Nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng sự làm việc của nút khung liên hợp dầm thép cột bê tông cốt thép chịu đồng thời tải trọng đứng và tải trọng ngang đổi chiều cấp trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI  BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG SỰ LÀM VIỆC CỦA NÚT KHUNG LIÊN HỢP DẦM THÉP – CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU ĐỒNG THỜI TẢI TRỌNG ĐỨNG VÀ TẢI TRỌNG NGANG ĐỔI CHIỀU Mã số: T2017 - KTXD - 02 Chủ nhiệm đề tài: Th.S LÊ ĐĂNG DŨNG Thời gian thực hiện: 01/01/2017 - 31/12/2017 Ngày viết báo cáo: 12/2017 Hà Nội, 2017 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH MỞ ĐẦU .5 Giới thiệu chung Nội dung đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG LIÊN HỢP DẦM THÉP CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Nghiên cứu thực nghiệm giới 11 1.2.1 Tình hình nghiên cứu thực nghiệm giới 11 1.2.2 Các nghiên cứu đại học Texas 13 1.2.3 Các nghiên cứu đại học Cornell 15 1.2.4 Các nghiên cứu đại học Michigan 16 1.2.5 Các nghiên cứu gần 16 1.3 Nghiên cứu mô giới 23 1.4 Ứng dụng nút khung liên hợp thực tế 26 1.5 Tiêu chuẩn hướng dẫn thiết kế 28 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG LIÊN HỢP DẦM THÉP CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP 30 2.1 Mục đích thí nghiệm 30 2.2 Thiết kế thực thí nghiệm 30 2.2.1 Lựa chọn sơ đồ thí nghiệm 30 2.2.2 Cấu tạo mẫu thí nghiệm 33 2.2.3 Thiết bị đo 35 2.3 Kết thí nghiệm 36 2.3.1 Quan sát thí nghiệm 36 2.3.2 Quan hệ tải trọng ngang – chuyển vị 37 2.3.3 Khả tiêu tán lượng 38 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG LIÊN HỢP DẦM THÉP CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP 40 3.1 Giới thiệu chung 40 3.2 Mơ hình hóa 40 3.2.1 Mơ hình tổng thể nút 40 3.2.2 Mơ hình vật liệu bê tơng 41 3.2.3 Mơ hình vật liệu thép 42 3.2.4 Lựa chọn dạng phần tử chia lưới 42 3.2.5 Quan hệ tương tác thành phần 43 3.3 Kết mơ hình mơ 44 3.3.1 Mơ hình chịu tải trọng khơng đổi chiều 44 3.3.2 Mơ hình chịu tải trọng đổi chiều 45 KẾT LUẬN……………………………………………………………………………………………… 48 Nội dung thực 48 Kết luận 48 Kiến nghị 49 Lời cảm ơn 49 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Chi tiết cấu tạo nút nghiên cứu Nishiyama 10 Hình 1.2 Dạng phá hoại theo nghiên cứu Sheikh Deierlein 14 Hình 1.3 Cấu tạo nút nghiên cứu Seyed Rasoul Mirghaderi, 2013 18 Hình 1.4 cấu tạo nút theo Seyed Rasoul Mirghaderi, 2015 18 Hình 1.5 dạng phá hoại nút khung theo nghiên cứu Seyed, 2015 19 Hình 1.6 Dạng nút theo nghiên cứu Wu, 2008 19 Hình 1.7 Cấu tạo nút nghiên cứu Saeid Alizadeh, 2015 20 Hình 1.8 dạng phá hoại nghiên cứu Saeid Alizadeh, 2015 21 Hình 1.9 Cấu tạo nút nghiên cứu Nishimura, 2012 22 Hình 1.10 Quan hệ lực – góc xoay tương ứng với dạng cấu tạo 22 Hình 1.11 Các dạng phá hoại nghiên cứu Nishimura, 2012 [24] 22 Hình 1.12 Mơ hình tổng thể nghiên cứu Uchida Noguchi 23 Hình 1.13 Mơ hình phần tử vùng nút khung RCS Uchida Noguchi 24 Hình 1.14 So sánh hực nghiệm mô trường hợp mở rộng [9] 24 Hình 1.15 So sánh dạng phá hoại mơ hình thí nghiệm mơ [9] 24 Hình 1.16 Nghiên cứu mơ thực nghiệm Alizadeh 2013 [7] 25 Hình 1.17 Nghiên cứu mơ thực nghiệm Shen 2010 [31] 25 Hình 1.18 Nghiên cứu mơ thực nghiệm Kataoka 2014 [8] 25 Hình 1.19 Khung RCS thi công chỗ 26 Hình 1.20 Khung RCS thi công bán