(LUẬN án TIẾN sĩ) dầm liên hợp thép bê tông với tiết diện dầm thép chìm trong bản sàn bê tông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI HÀN NGỌC ĐỨC DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TƠNG VỚI TIẾT DIỆN DẦM THÉP CHÌM TRONG BẢN SÀN BÊ TÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Mã số: 9580201 LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội - Năm 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI HÀN NGỌC ĐỨC DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TƠNG VỚI TIẾT DIỆN DẦM THÉP CHÌM TRONG BẢN SÀN BÊ TÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Mã số: 9580201 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS TS Vũ Anh Tuấn GS TS Phạm Văn Hội Hà Nội - Năm 2022 iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung Luận án Tiến sỹ “Dầm liên hợp thép bê tông với tiết diện dầm thép chìm sàn bê tơng” kết cơng trình nghiên cứu khoa học riêng tơi Các số liệu kết trình bày Luận án trung thực, khách quan chưa công bố cơng trình khác ngồi danh sách cơng trình khoa học nghiên cứu sinh liên quan đến Luận án Hà nội, ngày 8/11/2022 Hàn Ngọc Đức iv LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, Lãnh đạo Phòng Quản lý Đào tạo, Phòng Tổ chức Cán bộ, Ban chủ nhiệm Khoa Xây dựng Dân dụng Công nghiệp tạo điều kiện, hỗ trợ giúp đỡ trình thực Luận án Tơi xin bày tỏ biết ơn sâu sắc, kính trọng tới Hai người hướng dẫn khoa học tôi, PGS TS Vũ Anh Tuấn GS TS Phạm Văn Hội Trong suốt trình học tập nghiên cứu, Hai thầy tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành Luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Bộ mơn Cơng trình Thép - Gỗ, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội - nơi học tập, nghiên cứu, công tác năm vừa qua Tôi xin ghi nhận giúp đỡ đóng góp ý kiến nhà khoa học ngồi Trường giúp tơi bổ sung, hồn thiện Luận án Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn tới Cha Mẹ, người sinh thành, nuôi dưỡng, giáo dục, ủng hộ đường lựa chọn Xin cảm ơn Vợ bên cạnh chia sẻ, động viên, tạo động lực để tơi sớm hồn thành Luận án Xin tri ân người thân, bạn bè, đồng nghiệp quan tâm, giúp đỡ thời gian qua Hàn Ngọc Đức v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN iii LỜI CẢM ƠN .iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT xii DANH MỤC BẢNG BIỂU xvii DANH MỤC HÌNH VẼ, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ xix MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Cơ sở khoa học ý nghĩa thực tiễn Phương pháp nghiên cứu Những đóng góp luận án Cấu trúc nội dung luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TƠNG CĨ CHIỀU CAO NHỎ 1.1 Dầm liên hợp thép bê tơng có chiều cao tiết diện nhỏ 1.2 Liên kết chịu trượt dọc dầm liên hợp có chiều cao nhỏ 16 1.2.1 Nghiên cứu H P Andrä F Leonhardt 20 1.2.2 Nghiên cứu E C Oguejiofor M U Hosain 21 1.2.3 Nghiên cứu D Kraus O Wurzer 22 1.2.4 Nghiên cứu U Yoshitaka cộng 23 vi 1.2.5 Nghiên cứu S B Medberry B M Shahrooz 23 1.2.6 Nghiên cứu S Peltonen M V Leskelä 24 1.2.7 Nghiên cứu S Y K Al-Darzi cộng 24 1.2.8 Nghiên cứu J.da.C Vianna cộng 25 1.2.9 Nghiên cứu J J H Ahn cộng 26 1.2.10 Nghiên cứu B.Y Huo 26 1.2.11 Nghiên cứu M Braun cộng 28 1.2.12 Nghiên cứu Emad cộng 29 1.2.13 Nghiên cứu Toi Limazie