Luận án nghiên cứu khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông ứng lực trước

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nghiên cứu nêu luận án trung thực chưa công bố cơng trình khác Hà Nội, ngày 08 tháng 08 năm 2019 Tác giả luận án Trần Việt Tâm ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Phan Quang Minh, PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương tận tình hướng dẫn, cho nhiều dẫn khoa học có giá trị, thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả suốt q trình học tập, nghiên cứu, hồn thành luận án nâng cao lực khoa học cho tác giả Tác giả xin chân thành cảm ơn Bộ mơn cơng trình Bê tơng cốt thép, Phịng thí nghiệm LAS-XD125, Khoa xây dựng dân dụng công nghiệp, Khoa đào tạo Sau đại học nơi tác giả nghiên cứu hoàn thành luận án Tác giả xin cảm ơn PGS-TS Vũ Hoàng Hưng – trường Đại học thủy lợi, có ý kiến đóng góp quý báu xây dựng mơ hình khảo sát số phần mềm ANSYS Cuối tác giả bày tỏ lòng biết ơn người thân gia đình động viên khích lệ, chia sẻ khó khăn với tác giả trình thực luận án Tác giả luận án Trần Việt Tâm iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vii DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xi MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu luận án Đối tượng, phạm vi nghiên cứu, sở khoa học phương pháp nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Các đóng góp luận án Cấu trúc luận án CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHẢ NĂNG CHỐNG CHỌC THỦNG CỦA SÀN PHẲNG 1.1 Khái niệm khả chống chọc thủng sàn phẳng 1.2 Các mơ hình xác định khả chống chọc thủng sàn phẳng BTCT 1.2.1 Mơ hình học phá hoại chọc thủng theo điều kiện cân 1.2.2 Mơ hình dàn 11 1.2.3 Mô hình phá hoại vùng kéo 12 1.2.4 Mơ hình uốn tính chọc thủng 16 1.2.5 Mơ hình vết nứt tới hạn góc xoay Muttoni (2008) 17 1.3 Các mơ hình xác định khả chống chọc thủng sàn phẳng bê tông ứng lực trước 18 1.3.1 Mơ hình ứng suất kéo 18 1.3.2 Mơ hình thêm lượng thép dọc chịu kéo tương đương 19 1.3.3 Mơ hình ứng suất nén ngược tương đương (decompression stress) 19 1.4 Nghiên cứu thực nghiệm khả chống chọc thủng sàn phẳng BTCT 20 1.5 Khảo sát khả chống chọc thủng sàn phẳng phương pháp số 23 1.6 Các tiêu chuẩn thực hành 25 1.6.1 Tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI-318-2014 25 1.6.2 Tiêu chuẩn châu Âu EC2 (2004) 27 1.6.3 Tiêu chuẩn Ôxtrâylia AS3600 (2018) 28 1.6.4 Tiêu chuẩn Canada CSA A23.3-14 29 