lắp ghép 26 Hình 1.21 Khung RCS theo phương 26 Hình 1.22 Khung RCS vượt nhịp lớn 27 Hình 1.23 Biện pháp thi cơng kết cấu RCS sử dụng thép dọc cột làm giáo chống 27 Hình 1.24 Biện pháp thi cơng kết cấu RCS có dùng cột định hướng 27 Hình 1.25 dạng nút đai thép nút bu lông thực tế 28 Hình 1.26 Cơng trình sử dụng kết cấu RCS Mỹ 28 Hình 2.1 Cấu tạo nút khung nghiên cứu đề tài 30 Hình 2.2 Sơ đồ tính nút khung tách từ kết cấu khung 31 Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm thực tế 31 Hình 2.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tương ứng với sơ đồ tính lực tác dụng dầm 32 Hình 2.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm thực tế 32 Hình 2.6 Lịch sử gia tải trọng ngang 33 Hình 2.7 Chi tiết cấu tạo phần thép hình 33 Hình 2.8 Cấu tạo chi tiết nút sử dụng nghiên cứu 34 Hình 2.9 Cốt thép đai chiều dài cột 34 Hình 2.10 Vị trí đặt cảm biến đo biến dạng thép 35 Hình 2.11 Các giai đoạn phá hoại nút 36 Hình 2.12 Các giai đoạn phá hoại nút 37 Hình 2.13 Quan hệ lực cắt- chuyển vị ngang 38 Hình 2.14 Đường bao quan hệ lực cắt-độ lệch tầng 38 Hình 2.15 Biểu đồ tỉ số tiêu tán lượng 39 Hình 3.1 Mơ hình tổng thể nút phần mềm PTHH Abaqus 6.12 40 Hình 3.2 Điều kiện biên mơ hình mơ 41 Hình 3.3 Mơ hình phá hoại dẻo vật liệu thư viện ABAQUS 41 Hình 3.4 Quan hệ ứng suất – biến dạng thép 42 Hình 3.5 Sơ đồ lưới phần tử loại phần tử sử dụng cho mơ hình 43 Hình 3.6 Tương tác hard-contact mơ tương tác thép hình bê tơng 44 Hình 3.7 Quan hệ lực cắt – độ lệch tầng 44 Hình 3.8 Quan hệ lực cắt – độ lệch tầng mơ hình mơ tải trọng đổi chiều 45 Hình 3.9 Quan hệ lực cắt – độ lệch tầng mơ hình mơ thí nghiệm 46 Hình 3.10 Quan hệ lực cắt – độ lệch tầng mơ hình mơ thí nghiệm vịng lặp có độ lệch tầng 2,4% 47 MỞ ĐẦU Giới thiệu chung Kết cấu liên hợp thép – bê tông cốt thép dạng kết hợp từ kết cấu thép kết cấu bê tông cốt thép túy Mặc dù kết cấu liên hợp đời muộn so với kết cấu thép, kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) có nhiều ưu điểm loại bỏ nhược điểm kết cấu thép, BTCT túy nên số lượng nghiên cứu ứng dụng thực tế kết cấu liên hợp ngày tăng lên Kết cấu khung, bao gồm ngang (dầm) liên kết với đứng (cột) nút, loại hình kết cấu phổ biến Kết cấu khung có ưu điểm mảnh ứng xử rõ ràng nên sử dụng để làm kết cấu chịu lực hầu hết cơng trình nhà Hệ kết cấu nhà sử dụng kết cấu khung túy kết hợp với loại hình kết cấu khác vách, lõi để chịu lực Kết cấu khung liên hợp thép – bê tông cốt thép đa dạng cấu tạo ứng dụng vào thực tế thiết kế như: cột, dầm liên hợp thép – BTCT; cột dầm liên hợp; dầm thép – cột bê tông cốt thép… Trong dạng nêu trên, khung liên hợp có cấu tạo từ cột bê tơng cốt thép (Reinforced Concrete - RC) dầm thép (steel – S), gọi tắt khung RCS, mang lại lợi ích độ cứng, kích thước cấu kiện… dẫn đến hiệu kinh tế cao Khung RCS đời muộn so với dạng khung liên hợp khác song với số ưu điểm ứng xử riêng nên thu hút nhiều nghiên cứu ứng dụng vào nhiều cơng trình thực tế từ ba thập kỷ Ở Mỹ, kết cấu khung liên hợp RCS bắt đầu sử dụng đầu thập kỷ 80 biến thể khung thép truyền thống cơng trình từ trung bình đến cao tầng Ở mức sơ khai, việc sử dụng khung RCS tương tự với khung thép thông thường trừ kết cấu cột thép thay cột bê tơng cường độ cao nhằm giảm chi phí vật liệu [1] Ở Nhật Bản, kết cấu khung RCS phát triển