Shiming Chen 29 1.3 Tóm lược chương 30 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG NDBEAM 31 2.1 Đề xuất hình dạng tiết diện dầm liên hợp NDBeam 31 2.1.1 Các yêu cầu dầm liên hợp có chiều cao tiết diện nhỏ 31 2.1.2 Đề xuất hình dạng tiết diện dầm thép NDBeam 32 2.1.3 Đề xuất hình dạng tiết diện chốt bê tông dầm NDBeam 34 2.1.4 Đánh giá tiết diện dầm liên hợp NDBeam đề xuất 35 2.1.5 Giới hạn nghiên cứu dầm liên hợp NDBeam 37 2.2 Tính tốn dầm liên hợp NDBeam 38 2.2.1 Vật liệu 38 2.2.1.1 Thép kết cấu 38 2.2.1.2 Cốt thép 38 2.2.1.3 Bê tông 38 2.2.2 Các giả thiết tính tốn 39 2.2.3 Phân vùng bê tông thép kết cấu dầm liên hợp NDBeam 40 vii 2.2.3.1 Phân vùng bê tông 40 2.2.3.2 Phân vùng thép kết cấu 42 2.2.4 Sức kháng mô men bền dẻo dương dầm liên hợp NDBeam 44 2.2.4.1 Trục trung hịa dẻo nằm phía cánh dầm thép 44 2.2.4.2 Trục trung hòa dẻo nằm cánh dầm thép 45 2.2.4.3 Trục trung hòa dẻo qua bụng dầm thép phía lỗ mở 46 2.2.4.4 Trục trung hòa dẻo qua lỗ mở bụng dầm thép, phía mặt tơn sàn47 2.2.4.5 Trục trung hịa dẻo qua lỗ mở bụng dầm, vùng chiều cao sóng tơn .48 2.2.4.6 Trục trung hịa dẻo qua cánh đỡ tơn sóng định hình 49 2.2.4.7 Trục trung hịa dẻo qua bụng dầm thép 51 2.2.4.8 Trục trung hòa dẻo qua cánh dầm thép 52 2.2.5 Xác định sức kháng cắt đứng, khả chịu uốn cắt đồng thời dầm liên hợp NDBeam 53 2.2.5.1 Sức kháng cắt đứng dầm liên hợp 53 2.2.5.2 Khả chịu uốn lực cắt đồng thời 53 2.2.6 Xác định sức kháng trượt dọc mức độ liên kết dầm liên hợp NDBeam54 2.2.6.1 Sức kháng trượt dọc dầm NDBeam chốt bê tông CD-iZ 54 2.2.6.2 Mức độ liên kết 54 2.2.7 Độ võng dầm liên hợp NDBeam 54 2.2.7.1 Độ cứng dầm liên hợp NDBeam 54 2.2.7.2 Độ võng dầm liên hợp 56 2.2.8 Liên kết khơng hồn tồn 56 2.3 Tóm lược chương 56 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA CHỐT BÊ TÔNG CHỊU TRƯỢT DỌC58 3.1 Thí nghiệm đẩy chốt bê tông CD-iZ 58 3.1.1 Vật liệu chế tạo mẫu 58 viii 3.1.1.1 Thép kết cấu 58 3.1.1.2 Bê tông 58 3.1.2 Mẫu thí nghiệm 60 3.1.2.1 Nhóm mẫu T1G*, T1GT*, T1GW* T1G 61 3.1.2.2 Nhóm mẫu T2G 61 3.1.2.3 Nhóm mẫu T3G T3F 62 3.1.2.4 Nhóm mẫu B3G 63 3.1.2.5 Nhóm mẫu ND3G 63 3.1.3 Thí nghiệm 64 3.1.3.1 Nguyên tắc thí nghiệm 64 3.1.3.2 Xác định sơ sức kháng cắt mẫu (tải trọng) thí nghiệm 64 3.1.3.3 Sơ đồ thí nghiệm 65 3.1.4 Kết thí nghiệm 66 3.1.4.1 Quan hệ tải trọng trượt dọc nhóm mẫu T1G*, T1GW* T1GT* 66 3.1.4.2 Quan hệ tải trọng trượt dọc mẫu T1G, T2G T3G 68 3.1.4.3 Quan hệ tải trọng trượt dọc mẫu B3G ND3G 70 3.1.4.4 Quan hệ tải trọng trượt dọc mẫu T3F 71 3.1.5 Phân tích kết thí nghiệm 73 3.1.5.1 Sự phá hoại mẫu 73 3.1.5.2 Cơ chế phá hoại mẫu 74 3.1.5.3 Ảnh hưởng tham số đến khả chịu trượt dọc chốt 75 3.1.5.4 Ảnh hưởng số lượng lỗ mở đến làm việc đồng thời 77 3.1.5.5 Ảnh hưởng số lượng bụng cắt qua chốt bê tông 78 3.1.5.6 Ảnh hưởng cánh nhóm mẫu ND 79 3.1.5.7 Ảnh hưởng thành phần ma sát 80 3.2 Xác định sức kháng trượt dọc chốt bê tông 81 3.2.1 Đề xuất công thức xác định sức kháng cắt cho 01 chốt bê tông CD-iZ 81 ix 3.2.1.1 Cơ sở thiết lập công thức 81 3.2.1.2 Giá trị hệ số điều chỉnh 82 3.2.1.3 Công thức đề xuất khả chịu lực trượt chốt bê tông 86 3.2.2 Đánh giá công thức đề xuất với công thức công bố tác giả khác87 3.2.2.1 So sánh kết tính tốn theo lí thuyết với