1.6.5 Tiêu chuẩn Trung Quốc GBJ 50010-2010 30 iv 1.6.6 Tiêu chuẩn Anh Quốc BS 8110-1997 31 1.6.7 Tiêu chuẩn Đức DIN 1045-2008 31 1.6.8 Tiêu chuẩn FIB – Modal Code 2010 32 1.6.9 Tiêu chuẩn TCVN 5574-2018 33 1.7 Các nghiên cứu khả chống chọc thủng sàn phẳng BTCT Việt nam 35 1.8 Nhận xét rút từ tổng quan 37 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG CHỌC THỦNG CỦA SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG MÔ PHỎNG SỐ 38 2.1 Giới thiệu 38 2.2 Mơ hình hóa cốt thép bê tông 40 2.3 Mơ hình vết nứt bê tơng 41 2.4 Xây dựng mơ hình phần tử hữu hạn 42 2.4.1 Phần tử mơ hình 42 2.4.2 Chia lưới điều kiện biên 44 2.4.3 Vật liệu mơ hình 46 a Sự làm việc bê tông 46 b Mô hình quan hệ ứng suất – biến dạng bê tông thường nén, không kiềm chế nở ngang 47 c Mơ hình quan hệ ứng suất – biến dạng bê tông chịu kéo 56 2.5 Tiêu chuẩn phá hoại 58 2.5.1 Tiêu chuẩn phá hoại bê tông 58 2.5.2 Tiêu chuẩn phá hoại mẫu 58 2.6 Thông số đầu vào cho mô hình 60 2.6.1 Bê tông 60 2.6.2 Cốt thép, cốt thép cường độ cao, thép đệm 62 2.6.3 Tải trọng đứng 62 2.6.4 Tải trọng ứng suất trước 63 2.7 Sơ đồ khối thuật tốn xây dựng mơ hình tính khả chống chọc thủng sàn Ansys viết ngôn ngữ ADPL 63 2.8 Kiểm chứng mơ hình số với thí nghiệm cơng bố 64 2.8.1 Mơ thí nghiệm Yaser Mirzae 64 2.8.2 Mơ thí nghiệm Alam (1997) 66 2.8.3 Mơ thí nghiệm Franklin and Long cho sàn phẳng BT ứng lực 67 2.8.4 Mơ thí nghiệm Rahman 68 2.8.5 Nhận xét 69 v 2.9 Khảo sát ảnh hưởng hàm lượng thép dọc đến khả chống chọc thủng sàn BTCT 69 2.10 Khảo sát số ảnh hưởng ứng suất nén trước bê tông đến khả chống chọc thủng sàn 73 2.11 Khảo sát ảnh hưởng cường độ bê tơng, tham số kích thước đến khả chống chọc thủng sàn BTCT 75 2.11.1 Ảnh hưởng cường độ bê tông 75 2.11.2 Ảnh hưởng chiều cao làm việc sàn 77 2.11.3 Ảnh hưởng kích thước tiết diện hình chữ nhật cột 78 2.12 Xây dựng công thức xác định khả chống chọc thủng sàn phẳng BTCT bê tông ứng lực trước 79 2.12.1 Cơ sở xây dựng công thức 79 2.12.2 Xây dựng công thức xác định khả chống chọc thủng sàn phẳng BTCT 80 2.12.3 Xây dựng công thức xác định khả chống chọc thủng sàn phẳng bê tông ứng lực trước 81 2.12.4 Đánh giá công thức đề xuất với kết mô số 81 2.12.5 Đánh giá công thức đề xuất với kết kết thí nghiệm cơng bố 83 2.13 Nhận xét chương 84 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỐNG CHỌC THỦNG CỦA SÀN PHẲNG BTCT VÀ BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC 85 3.1 Mục tiêu nội dung nghiên cứu thực nghiệm 85 3.