Ứng xử chọc thủng của liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép dùng chi tiết liên kết cải tiến

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Lưu THANH BÌNH ỨNG XỬ CHỌC THỦNG CỦA LIÊN KÉT GIŨA CỘT ĨNG THÉP NHỒI BÊ TƠNG VÀ SÀN PHẲNG BÊ TƠNG CĨT THÉP DÙNG CHI TIẾT LIÊN KÉT CẢI TIÉN LUẬN ÁN TIẾN SÌ TP HỒ CHÍ MINH - NẢM 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỊ CHÍ MINH TRNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Lưu THANH BÌNH ÚNG xử CHỌC THỦNG CỦA LIÊN KÉT GIŨ A CỘT ĨNG THÉP NHỒI BÊ TƠNG VÀ SÀN PHẢNG BÊ TƠNG CĨT THÉP DÙNG CHI TIÉT LIÊN KÉT CẢI TIẾN Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Dân dụng Công nghiệp Mã số chuyên ngành: 62580208 Phản biện: PGS.TS Phan Đức Hùng Phân biện: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu Phân biện: PGS.TS Hồ Đức Duy Phản biện độc lập: PGS.TS Đinh Văn Thuật Phản biện độc lập: TS Trần Văn Phúc NGƯỜI HƯỚNG DẢN: l.PGS.TS.Ngô Hữu Cường PGS.TS Nguyễn Minh Long LỜI CAM ĐOAN Tác gia xin cam đoan đày cơng trình nghiên cứu cua bán thân tác kct qua nghiên cứu phan đề tài nghiên cứu hợp tác Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP Hồ Chí Minh Tập đồn Thép JFE - Nhật Ban PGS.TS Ngơ Hữu Cường chu trì Cơng tác nghiên cửu thực Phịng thí nghiệm Kct cấu Cơng trình Bách Khoa (BKSEL), Khoa Kỳ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM Các kết qua nghiên cứu kểt luận luận án trung thực không chép từ bat kỳ nguồn hình thức Việc tham kháo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dần ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định TP.HCM, ngày i9 tháng 12 năm 2022 Tác gia luận án Chữ ký Lưu Thanh Binh i TĨM TẤT Kết cấu sàn phăng bê tơng cốt thép (BTCT)/bê tông ứng suất trước (BTƯST) - cột ống thép nhồi bé tơng (CFT) dạng kết cấu có nhiều đặc điểm trội mặt kết cấu, thi công kiến trúc dùng nhiều công trình dân dụng cơng nghiệp Tuy nhiên, sàn phăng BTCT/BTUST liên kết trực tiổp với cột CFT nên chúng phái đối mặt với kiểu phá hoại chọc thung mang tính giịn nguy giống kết cấu sàn - cột BTCT truyền thống Thêm vào đó, liên kết sàn bê tông bề mặt trơn cột thép CFT cịn ảnh hưởng mạnh đến tính tồn khối liên kết; điều có thê làm giam độ cứng lien kết, kháng chọc thung hiệu sử dụng loại kết cẩu tinh tế Việc nghiên cứu làm rõ đặc trưng ứng xứ chọc thúng loại kết cấu tinh tế, tiềm tìm kiếm dạng chi tiết kháng cắt cho đảm bảo đrrợc tính liên tục, khả kháng chọc thủng, de thi cơng mà vần đảm bảo tính déo cần thiết cho chúng vấn đề quan trọng thật cần thiết Luận án nghiên cứu ứng xừ chọc thủng kết cấu sàn BTCT/BTUST - cột CFT sử dụng số dạng chi tiết liên kết cai tiến dạng thép đồ xuất công thức bán thực nghiệm dự đoán khả kháng chọc thung liên kết sàn BTCT/BTƯST - cột CFT dìing chi tiết liên kết dạng Chương trinh thực nghiệm thực mười hai mầu liên kết sàn BTCT/BTUST - cột CFT kích thước lớn dùng bổn loại chi tiết liên kết cai tiến có thơng số kỹ thuật thay đổi gồm liên kết đầy đủ (cả sườn ngang sườn đứng), không đầy đủ (chi cỏ sườn đứng) hình dạng sườn ngang (vành khuyên liên tục chữ nhật rời rạc) Kết cho thấy chi tiết liên kết dạng ban đầy đú đề xuất giúp cho nút liên kết sàn BTCT/BTUST - cột CFT trì độ cứng tốt; có khả kháng chọc thủng lớn đáng kể (lên đến 25%), khả biến dạng vượt trội (lên đến 123%) độ deo dai tốt (lên đến 91%) có hấp thụ lượng ẩn tượng (lên đến 216%) so với nút sàn - cột BTCT truyền thống Trong chi tiết liên kết không đầy đu giúp cải thiện mạnh kha biến dạng (29%), độ deo dai (4%) khả hấp thụ lượng (18%) lại làm giam nhẹ khả kháng chọc thùng (xấp xi 7%) giảm đáng kể độ cứng sau nứt (xấp xỉ 50%) nút liên kết sàn BTCT - cột CFT so với nút sàn - cột BTCT truyền thống Kết quà nghiên cứu cho ii thấy hiệu cải thiện đặc tính kết cấu tất cà loại chi tiết liên kết dạng đề xuất nút liên kết sàn BTUST - cột CFT nhỏ hon rô rệt so với nút liên kết sàn BTCT - cột CFT, đặc biệt phương diện khả kháng chọc thủng (nhó 213%), độ dẻo dai khả hấp thụ lượng (lan lượt nhỏ 264% 232%) Diều cho thấy cần có thêm nghiên cứu tiến dạng chi tiết liên kết dùng thép đề xuất đổ có thê tăng hiệu quã sử dụng chúng cho trường hợp kết cấu sàn BTUST - cột CFT Có khác biệt rõ ứng xứ chọc thung cua nút liên kết sàn BTƯST - cột CFT với nút liên kết sàn BTCT - cột CFT dùng chi tiết liên kết thép đề xuất Cáp UST giúp kiếm soát hiệu tốc độ suy giảm độ cứng cua liên kết sàn — cột CFT; theo đó, mức độ suy giam độ cứng sau nứt so với trước nứt mầu liên kết sàn BTUST - cột CFT nhỏ đáng kể (đến 2,1 lần) so VỚI cua mẫu liên kết sàn BTCT - cột CFT Kết qua khiến cho cáp UST mặt giúp sàn kiểm soát tốt chuyển vị (giảm đen 58%) đâm bảo tốt yêu cầu kết cấu ve giới hạn sử dụng; mặt khác, làm tăng tính giịn giám biến dạng (chuyển vị cuối cùng) sàn (đến 51%) Điều khiến cho độ dèo chì số hấp thụ lượng mầu liên kết sàn BTUST - cột CFT giảm đáng kể đến 44% 41% so với cúa mẫu liên kết sàn BTCT - cột CFT Trong bôi cánh hầu hết cơng thức có xây dựng dựa phương pháp thực nghiệm, công thức đề xuất luận án xây dựng theo phương pháp giải tích kết hợp với thực nghiệm đà phan ánh gần chất vật lý kiêu phá hoại chọc thung, lồng ghép dược mơ hình làm việc cua vật liệu, điều kiện cân bàng tương thích biến dạng, đồng thời tận dụng tinh đơn giản cùa nguyên lý cộng tác dụng truyền thống Kết kiềm chửng cho thấy cơng thức đồ xuất dự đốn khả kháng chọc thung cua nút liên kết sàn BTCT/ BTUST - cột CFT dùng chi tiết liên kết dạng với mức độ xác tốt có phân tán thấp so với kết qua thực nghiệm, dùng đề hồ trợ công tác thiết kế kết cấu sàn BTCT/BTƯST - cột CFT ••• ill ABSTRACT Reinforced concrete (RC)Zunbondcd prestressed concrete (UPC) flat slab - concrete- filled steel tube (CFT) column joints possess many outstanding features in terms of structure, construction and architecture RC7UPC slab - CFT column joints are, thus, widely used in civil and industrial projects However, since the RC/ƯPC slabs are directly connected to the CFT columns, the slabs also face the same brittle and dangerous type of punching shear failure as the traditional slab - RC column joint In addition, the inherent weak bond between the concrete slab and the smooth surface of the CFT steel column strongly affects the integrity of the connection, which can reduce the stiffness, punching shear resistance and effectiveness of this delicate structure RC/UPC slab - CFT column joints Clarifying the punching shear behavior of this delicate and promising structure as well as searching for new types of connection elements that can ensure the continuity, punching shear resistance, ease of construction and ductility of this structure are of crucial importance This thesis investigates the punching shear behavior of RC/UPC slab - CFT column