kết thí nghiệm nhóm mẫu T1G*, T1GW* T1GT* 87 3.2.2.2 So sánh kết tính tốn theo lí thuyết với kết mô số 88 3.2.3 Đề xuất công thức xác định sức kháng cắt mẫu T có nhiều chốt 92 3.2.4 Đề xuất công thức xác định khả chịu trượt dọc dầm NDBeam 93 3.3 Tóm lược chương 93 CHƯƠNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ DẦM LIÊN HỢP NDBEAM VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA QUY TRÌNH THIẾT KẾ 96 4.1 Quy trình thiết kế dầm liên hợp NDBeam 96 4.1.1 Bước - Số liệu thiết kế 96 4.1.2 Bước – Thiết kế dầm NDBeam giai đoạn thi công 96 4.1.3 Bước – Thiết kế dầm NDBeam giai đoạn liên hợp (giai đoạn sử dụng)96 4.2 Xây dựng chương trình thiết kế dầm liên hợp NDBeam (NDP) 97 4.2.1 Sơ đồ khối chương trình 97 4.2.2 Chương trình NDP 98 4.2.2.1 Các mơ đun chương trình NDP 98 4.2.2.2 Giao diện chương trình NDP 99 4.3 Đánh giá độ tin cậy quy trình thiết kế dầm NDBeam 100 4.3.1 Số liệu tính tốn 100 4.3.1.1 Kích thước hình học 100 4.3.1.2 Vật liệu thép bê tông 102 4.3.2 Tính tốn theo chương trình NDP 103 x 4.3.3 Mô dầm liên hợp NDBeam mô ABAQUS 103 4.3.3.1 Mơ hình vật liệu 103 4.3.3.2 Lựa chọn dạng phần tử 108 4.3.3.3 Mô dầm NDBeam 110 4.3.4 Đánh giá độ tin cậy quy trình thiết kế đề xuất 116 4.3.4.1 So sánh kết tính khả chịu uốn dầm NDBeam 116 4.3.4.2 So sánh kết tính độ võng dầm NDBeam 117 4.4 Tóm lược chương 118 KẾT LUẬN 120 Kết luận 120 Hướng phát triển luận án 121 TUYỂN TẬP CÁC BÀI BÁO CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI LUẬN ÁN TRÊN CÁC TẠP CHÍ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH 122 TÀI LIỆU THAM KHẢO 123 PHỤ LỤC A GIAO DIỆN CHƯƠNG TRÌNH PL-1 A.1 Hộp thoại nhập liệu hình học dầm PL-1 A.2 Hộp thoại nhập liệu vật liệu PL-1 A.3 Hộp thoại nhập liệu kích thước hình học tiết diện dầm thép PL-2 A.4 Hộp thoại nhập liệu nhập liệu tơn sóng định hình PL-2 A.5 Hộp thoại nhập liệu thơng số hình học sàn bê tơng PL-3 A.6 Hộp thoại nhập liệu chốt bê tông PL-3 A.7 Hộp thoại nhập liệu tải trọng PL-4 A.8 Hộp thoại nhập liệu tổ hợp tải trọng PL-4 A.9 Hộp thoại nhập giá trị giới hạn độ võng dầm PL-5 A.10 Hộp thoại kết kiểm tra dầm giai đoạn thi công PL-5 PL-9 Public I_Ay As Single 'Second moment of area in major axis of steel section (mm^4) Public W_Aely As Single 'Elastic section modulus in major axis of steel section (mm^3) Public W_Aply As Single 'Plastic section modulus in major axis of steel section (mm^3) Public M_AplRd As Single 'Plastic moment resistance in major axis of steel section (kN.m) Public M_AelRd As Single 'Elastic moment resistance in major axis of steel section (kN.m) '===Deflection Limits=== Public DeflectionType_CS As String 'Deflection type Public DeflectionRatio_CS As Single 'Limit of deflection in Ratio Public DeflectionType_US As String 'Deflection type Public DeflectionRatio_US As Single 'Limit of deflection in Ratio Public Delta_CS As Single 'Limit value of deflection in Construction Stage (Steel beam only) (mm) Public Delta_US As Single 'Limit value of deflection in Using Stage (Composite beam) (mm) '===Section Classification of Steel Beam=== Public Epsilon As Single 'Coefficient to identify Section classification and depended on yield strength Public SCtype As Integer 'Section classification type '===Check