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 85 3.1.2 Nội dung nghiên cứu 85 3.2 Cơ sở thiết kế mẫu mơ hình thí nghiệm 86 3.2.1 Cơ sở xây dựng mơ hình 86 3.2.2 Thiết lập mẫu thí nghiệm 86 3.3 Thiết kế chế tạo mẫu thí nghiệm 87 3.3.1 Bê tông 87 3.3.2 Cốt thép thường 88 3.3.3 Cốt thép căng trước 88 3.4 Kích thước cấu tạo mẫu thí nghiệm 88 3.4.1 Cấu tạo mẫu không ứng lực S0N1; S0N2 ; S0N3 90 3.4.2 Cấu tạo mẫu S1 ; S2 91 3.5 Hệ gia tải 91 3.5.1 Hệ gia tải đứng 91 3.5.2 Khung gia tải ứng lực trước 93 vi 3.6 Sơ đồ bố trí thiết bị đo 94 3.6.1 Sơ đồ lắp đặt chuyển vị kế (LVDT) 94 3.6.2 Sơ đồ lắp đặt cảm biến (Strain gauges) 95 3.7 Chế tạo mẫu thí nghiệm 98 3.7.1 Đúc mẫu thí nghiệm 98 3.7.2 Trình tự căng thép ứng lực trước 99 3.7.3 Trình tự bng neo 100 3.8 Thí nghiệm tiêu lý vật liệu 101 3.8.1 Thí nghiệm cường độ chịu nén, kéo mô đun đàn hồi bê tơng 101 3.8.2 Thí nghiệm kéo thép 105 3.8.3 Thí nghiệm kéo thép ứng lực trước 105 3.8.4 Tổn hao ứng suất thép ứng lực trước 106 3.9 Thí nghiệm khả chống chọc thủng sàn phẳng 107 3.10 Kết thí nghiệm 110 3.10.1 Số liệu thí nghiệm cách xử lý 110 3.10.2 Khả chống chọc thủng sàn phẳng 110 3.10.3 Độ võng lớn điểm sàn 112 3.10.4 Sự hình thành vết nứt 113 3.10.5 Quan hệ tải trọng độ võng điểm sàn phẳng 117 3.10.6 Quan hệ tải trọng biến dạng bê tông 121 3.10.7 Quan hệ tải trọng ứng suất cốt thép 124 3.10.8 Kiểm chứng mơ hình ANSYS với kết thí nghiệm 126 3.10.9 Kiểm chứng công thức đề xuất với kết thí nghiệm 127 3.11 Nhận xét chương 128 KẾT LUẬN 130 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO 133 PHỤ LỤC A PL1 PHỤ LỤC B PL8 PHỤ LỤC C PL10 PHỤ LỤC D PL103 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU BTCT Bê tông cốt thép BTƯL Bê tông ứng lực trước PTHH Phần tử hữu hạn HLT Hàm lượng thép KN CCT Khả chống chọc thủng sàn phẳng BTCT Pct , Vu Lực nén (cắt) tới hạn gây chọc thủng sàn Rb , fcu Cường độ chịu nén tính tốn (đặc trưng) bê tơng mẫu lập phương fc’ Cường độ chịu nén tính tốn (đặc trưng) bê tông mẫu lăng trụ Rbm ,fcm’ Cường độ chịu nén trung bình bê tơng mẫu lập phương (lăng trụ) Rbt , ft Cường độ chịu kéo tính tốn bê tông Eb , E c Mô đun đàn hồi bê tông b , fcp Ứng suất nén trước bê tông Es  Mô đun đàn hồi cốt thép y, fy Giới hạn chảy cốt thép CHƯƠNG 1: F Tổng lực tập trung tải trọng tác dụng Fb ,ult Lực tập trung lớn mà bê tơng tiếp nhận chưa bị phá hoại h0 Chiều dày hiệu