thay cho kết cấu bê tơng cốt thép thơng thường cơng trình nhà văn phòng, nhà xây dựng vùng động đất thấp Ở đây, việc dùng dầm thép để tăng chiều dài nhịp, tăng không gian sử dụng giảm khối lượng nhân công mà đảm bảo tiết kiệm chi phí vật liệu việc sử dụng cột bê tông cốt thép Sự làm việc cấu kiện dầm cột kết cấu khung nói chung kết cấu khung RCS nói riêng rõ ràng Lý thuyết xác định sức kháng cấu kiện dầm cột cũng kiểm chứng kết thực nghiệm cho thấy độ tin cậy cao Riêng vị trí liên kết dầm cột nút khung lại có trạng thái ứng suất phức tạp Để chịu thành phần ứng suất không kể tính tốn, tiêu chuẩn thiết kế thường u cầu tăng hàm lượng cốt thép cấu tạo tăng chiều dài neo cốt thép nút Điều gây khó khăn cho q trình xây dựng, làm giảm tốc độ xây dựng phản tác dụng khó khăn thi cơng dẫn đến việc thực tế chế tạo không giống với yêu cầu thiết kế (bê tông bị lỗ rỗng, chiều dài neo cốt thép khơng đủ,…) Vì vậy, nỗ lực việc đưa dạng cấu tạo nút khung RCS vừa đảm bảo sức kháng, độ cứng, khả tiêu tán lượng có cấu tạo đơn giản để thi cơng nhanh chóng mục tiêu nhiều nghiên cứu nút khung liên hợp RCS Một số dạng cấu tạo chi tiết nút đề xuất trước [21, 28] Với nút có cấu tạo đơn giản khả chịu lực, độ cứng nút nhỏ truyền lực nút thông qua thép Để tăng độ cứng, số nút gia cường nhiều chi tiết lại dẫn đến ứng xử nút phức tạp, khó dự đốn dạng phá hoại mơ hình lý thuyết khơng mang tính tổng qt khó khăn chế tạo Kết cấu liên hợp thép – BTCT cho cơng trình nhà bắt đầu đưa vào thực tế xây dựng Việt Nam khoảng cuối thập kỷ 90, số lượng cơng trình có sử dụng kết cấu liên hợp tăng nhanh Các cơng trình thiết kế hầu hết dựa theo hệ thống tiêu chuẩn Eurocode thường đơn vị tư vấn thiết kế nước đảm nhận Tiêu chuẩn cho kết cấu liên hợp chưa có Các nghiên cứu kết cấu liên hợp thép BTCT ít, cơng bố chủ yếu mang tính giới thiệu [36, 37] Một số nghiên cứu khác tập trung lý thuyết tính, mơ số [38-39] Đối tượng nghiên cứu dừng lại cấu kiện riêng biệt chịu tải trọng tĩnh Với mục đích nâng cao kiến thức kết cấu liên hợp, cung cấp thêm hiểu biết ứng xử kết cấu liên hợp tác dụng tải trọng lặp Nội dung đề tài Với mục tiêu xác định ứng xử nút khung liên hợp dầm thép cột bê tông cốt thép tác dụng đồng thời tải trọng đứng tải trọng ngang đổi chiều, nội dung đề tài thể phần phê duyệt dạng chi tiết sau: Chương TỔNG QUAN VỀ NÚT KHUNG LIÊN HỢP 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Các nghiên cứu nút khung liên hợp thực giới Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 2.1 Giới thiệu chung 2.2 Mơ hình thí nghiệm 2.3 Phân tích kết thí nghiệm Chương NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG 3.1 Giới thiệu chung 3.2 Mơ hình hóa nút khung liên hợp phương pháp phần tử hữu hạn 3.3 Nhận xét, so sánh đánh giá kết KẾT LUẬN Kết luận Kiến nghị Sau trình nghiên cứu, để làm sáng tỏ vấn đề, nội dung báo cáo phân tích trình bày thơng qua năm phần với nội dung sau: MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG LIÊN HỢP DẦM THÉP CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP Chương NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG LIÊN HỢP DẦM THÉP CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP Chương NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG LIÊN HỢP DẦM THÉP CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT