3,0 3,80 1888,4 1699,9 1699,9 - Stest - 1780 Vcal Vtest 0,955 Ghi chú: Vtest kết thí nghiệm; Vcal kết tính tốn sử dụng mơ hình tính với hai chu vi phá hoại đề xuất THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 22 Bảng 3.13 So sánh kết mô với công thức tính đề xuất Mẫu S1-C30-1.27 S2-C35-1.27 S3-C40-1.27 S4-C47.7-0.49 S5-C47.7-0.78 θ (o) 3,0 3,0 3,0 3,0 3,0 σx =σy MPa 3,80 3,80 3,80 3,80 3,80 V0,out (mm) 1602,6 1634,3 1663,2 1512,4 1598,2 V0,in (kN) 1711,2 1766,5 1816,8 1554,1 1703,6 Vcal (kN) 1602,6 1634,3 1663,2 1512,4 1598,2 Vabaqus (kN) 1596,9 1664,6 1680,8 1491,3 1600,5 Vcal Vabaqus 1,004 0,982 0,990 1,014 0,999 Nhận xét: kết tính tốn khả chịu lực sàn từ mơ hình tính chu vi phá hoại đề xuất cho thấy phù hợp với kết thí nghiệm mơ Abaqus Điều chứng tỏ mơ hình tính tốn đề xuất đảm bảo độ tin cậy 3.3 Kết luận Chương Trong chương trình bày quy trình mơ số cho liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép sàn phẳng bê tông ứng lực trước Việc tính tốn khả chịu cắt thủng sàn xem hệ shearhead hoạt động mũ cột lớn Tham khảo tiêu chuẩn Eurocode để tính tốn khả chịu cắt thủng sàn dựa vào hai chu vi tới hạn đề xuất Kết tính tốn đảm bảo độ tin cậy KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Đề xuất giải pháp cấu tạo cải tiến liên kết cột CFST với sàn phẳng: Giải pháp cấu tạo liên kết gồm: (1) shear-head thép hình H, (2) thép liên tục, (3) cốt thép đai, (4) cốt thép vòng (5) cốt thép dọc xuyên cột Trong đó: Liên kết kế thừa việc sử dụng shear-head làm chi tiết liên kết xác định hình dạng hợp lý shear-head thép hình H dựa vào kết phân tích thực nghiệm ảnh hưởng hình dạng shear-head đến ứng xử dầm bê tông cốt thép chế truyền tải từ dầm vào cột THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 23 theo mơ hình giàn ảo Bổ sung chi tiết để cải tiến liên kết sàn phẳng – cột CFST, cụ thể: cấu tạo bụng shear-head ngàm vào bên lõi cột nhằm tăng độ tin cậy cho liên kết Thêm thép liên tục xung quanh chu vi cột góp phần đảm bảo chế truyền tải từ sàn vào cột liên tục Bố trí cốt thép đai cốt thép vịng giúp gia cường khả chịu cắt cho sàn Nghiên cứu thực nghiệm liên kết cột CFST với sàn phẳng: Thực thiết kế, chế tạo khung gia tải chuyên dụng cho thí nghiệm liên kết cột CFST với kết cấu sàn phẳng nhằm mơ xác ứng xử mẫu thí nghiệm so với trạng thái làm việc thật liên kết xét hệ kết cấu tổng thể Nghiên cứu thực nghiệm 03 mẫu có kích thước lớn gồm: mẫu cột giữa, cột biên, cột góc CFST với sàn phẳng bê tông cốt thép xét hệ kết cấu Kết thí nghiệm mẫu cột cho thấy: (1) ứng xử từ thực nghiệm minh chứng cho hợp lý chi tiết cấu tạo bố trí để cải tiến liên kết giúp tăng độ tin cậy, đảm bảo chế truyền lực liên tục nâng cao khả chịu cắt cho sàn; (2) mơ hình phá hoại cuối cắt thủng; (3) chế phá hoại cho phép xác định hai dạng phá hoại mặt phá hoại xuất phát từ đỉnh shear-head cắt qua cốt đai, mặt phá hoại xảy bên vùng bố trí cốt đai Đối với mẫu cột biên, cột góc: (1) kết thí nghiệm xác nhận khả chịu lực liên kết đảm bảo, chi tiết liên kết đáp ứng vai trò kết nối sàn – cột; (2) mơ hình phá hoại cột biên cột góc phá hoại uốn Nghiên cứu thực nghiệm liên kết cột CFST với sàn phẳng bê tông ƯLT Kết thí nghiệm cho thấy: (1) có mặt cốt thép ứng lực trước cải thiện đáng kể ứng xử sàn nâng cao tải trọng gây nứt, hạn chế bề rộng vết nứt biến dạng sàn sau phá hoại; (2) mô THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 24 hình phá hoại cuối chế phá hoại tương tự mẫu cột CFST liên kết với sàn phẳng bê tông cốt thép Nghiên cứu mô số liên kết cột CFST với kết cấu sàn phẳng: Mô số liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT sàn phẳng bê tơng ƯLT phần mềm Abaqus Chương trình mơ giúp: hiểu sâu ứng xử liên kết mà thực nghiệm không thực cho phép khảo sát ảnh hưởng tham số quan trọng đến làm việc liên kết