dụng sàn M Tổng mơmen uốn tải trọng ngồi tác dụng M b ,ult Mômen uốn lớn mà bê tông tiếp nhận chưa bị phá hoại Rbt Cường độ chịu kéo tính tốn dọc trục bê tơng ứng với TTGH1 um Giá trị trung bình chu vi đáy đáy tháp nén thủng u Chu vi tiết diện tới hạn Wb Mômen kháng uốn CHƯƠNG fc Cường độ chịu nén mẫu lăng trụ, ứng suất ứng với với biến dạng εc Lực tập trung lớn mà bê tơng tiếp nhận chưa bị phá hoại viii ε0 biến dạng ứng suất f’c,  50u biến dạng ứng với ứng suất 50% cường độ nén lớn bê tông  c1 Biến dạng nén bê tông ứng suất lớn m , m Biến dạng ứng suất ban đầu bê tông Em Mô đun đàn hồi ban đầu bê tông vm Hệ số biến động mô đun cát tuyến  Giá trị hệ số biến động đỉnh biểu đồ  m   m ' v0 Hệ số biến động ban đầu mô đun cát tuyến 1 , 2 Hệ số đặc trưng cho độ điển đầy biểu đồ vật liệu 2   1  mức gia tăng ứng suất m,el ứng suất ứng với giới hạn đàn hồi vật liệu mk Hệ số biến động mô đun tiếp tuyến νs Hệ số Pốt xơng cốt thép  xp -  zp ứng suất theo phương x, y, z f t , f c' cường độ chịu kéo nén trục bê tông fcb , f1, f2 Cường độ chịu nén trục đẳng áp, cường độ chịu nén trục trạng thái áp lực thủy tĩnh, cường độ chịu nén trục trạng thái áp lực thủy tĩnh h  , h Hệ số ảnh hưởng chiều dày sàn đến khả chống chọc thủng sàn BTCT o,  c Hệ số truyền lực cắt vết nứt mở đóng CHƯƠNG 3: Pctdx Lực chọc thủng tính tốn cơng thức đề xuất Pctthinghiem Lực chọc thủng thí nghiệm Ecm Mơ đun đàn hồi trung bình bê tơng S0N1,2,3 Mẫu thí nghiệm khơng ứng lực nhóm 1, 2, S1,2 Mẫu thí nghiệm ứng lực trước nhóm 1, LVDT Chuyển vị kế ix D1,2,3,4,5 Điểm đo chuyển vị thí nghiệm vị trí 1, 2, 3, 4, ST1,2,3,4 Ký hiệu vị trí cảm biến đo biến dạng cốt thép vị trí 1,2… C1,2 Ký hiệu vị trí thiết bị đo chuyển vị LDVT sàn điểm 1, u Giới hạn bền cốt thép s Ứng suất cốt thép Pcti Lực chọc thủng sàn thí nghiệm thứ i Pcttb Lực chọc thủng trung bình sàn  Hàm lượng cốt thép thường sàn i Ymax Độ võng sàn thí nghiệm thứ i tb Ymax Độ võng trung bình lớn điểm sàn Pcirc Tải trọng bắt đầu gây nứt thí nghiệm thứ i Pcrc Tải trọng trung bình bắt đầu gây nứt Pcirc 0.3 Tải trọng gây bề rộng vết nứt 0.3mm nứt thí nghiệm thứ i Pcrc 0.3 Tải trọng trung bình gây bề rộng vết nứt 0.3mm Pansys Lực chọc thủng mơ hình phần mềm ANSYS F Tổng lực tập trung tải trọng tác dụng x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các trường hợp chia lưới 44 Bảng 2.2 Kết khảo sát số thí nghiệm Yaser Mirzae theo mơ hình quan hệ ứng suất biến dạng bê tông