joints using proposed innovative connections in the form of steel plates and proposes a semi-empirical model to predict the punching shear resistance of RC/UPC slab - CFT column joints using steel plate connections The experimental program was carried out on 12 large-scale RC/UPC slab - CFT column joints using four types of innovative connections with various configurations including full connection (having both horizontal bearing plates and vertical ribs) and reduced connection (only vertical ribs), and with different shapes of horizontal bearing plates (continuous annular and discrete rectangular) The experimental results showed that the proposed full connection helped the RC/UPC slab - CFT column joints maintain good rigidity, have a significantly greater punching shear resistance (up to 25%), outstanding deformability (up to 123%) and good ductility (up to 91%) as well as a very high energy absorption capacity (up to 216%) compared to the traditional slab - RC column joint Meanwhile, the reduced connection also greatly improved the deformability (29%), ductility (4%) and energy absorption capacity (18%) but slightly reduced the punching shear resistance (about 7%) and significantly reduced the post-cracking stiffness (about 50%) of the slab-CFT column iv joint compared to the traditional slab - RC column joint The obtained test results also showed that the effectiveness in improving the structural response of all the proposed connections for the UPC slab - CFT column joint was significantly smaller than that for the RC slab - CFT column joint, especially in terms of punching shear resistance (smaller than 213%), ductility and energy absorption (smaller than 264% and 232%, respectively) This means that more research is needed to improve the steel plate connections proposed in this thesis to increase further their effectiveness in the case of UPC slab-CFT column joints There was a clear difference in the punching shear behavior between the UPC slab - CFT column and RC slab - CFT column joints The prestressing tendons effectively reduced the rate of stiffness deterioration of the slab — CFT column joints That is, the degree of stiffness reduction (after cracking compared to before cracking) of the UPC slab - CFT column samples was significantly smaller (up to 2.1 times) than that of the RC slab - CFT column samples This result means that the tendons, on the one hand, helped control the slab displacement well (reduced by up to 58%) and ensure the serviceability of the structure However, on the other hand, the tendons increased the brittleness and reduced the deformability (final displacement) of the slab (up to 51%) This resulted in the ductility and energy absorption indexes of the UPC slab - CFT column samples being significantly smaller than the RC slab-CFT column samples (up to 44% and 41%, respectively) In the context that most of the existing models to calculate the structural strength are empirically based, the formulas proposed in this thesis, which are built by the analytical method combined with the experiment, have been more closely reflected the physical nature of the punching shear failure The proposed model incorporates in it the material model, the conditions of equilibrium and the strain compatibility, while at the same lime, taking advantage of the simplicity