Với shear-head, chiều dài làm việc hiệu 4dv (dv – chiều cao làm việc sàn chịu cắt) tỉ số độ cứng shear-head với tiết diện bê tơng quy ước αv ≥ 0,15 để đáp ứng vai trò làm gối tựa cho sàn Về ảnh hưởng cốt thép dọc, tăng hàm lượng khả chịu tải trọng sàn tăng hàm lượng cốt thép ≤ 0.2% xem xét bỏ qua ảnh hưởng đến khả chịu cắt sàn tính tốn Đối với cốt đai khảo sát cho thấy có mặt giúp nâng cao khả chịu cắt cho sàn Về ảnh hưởng bê tơng, tăng cường độ khả chịu cắt sàn tăng tương ứng Đề xuất công thức xác định chu vi phá hoại tháp cắt thủng sàn xác định khả chịu cắt thủng sàn dựa vào công thức tiêu chuẩn EC2 Kết nghiên cứu thực nghiệm mô số cho thấy khả chịu cắt thủng sàn phụ thuộc vào tham số chiều dày sàn, hàm lượng cốt thép chịu uốn, tác dụng ứng lực trước đặc trưng vật liệu Tiêu chuẩn EC2 đề cập tất tham số biểu thức xác định khả chịu cắt thủng sàn Do đó, luận án tham khảo EC2 để tính khả chịu cắt sàn liên kết với cột CFST với chu vi phá hoại đề xuất Sự phù hợp kết tính tốn với kết thí nghiệm mơ số chứng tỏ mơ hình tính với chu vi phá hoại đề xuất hợp lý tin cậy Kiến nghị THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội 25 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC Dao Ngoc The Luc, Truong Quang Hai, Truong Hoai Chinh, Dao Ngoc The Vinh, An Experimental Research on Connection of Boundary Concrete Filled Steel Tube Columns and Reinforced Concrete Slab, International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE, Scopus), ISSN: 2278-3075, Số 9(2), 2019 Dao Ngoc The Luc, Truong Quang Hai, Truong Hoai Chinh, Dao Ngoc The Vinh, Concrete Filled Steel Tube Column and Wide Beam Connection: Proposed Structures and Experiment, International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT, Scopus), ISSN: 2249 – 8958, Số 9(2), 2019 Đào Ngọc Thế Lực, Trương Quang Hải, Trần Quang Khải, Phan Nhật Long, Khả chịu cắt liên kết cột ống thép nhồi bêtông với dầm bẹt bê tông cốt thép: Phần – Mô hình thí nghiệm, Tạp chí Xây dựng, ISSN 0866-0762, Số 04-2018, Trang 104-107, 2018 Đào Ngọc Thế Lực, Trương Quang Hải, Trần Quang Khải, Nguyễn Minh Tuấn Anh, Khả chịu cắt liên kết cột ống thép nhồi bêtông với dầm bẹt bê tông cốt thép: Phần – Cơ chế truyền lực cắt, Tạp chí Xây dựng, ISSN 0866-0762, Số 04-2018, Trang 108-110, 2018 Trương Quang Hải, Đào Ngọc Thế Lực, Trương Hồi Chính, Nguyễn Minh Tuấn Anh, Khảo sát số Abaqus ảnh hưởng tham số đến liên kết cột ống thép nhồi bê tông sàn phẳng bê tông cốt thép – Phần 1: Ảnh hưởng kích thước chốt chịu cắt (shear-head), Tạp chí Xây dựng, 2020 Trương Quang Hải, Đào Ngọc Thế Lực, Trương Hồi Chính, Nguyễn Minh Tuấn Anh, Khảo sát số Abaqus ảnh hưởng tham số đến liên kết cột ống thép nhồi bê tông sàn phẳng bê tông cốt thép – Phần 2: Ảnh hưởng cường độ bê tông cốt thép, Tạp chí Xây dựng, 2020 Đề tài khoa học cấp sở (Trường ĐH Bách khoa - ĐH Đà Nẵng): Xây dựng mơ hình thực nghiệm cấu tạo đề xuất liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tơng cốt thép Chủ trì: Trương Quang Hải Thành viên: Đào Ngọc Thế Lực, Trương Hoài Chính Mã số đề tài: T2018-02-29 Thời gian thực hiện: 12/2017-06/2019 THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội ... THỦNG CỦA SÀN TẠI LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TƠNG VỚI SÀN PHẲNG 3.1 Mơ số liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng Mô liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép. .. Tổng quan cột ống thép nhồi bê tông, sàn phẳng liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép Chương Giải pháp cấu tạo thực nghiệm liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng... góc ống thép nhồi bê tơng với sàn phẳng bê tông cốt thép xét tương quan hệ kết cấu Nghiên cứu thực nghiệm liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông ứng lực trước với chi tiết liên