chịu nén 56 Bảng Bảng so sánh kết mô số thí nghiệm Yaser Mirzae 65 Bảng 2.4 Bảng so sánh kết thí nghiệm mẫu SLAB 13 ANSYS 66 Bảng 2.5 Bảng so sánh kết thí nghiệm Franky Long ANSYS 67 Bảng 2.6 Bảng so sánh kết thí nghiệm Franky and Long mô số 68 Bảng Thơng số nhóm mẫu khảo sát thí nghiệm số 69 Bảng 2.8 Kết khảo sát số khả CCT sàn phẳng (KN) nhóm N1R 70 Bảng 2.9 Kết khảo sát số khả CCT sàn phẳng (KN) nhóm N2R 71 Bảng 2.10 Kết khảo sát số khả CCT sàn phẳng (KN) nhóm N3R71 Bảng 11 Thơng số nhóm mẫu khảo sát thí nghiệm số 74 Bảng 3.1 Cấp phối bê tông B30 (mác 400) 88 Bảng 3.2 Thống kê chi tiết mẫu thí nghiệm 89 Bảng 3.3 Kết TN cường độ chịu nén BT nhóm khơng tạo lực nén trước 102 Bảng 3.4 Kết TN cường độ chịu nén BT nhóm tạo lực nén trước 102 Bảng 3.5 Kết thí nghiệm mơ đun đàn hồi bê tông 103 Bảng 3.6 Xác định mô đun đàn hồi bê tông từ cường độ chịu nén (MPa) 104 Bảng 3.7 Kết thí nghiệm cường độ kéo bê tông 104 Bảng 3.8 Kết xác định giới hạn chảy bền cốt thép 105 Bảng 3.9 Kết kéo thép cường độ cao 106 Bảng 3.10 Kết thí nghiệm KN CCT sàn BTCT thường 111 Bảng 3.11 Kết thí nghiệm KN CCT sàn bê tông ứng lực trước 111 Bảng 3.12 Kết thí nghiệm độ võng lớn sàn phẳng BTCT thường 112 Bảng 3.13 Kết thí nghiệm độ võng lớn sàn BT ứng lực trước 113 Bảng 3.14 Kết thí nghiệm tải trọng gây nứt sàn phẳng BTCT thường 114 Bảng 3.15 KQTN tải trọng gây nứt góc nghiêng phá hoại sàn bê tông ƯLT 116 Bảng 3.16 Bảng so sánh kết thí nghiệm tính theo ANSYS 126 Bảng 17 So sánh kết thí nghiệm cơng thức đề xuất theo HLT 127 Bảng 3.18 So sánh kết thí nghiệm công thức đề xuất theo ứng suất nén 128 PL107 ALLSEL VSEL,S,LOC,X,0,BKN ! BIEN KHONG NUT VSEL,A,LOC,X,L-BKN,L VATT,5,,1 ALLSEL VSEL,S,LOC,Z,0,BKN ! BIEN KHONG NUT VSEL,A,LOC,Z,L-BKN,L VATT,5,,1 ALLSEL VSEL,S,LOC,Y,-HC,0 !COT KHONG NUT VATT,6,,1 ALLSEL !THEP SAN *DO,I,0,L/U2 LSEL,S,LOC,Z,I*U2 LSEL,R,LOC,Y,T-A LATT,2,2,3 *ENDDO ALLSEL *DO,I,0,L/U1 LSEL,S,LOC,X,I*U1 LSEL,R,LOC,Y,T-A LATT,2,2,3 *ENDDO ALLSEL !THEP COT LSEL,S,LOC,X,L/2-BC/2+A1,L/2+BC/2-A1 LSEL,R,LOC,Z,L/2-BC/2+A1,L/2+BC/2-A1 LSEL,R,LOC,Y,-HC+A1,T-A LSEL,U,LOC,X,L/2 LSEL,U,LOC,Z,L/2 LSEL,U,LOC,Y,0 LSEL,U,LOC,Y,A LSEL,U,LOC,Y,T/2 LSEL,U,LOC,Y,T-A LSEL,U,LOC,Y,T-VTCAP LATT,2,4,3 ALLSEL !!!CHAN THEP COT !LSEL,S,LOC,X,L/2-0.1,L/2-BC/2+A1 !LSEL,A,LOC,X,L/2+BC/2-A1,L/2+0.1 !LSEL,R,LOC,Z,L/2-BC/2+A1 !LSEL,R,LOC,Y,T-A !LATT,2,4,3 !ALLSEL !LSEL,S,LOC,X,L/2-0.1,L/2-BC/2+A1 !LSEL,A,LOC,X,L/2+BC/2-A1,L/2+0.1 !LSEL,R,LOC,Z,L/2+BC/2-A1 PL108 !LSEL,R,LOC,Y,T-A !LATT,2,4,3 !ALLSEL !LSEL,S,LOC,Z,L/2-0.1,L/2-BC/2+A1 !LSEL,A,LOC,Z,L/2+BC/2-A1,L/2+0.1 !LSEL,R,LOC,X,L/2-BC/2+A1 !LSEL,R,LOC,Y,T-A !LATT,2,4,3 !ALLSEL !LSEL,S,LOC,Z,L/2-0.1,L/2-BC/2+A1 !LSEL,A,LOC,Z,L/2+BC/2-A1,L/2+0.1 !LSEL,R,LOC,X,L/2+BC/2-A1 !LSEL,R,LOC,Y,T-A !LATT,2,4,3 !ALLSEL !THEP DAI COT ALLSEL LSEL,S,LOC,Y,-A1 LSEL,A,LOC,Y,-HC+A1 !LSEL,A,LOC,Y,T-A LSEL,R,LOC,X,L/2-BC/2+A1,L/2+BC/2-A1 LSEL,R,LOC,Z,L/2-BC/2+A1,L/2+BC/2-A1 LSEL,U,LOC,X,L/2 LSEL,U,LOC,Z,L/2 LATT,2,3,3 ALLSEL !CHIA PHAN TU ESIZE,0.05 !LESIZE,ALL,,,1,,1,,,1, MSHAPE,0,3D MSHKEY,2 VSEL,ALL VMESH,ALL LSEL,S,MAT,,2,4,2 LMESH,ALL /NUMBER,1 /PNUM,MAT,1 !GAN DIEU KIEN BIEN /SOLU ALLSEL CMSEL,S,BETONG NSLA,R,1 NSEL,R,LOC,X,KCD+LD1,L-KCD-LD1 NSEL,R,LOC,Z,KCD+LD2,L-KCD-LD2 D,ALL,UY,0 ALLSEL ACEL,0,9.81,0 ALLSEL PL109 NSEL,S,LOC,Y,-HC D,ALL,UX D,ALL,UZ ALLSEL ANTYPE,TRANS eqslv,sparse ncnv,0 nropt,full outres,all,all outpr,all,all p0=L*L*T*25 DELTAP=0.1 NP=P/DELTAP TM_START=1 !Thoi gian bat dau TM_END=NP+1 !Thoi gian ket thuc TM_INCR=1 !Buoc thoi gian *DO,TM,TM_START,TM_END,TM_INCR sfdele,all,all TIME,TM NSUBST,1 !GAN LUC NEN VAO COT NSEL,S,LOC,Y,-HC sf,ALL,pres,((TM-1)*DELTAP)/(bc*bc) ALLSEL SOLVE *ENDDO FINISH /POST1 /DEVICE,VECTOR,1 PLCRACK,0,0 /VIEW,1,,1 ALLSEL CMSEL,S,BETONG NSLA,R,1 NSEL,R,LOC,X,KCD+LD1,L-KCD-LD1 NSEL,R,LOC,Z,KCD+LD2,L-KCD-LD2 PRRSOL,FY NSOL,2,285,U,Y, UY_2, XVAR,1 PLVAR,2, PL110 D-2) MƠ HÌNH KHẢ NĂNG CHỐNG CHỌC THỦNG SÀN PHẲNG BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC /FILNAME, PUNCHING SHEAR FOR POST TENSION FLAT SLABS /VIEW,1,,,1 /ANG,1 /PLOPTS,DATE,0 /TITLE, TN CHOC THUNG SAN PHANG UNG LUC !KHAI BAO KICH THUOC L=1.0 !CANH SAN (m) T=0.06 !CHIEU DAY SAN (m) P=150 !LUC TAC DUNG DAU COT,kn ALB=2.5 !MPA BKN=0.3 A=0.01 !LOP BAO VE COT THEP SAN (m) A1=0.01 !LOP BAO VE COT THEP COT (m) DK1=0.006 !DK LUOI THEP SAN d10 (m) DK2=0.006 !DK LUOI THEP DAI COT d6 (m) DK3=0.012 !THEP COT D20 U1=0.10 !KC LUOI THEP (m) U2=0.10 U3=0.10 !KC LUOI THEP (m) U4=0.10 BC1=0.12 BC2=0.12 HC=0.05 KCD=0.1 LD1=0.1 !KT DEM (m) LD2=0.1 TD=0.025 LM=0.1 !CHAN THEP COT !KHAI BAO VAT LIEU !BE TONG fc=34.3E3 !CUONG DO CHIU NEN GIOI HAN (KN/M2) ft=1000*0.21*(fc/1000)**0.66667 !CUONG DO CHIU KEO GIOI HAN (KN/M2) EX_CON=1000*22*(fc/10/1000)**0.3 !MODUN DAN HOI (KN/M2) PRXY_CON=0.2 !HE SO POISSON DENS_CON=0 !KHOI LUONG RIENG (T/m3) SHRCF_OP=0.30 !HE SO VET NUT MO (