NDBeam in Construction Stage=== Public qDLLL_Ed_ULS As Single 'Combo Load in ULS (kN/m) Public qDLLL_Ed_SLS As Single 'Combo Load in SLS (kN/m) Public M_Ed As Single 'Maximum Moment (kN.m) Public V_Ed As Single 'Maximum Shear (kN) Public M_Rd As Single 'Moment Resistance (kN.m) Public V_Rd As Single 'Shear Resistance (kN.m) Public Delta_Ed As Single 'Deflection in construction stage (mm) Public Flag_nProper As Boolean 'Change number Proper of Beam in Construction Stage Public Flag_Section As Boolean 'Change Section properties of Beam in Construction Stage '===P.N.A Location=== Public A_pA As Single, A_pB As Single, A_pC As Single, A_pD As Single, A_pE As Single 'Area of each Steel part Public Nc1 As Single 'Compression resistance of Concrete above steel beam Public Nc2 As Single 'Compression resistance of Concrete at top flange steel beam Public Nc3 As Single 'Compression resistance of Concrete at top web steel beam Public Nc4 As Single 'Compression resistance of Concrete at top of deck to top openning of steel beam Public Nc5 As Single 'Compression resistance of Concrete inside steel section at top Public Nc6 As Single 'Compression resistance of Concrete inside steel section at wing Public Nc7 As Single 'Compression resistance of Concrete inside steel section at bottom Public Na1 As Single 'Axial resistance of top flange of steel beam Public Na2 As Single 'Axial resistance of top web Public Na3 As Single 'Axial resistance of top web Public Na4 As Single 'Axial resistance of wings Public Na5 As Single 'Axial resistance of both bottom webs Public Na6 As Single 'Axial resistance of wing Public Na_net As Single 'Axial resistance of net area of steel beam Public Beff As Single 'Effective width of concrete slab (mm) Public PNA As Integer 'Location of PNA PL-10 Public yPNA As Single 'Y Coordinate of PNA from top of surface slab (mm) '===ENA Location=== Public yENA As Single 'Y Coordinate of ENA from top of surface slab (mm) Public n_2dash As Single 'Ratio of Elastic modulus of Steel and Concrete Public I_1y As Single 'Bending stiffness of NDBeam in y axis '===Check NDBeam in Composite Stage=== Public qDLLL_NDBeam_ULS As Single 'ComboLoad in ULS of NDBeam (kN/m) Public qDLLL_NDBeam_SLS As Single 'ComboLoad in SLS of NDBeam (kN/m) Public M_Ed_NDBeam As Single 'Moment in NDBeam (kN.m) Public Mpl_Rd As Single 'Plastice moment resistance of NDBeam (kN.m) Public Delta_NDBeam As Single 'Deflection of NDBeam (mm) Public Flag_Section_NDBeam As Boolean 'Recalculate section of NDBeam Public Flag_Slab_NDBeam As Boolean 'Redefine slab of NDBeam '===Check NDBeam with level of shear connection=== Public VL_Ed As Single 'Longitudinal Shear Force of NDBeam 'kN Public Level_VL As Single 'Level of Shear Connection '===Effect Of Shear Connection Level=== Public Delta_NDBeam_VL As Single 'Reduced Deflection (mm) Public Mpl_Rd_VL As Single 'Increased Moment (kN.m) Public Delta_a_VL As Single 'Deflection of Steel Beam Only (mm) Public Flag_Dowel_NDBeam As Boolean 'Redefine slab of NDBeam End Module B.2 Phân loại tiết diện Public Sub EC3SectionClassification() 'SLoc: Internal or Outstanding Dim SCtype_A As Integer, SCtype_B As Integer, SCtype_C As Integer, SCtype_D As Integer, SCtype_E As