of the traditional superposition method The verification results showed that the proposed formulas were able to predict the punching shear resistance of RC/UPC slab - CFT column joints using steel plate connection slab with good accuracy and low variation compared with the experimental results Therefore, the proposed formulas can be used to facilitate the design of RC/UPC slabCFT column joints V LỜI CÁM ƠN Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến q giảng viên Bộ mơn Cơng trình - Khoa Kỳ thuật Xây dựng tạo điều kiện cho hoàn thành Luận án Tiến sĩ này, đặc biệt PGS.TS Ngô Hữu Cường PGS.TS Nguyễn Minh Long vi MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC BẢNG BIẾC xi DANH MỤC CÁC TÙ V1ÉT TẢT xii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .xiii CHNG I TĨNG QUAN VÀ NỘI DUNG NGHIÊN cúu 1.1 ĐẶT VÁN ĐỀ 1.2 CHỦ ĐỀ NGHIÊN cửu 1.3 TỔNG QUAN 1.3.1 Các thực nghiệm ứng xử chọc thung liên kết sàn BTCT - cột CFT 1.3.2 Các thực nghiệm ứng xứ chọc thủng liên kết sàn BTUST - cột CFT19 1.3.3 Một vài nhận xét nghiên cứu thực nghiệm có 22 1.3.4 Mơ hình cơng thức dự đoán kha kháng chọc thúng cũa liên kết sàn-cộtCFT ? 23 1.3.5 Nhận xét mơ hình 30 1.4 NỘI DUNG NGHIÊN cửu 30 1.4.1 Mục tiêu 30 1.4.2 Ý nghĩa nghiên cứu 31 1.4.3 Đối tượng, phạm vi phương pháp nghiên cứu 32 CHƯƠNG KHẢO SÁT THỤC NGHIỆM ÚNG xử CHỌC THỦNG CỦA LIÊN KÉT SÀN BTCT/BTUST - CỘT CFT DÙNG CHI TIÉT CÁI TIÉN 34 2.1 ĐỀ XUÁT CHI TIÉT LIÊN KẾT 34 2.2 VẬT LIỆU VÀ MÀU THÍ NGHIỆM 37 2.2.1 Vật liệu 37 2.2.2 Mầu thí nghiệm 39 2.3 Sơ ĐỊ THÍ NGHIỆM VÀ BỐ TRÍ THIÉT BỊ ĐO 42 2.3.1 Sơ dồ thí nghiệm 42 2.3.2 Bổ trí thiết bị đo đạc 44 2.4 KÉT QUA THỤC NGHIỆM VÀ THAO LUẬN .45 2.4.1 ứng xử chọc thủng mầu liên kết sàn BTCT -cộtCFT 45 2.4.2 Úng xư chọc thủng cùa mẫu liên kết sànBTUST - cộtCFT so sánh với mẫu liên kết sàn BTCT - cột CFT tương ứng 62 vii 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 77 2.5.1 Mầu liên kết sàn BTCT - cột CFT 77 2.5.2 Mầu liên kểt sàn BTUST - cột CFT 78 2.5.3 So sánh mẫu liên kết sàn BTUST - cột CFT với mẫu lien kết sàn BTCT cột CFT 79 CHƯƠNG XÂY DỤNG CƠNG THÚC DỤ ĐỐN KHẢ NĂNG KHÁNG CHỌC THỦNG CỦA LIÊN KẾT SÀN PHẤNG BTCT/BTUST - CỘT CFT 80 3.1 CÒNG THỨC ĐỀ XUÁT 80 3.1.1 Công thức đề xuất xác định kha kháng chọc thủng cúa liên kết sàn BTCT- cọt CFT .? 80 3.1.2 Công thức đề xuất xác định khả kháng chọc thung liên kết sàn BTUST-cộtCFT 87 3.2 KIẾM CHỦNG VÀ so SẢNH CÒNG THỨC ĐÈ XUẨT 88 3.2.1 Kiểm chứng 88 3.2.2 So sánh mức độ xác công thức đề xuất 91 3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 94 KẾT LUẬN 96 KẾT LUẬN 96 CÁC ĐỎNG GÓP MỚI CUA LUẬN ÁN 99 CÁC TỒN TẠI 100 KIÉN NGHỊ 100 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 PHỤ LỤC 105 viii ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HÒ CHÍ MINII CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NHẬN XÉT LUẬN ÁN TIẾN sĩ Cùa nghiên cứu sinh: Lưu Thanh Bình Tên đề tài: ứng xử chọc thủng liên kết cột ống thép nhồi bê tông sàn phẳng bê tông cốt thép dùng chi tiết liên kết cải tiến Chuyên ngành: Họ tên người nhận xét: Chức danh: Chuyên ngành: Cơ quan công tác: Kỹ thuật xây dựng TS Trần Văn Phúc Năm bổ nhiệm: Học vị: Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng Đại học Kiến trúc Thành phố Hồ Chí Minh Mã số: 62580208 Nãm bảo vệ: 2013 Ý KIẾN NHẬN XÉT Sự cần thiết tính thời sự, ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: Trong nhà cao tầng, chiều cao tầng kích thước cấu kiện kết cấu ành hưởng đến tính kinh tể cơng sử dụng cơng trình lớn số lượng tầng mong muốn tối đa mà không phá vỡ quy hoạch I lộ kết cấu cột thép nhồi bê tông (CFT) sàn phảng BTCT hệ kết cấu đáp ứng dược tiêu chí đồng thời rút ngắn thời gian thi công Hệ kết cấu dã dược áp dụng nhiều nơi giới tương lai Việt Nam áp dụng phổ biến, Bên cạnh ưu điểm trơn cần phải giải vấn đề liên kết kháng chọc thủng cột thép nhồi bô tông sàn phăng để đàm bảo khả chịu lực cùa hệ Do dó đề tài cùa luận văn đảm bảo cần thiết tính thời tình hình ngành xây dựng nước Luận án nghiên cứu ứng xử chọc thủng cùa kết cấu sàn BTCT/BTUST - cột CFT sử dụng sổ dạng chi tiết liên kết cài tiến dạng thóp Trong dó phân tích thực nghiệm làm rõ đặc tính kết cấu khả kháng cắt thùng, biến dạng, độ dẻo dai khả hấp thu lượng liên kết sàn BTCT / BTƯST - cột CFT sử dụng số dạng chi tiết liên kết cải tiến dùng thóp bàn; làm rõ khác biệt đặc tính kết cấu liên kết sàn BTCT “ cột CFT với liên kết sàn BTUST - cột CFT sử dụng số dạng chi tiết liên kết cải tiến dùng thép thay cho việc sử dụng thép hình nay; đề xuất cơng thức bán thực nghiệm dự doán khả kháng chọc thủng cùa liên kết sàn BTCT / BTƯST - cột CFT có thực kiểm chứng so sánh mức dộ xác cơng thức đề xuất với vài cơng thức lương tự có Việc đề xuất lien kết dùng thép thay cho thép hình làm mềm hóa liên kết tránh khả bị phá hoại giòn, bị chọc thủng đột ngột, tăng khả hấp thu lượng đồng thời giảm đáng kể khối lượng thép cho liên kết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao Bơn cạnh đó, luận vãn cịn cung cấp thêm nhiều thơng tin có giá trị khoa học ứng xử liên kết sàn BTƯST - Cột CFT (khả kháng cắt thủng, khả biến dạng độ dẻo dai hấp thu lượng), đặc biệt sàn BTUST dùng cáp khơng bám dính Sự khơng trùng lặp đề tài: Các hình thức liên kết sàn BTCT - Cột CFT chủ yếu cấu tạo từ thép hình, có độ dày kết cấu lớn, độ cứng cao Luận án nghiên cứu cải tiến việc sừ dụng thép thay cho thép hình nhăm giảm độ cồng kềnh liên kết đồng thời mềm hóa liên kết đảm bảo tính liên tục truyền lực sàn cột Ben cạnh đó, qua việc nghiên cứu ứng xử liên két sàn BTUST (dùng cáp khơng bám dính) - Cột CFT có so sánh với đặc tính cùa liên kết sàn BTCT - Cột CFT mang lại nhiều thông tin khoa học Nội dung nghiên cứu luận án hoàn tồn khơng trùng lặp với nghiên cứu Các trích dẫn tài liệu tham khảo rõ ràng, trung thực Sụ' phù họp tên đề tài với nội dung, nội dung vói chuyên ngành mã số chuyên ngành: Ten đề tài nghiên cứu phù hựp với nội dung Nội dung nghiên cửu phù hợp với ngành đào r-)f tạo Sự hợp lý độ tin cậy phương pháp nghiên cứu: Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, tính tốn giải tích thống kê hồi qui Một chương trình thực nghiệm đầy đủ dược xây dựng đối tượng nghiên cứu liên kết sàn BTCT/BTUST - Cột CFT Các thiết bị, dụng cụ đo đạc đại dã dược sử dụng nhàm đảm bảo tính xác kết thu dược Đối với mục tiêu, nội dung nghiên cứu luận án việc lựa chọn phương pháp thực nghiệm phù hựp, đăm bảo tính tường minh, dộ tin cậy Những đóng góp luận án: Kểt quà nghiên cứu luận án đóng góp thêm số nội dung có ý nghĩa khoa học giá trị thực tiễn lĩnh vực áp dụng cột thép nhồi bê tông cơng trình Dây lĩnh vực dược phát triền năm gần Việt Nam thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học đội ngũ tư vấn nước •