Integer Dim c As Single, t As Single Epsilon = Math.Sqrt(235 / Fy) Select Case ENA_A 'Location of Neutral Axis in Section Case 'ENA_A in the top flange of top part c = B_t1 t = T_top If c / t 72 * Epsilon And c / t 83 * Epsilon And c / t (Nc1 + Nc2 + Nc3) + * (Na1 + Na2) And Na_net (Nc1 + Nc2 + Nc3) + * (Na1 + Na2) And Na_net (Nc1 + Nc2 + Nc3 + Nc4 + Nc5) + * (Na1 + Na2 + Na3) And Na_net (Nc1 + Nc2 + Nc3 + Nc4 + Nc5 + Nc6 + Nc7) + * (Na1 + Na2 + Na3 + Na4 + Na5) And Na_net Deck height Nc3 = 0.85 * ((H_top - H_open) * (Beff - * T_top)) * F_ck / PSF_c / 1000 'kN Nc4 = 0.85 * ((H_open - H_p) * Beff) * F_ck / PSF_c / 1000 'kN Nc5 = ((B_b - * T_bot) - H_p * Math.Tan(Alpha)) * H_p * F_ck / PSF_c / 1000 'kN 'Icld Confined Effect (Trap Section) Else Nc3 = 0.85 * ((H_top - H_p) * (Beff - * T_top)) * F_ck / PSF_c / 1000 'kN PL-22 Nc4 = (((B_b - * T_bot) - * H_p * Math.Tan(Alpha)) - (H_p - H_open) * Math.Tan(Alpha)) * (H_p - H_open) * F_ck / PSF_c / 1000 'kN 'Icld Confined Effect (Trap Section) Nc5 = ((B_b - * T_bot) - H_p * Math.Tan(Alpha)) * H_open * F_ck / PSF_c / 1000 'kN 'Icld Confined Effect (Trap Section) End If Nc6 = (B_b - * T_bot) * T_bot * F_ck / PSF_c / 1000 'kN 'Icld Confined Effect Nc7 = (B_b - * T_bot) * H_bot * F_ck / PSF_c / 1000 'kN 'Icld Confined Effect '=============================================================================== 'Select Case DowelShape ' Case "Isosceles Trapzoidal Opening" ' At_Do = (b1_Do + b2_Do) * h0_Do / 'mm2 ' Ac_Do = T_top * Math.Sqrt((b1_Do - b2_Do) ^ / + h0_Do ^ 2)'mm2 ' Case "Rectangular Opening" ' At_Do = r1_Do * r2_Do 'mm2 ' Ac_Do = T_top * r2_Do 'mm2 ' Case "Circular Opening" ' At_Do = Math.PI * d0_Do ^ / 'mm2 ' Ac_Do = T_top * (d0_Do / 2) * Math.PI * (120 / 180) 'mm2 'End Select 'VtRd_Do = At_Do * F_tck5 / PSF_VL_Do / 1000 'kN 'VcRd_Do = Ac_Do * F_ck / PSF_VL_Do / 1000 'kN '=============================================================================== Select Case DowelShape Case "Isosceles Trapzoidal Opening" At_Do = (b1_Do + b2_Do) * h0_Do / 'mm2 Ac_Do = T_top * Math.Sqrt((b1_Do - b2_Do) ^ / + h0_Do ^ 2) 'mm2 Case "Rectangular Opening" At_Do = r1_Do * r2_Do 'mm2 Ac_Do = T_top * r2_Do 'mm2 Case "Circular Opening" At_Do = Math.PI * d0_Do ^ / 'mm2 Ac_Do = T_top * (d0_Do / 2) * Math.PI * (120 / 180) 'mm2 End Select 'Longitudinal Shear resistance of dowel in web k1 = Math.Sqrt(1.3 * T_top / H_top) k2 = Math.Sqrt(2 * H_top / (b1_Do + b2_Do)) VRd_Do = Anpha * (k1 * Ac_Do * (1.23 * F_ck) + k2 * At_Do * F_tck5) 'kN 'VRd_Do = VtRd_Do + VcRd_Do 'kN 'Total Longitudinal Shear resistance along the beam in web of Dowel VRd_Do = * VRd_Do * N_Do 'kN 'Friction between concrete and steel beam Lv_Do = * H_top / Math.Cos(Alpha) + B_t1 'mm Av_Do = Lv_Do * L * 1000 'mm2 Av_Do = Av_Do - * At_Do * N_Do 'mm2 VRd_Fr = Av_Do * T_fr / 1000 / PSF_VL_Fr 'kN 'Total Longitudinal Shear resistance VL_Rd_DoFr = VRd_Do + VRd_Fr 'kN 'Longitudinal Shear Force of COMBeam VL_Ed = Math.Min(Aa_net * Fy / PSF_a / 1000, Nc1 + Nc2 + Nc3 + Nc4 + Nc5 + Nc6 + Nc7) 'VL_Ed = Aa_net * Fy / PSF_a / 1000 'kN 'If VL_Ed > (Nc1 + Nc2 + Nc3 + Nc4 + Nc5) Then 'VL_Ed = (Nc1 + Nc2 + Nc3 + Nc4 + Nc5) 'End If PL-23 Level_VL = Math.Min(VL_Rd_DoFr / VL_Ed, 1) 'If VL_Rd_DoFr / VL_Ed