LUẬN CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG LIÊN HỢP DẦM THÉP CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1 Giới thiệu chung Kết cấu khung liên hợp RCS bắt đầu sử dụng Mỹ vào đầu thập kỷ 80 biến thể kết cấu khung thép truyền thống cơng trình có chiều cao từ trung bình đến cao tầng Ở mức sơ khai việc sử dụng, nút khung RCS có cấu tạo tương tự với khung thép thông thường trừ kết cấu cột thép thay cột bê tông cường độ cao nhằm giảm chi phí vật liệu [1] Ở Nhật Bản, kết cấu khung RCS phát triển thay cho kết cấu bê tông cốt thép thông thường cơng trình nhà văn phịng, nhà xây dựng vùng có động đất thấp [11] Ở đây, việc dùng dầm thép để tăng chiều dài nhịp, tăng không gian sử dụng, giảm khối lượng nhân cơng mà đảm bảo tiết kiệm chi phí vật liệu việc sử dụng cột bê tông cốt thép Một yếu tố khác góp phần để kết cấu khung RCS phát triển Nhật Bản thịnh hành kết cấu khung SRC (khung SRC kết cấu mà cột thép hình dầm thép hình đặt kết cấu bê tông cốt thép, số tài liệu Việt nam gọi kết cấu bê tông cốt cứng) Dạng khung SRC sử dụng thịnh hành sau trận động đất Kanto năm 1923 Nhật Bản, cơng trình có sử dụng kết cấu SRC có ứng xử tốt đáp ứng yêu cầu chịu lực Kết cấu SRC sau đưa vào tiêu chuẩn hướng dẫn thiết kế Nhật Bản Đối với kết cấu RCS, việc thiết kế kết dầm thép cột bê tông cốt thép tương tự kết cấu thép bê tông cốt thép thông thường Tuy nhiên ứng xử tổng thể vị trí cục nút khung lại có ứng xử khác biệt đáng kể so với dạng kết cấu SRC Vì sau năm 1980 nghiên cứu Nhật Bản kết cấu liên hợp tập trung nhiều vào kết cấu RCS Những nghiên cứu có tính hệ thống có cơng bố kết kết cấu khung RCS nói chung nút khung RCS nói riêng bắt nguồn từ chương trình hợp tác nghiên cứu Quỹ khoa học Quốc gia Mỹ Viện kiến trúc Nhật Bản năm 1979 Mục tiêu chương trình nâng cao độ an toàn thiết kế kháng chấn cho cơng trình xây dựng hai nước Các nghiên cứu thực nghiệm, mơ hình hóa mơ hình giải tích sử dụng chương trình nghiên cứu Các mảng chương trình hợp tác gồm: vật liệu bê tông cốt thép; kết cấu thép; kết cấu khối xây; kết cấu dự ứng lực, kết cấu tiền chế; kết cấu liên hợp thép – BTCT [11] Đối với mảng kết cấu liên hợp thép – bê tơng cốt thép chương trình hợp tác nói tập trung vào dạng kết cấu liên hợp kết cấu khung liên hợp dầm thép cột BTCT (RCS) Khung RCS dạng có nhiều ưu điểm phân tích phần lý thuyết mơ hình dự đốn Vì vậy, chương trình hợp tác tập trung vào nghiên cứu dạng kết cấu khung RCS nhằm xây dựng tiêu chí thiết kế cung cấp hiểu biết ứng xử hệ thống kết cấu RCS tác dụng động đất nói riêng tải trọng lặp nói chung Các mơ hình phục vụ cho thiết kế tiêu chí xác định cách thực cơng việc gồm: thực nghiệm phân tích kết khung liên hợp RCS; thực nghiệm phân tích vị trí nút khung liên hợp RCS; mơ hình hóa hệ kế cấu nhà sử dụng khung RCS Từ kết đạt phát triển thành tiêu chuẩn hướng dẫn thiết kế Các kết nghiên cứu công bố vào năm 1986 [1] Chương trình hợp tác kết thúc năm 1993 nhiên nghiên cứu ứng dụng kết cấu RCS hai nước Mỹ Nhật tiếp tục phát triển đạt nhiều thành tựu năm sau [3-6], [21-23] Ngoài nghiên cứu Mỹ Nhật bản, kết cấu khung RCS quan tâm nghiên cứu nhiều nước khác Đài loan, Trung Quốc, Hàn Quốc, Pháp, Ấn Độ Cho đến năm gần đây, kết cấu liên hợp ngày khẳng định ưu điểm có nhiều nghiên cứu nhằm phát triển hệ thống tiêu chuẩn để phù hợp với dạng kết cấu mới, vật liệu Do đó, kết cấu khung RCS cịn tính thời sự, thể kết nghiên cứu công bố năm 2015, 2016 [27], [28], [29] cập nhật hướng dẫn thiết kế cho kết cấu khung RCS năm 2015 [30] Mục đích nghiên cứu nút khung RCS tìm dạng cấu tạo đơn giản để dễ dàng thi công mà đảm bảo sức kháng, độ cứng, độ dẻo, mức tiêu tán lượng dạng phá hoại Vì vậy, ngồi việc đề xuất cấu tạo mơ hình xác định sức Hình 2.13 Quan hệ lực cắt- chuyển vị ngang Hình 2.14 thể đường bao quan hệ lực cắt- độ lệch tầng, với điểm tương ứng giá trị tải trọng lớn đạt bước tải ứng với vòng lặp Đường bao cho thấy rõ ứng xử nút khung chia làm giai đoạn: giai đoạn đầu ứng xử đàn hồi độ lệch tầng 1%, giai đoạn tương ứng độ lệch tầng từ 1%- 3% với suy giảm độ cứng cục hư hoại bê tông, số vị trí thép bị chảy giai đoạn cuối suy giảm độ cứng tổng thể nút Hình 2.14 Đường bao quan hệ lực cắt-độ lệch tầng 2.3.3 Khả tiêu tán lượng Một tham số quan trọng để đánh giá ứng xử nút khung chịu tải trọng lặp đổi chiểu khả tiêu tán lượng Tỷ lệ tiêu tán lượng thương số 38 lượng tiêu tán lượng tối đa vòng lặp Dựa đường cong trễ Hình 2.13, lượng tiêu tán tương ứng với độ lệch tầng xác định Sự biến thiên lượng tiêu tán trình thí nghiệm (Hình 2.15) cho thấy tốc độ tiêu tán lượng thay đổi theo giai đoạn Có thể nhận thấy tiêu tán lượng tương đồng với giai đoạn quan hệ lực-chuyển vị nút Trước vịng lặp có độ lệch tầng 1% tương ứng với ứng xử tuyến tính nút, giá trị lượng tiêu tán 5% Từ vòng lặp có độ lệch tầng 1,4% đến vịng lặp có độ lệch tầng 3,2%, mức độ tiêu tán lượng nút tăng lên đến 30% Ở giai đoạn tiêu tán lượng tăng nhanh qua vòng lặp Có thể giải thích ngun nhân chảy thép giúp cho nút trở nên dẻo Ở giai đoạn cuối, tốc độ tiêu tán lượng ổn định mức 35% kết thúc q trình gia tải Giai đoạn cuối khơng xuất thêm vị trí thép bị chảy mà mở rộng vùng thép chảy trước nên khả tiêu tán không tăng mà giữ ổn định Hình 2.15 Biểu đồ tỉ số tiêu tán lượng 39 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG LIÊN HỢP DẦM THÉP CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP 3.1 Giới thiệu chung Chương cung cấp kết thực nghiệm ứng xử dạng nút khung liên hợp dầm thép cột bê tông cốt thép chịu đồng thời tải trọng đứng tải trọng ngang đổi chiều Tuy nhiên nhiều vấn đề ứng xử nút mà giới hạn thí nghiệm chưa thu mơ hình mô xây dựng theo phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) nhằm tìm mơ hình phân tích phù hợp với dạng kết cấu thực nghiệm, từ thu thập thêm thơng tin ứng xử nút chưa lấy thực nghiệm tiến hành nghiên cứu mô thay đổi thông số để am hiểu ứng xử dạng kết cấu 3.2 Mơ hình hóa 3.2.1 Mơ hình tổng thể nút Hình 3.1 Mơ hình tổng thể nút phần mềm PTHH Abaqus 6.12 Do tính chất đối xứng mẫu thí nghiệm hình học, điều kiện biên tải trọng tác động nên mơ hình nửa xây dựng để giảm khối lượng tính tốn cho máy tính điện tử Để có tương đồng mơ hình thí nghiệm mơ hình mơ phỏng, điều kiện biên hình học gán mặt đối xứng Gối đỡ mơ hình thí nghiệm 40 mơ hình lại điều kiện biên ngăn cản chuyển vị theo phương dọc cột (trục Z) phương đứng (trục Y) mơ hình Tải trọng tác động từ kích thủy lực lên mẫu thực nghiệm mơ hình điều kiện biên chuyển vị đặt tải đầu cơng son dầm Hình 3.2 Điều kiện biên mơ hình mơ 3.2.2 Mơ hình vật liệu bê tơng Mơ hình phá hoại dẻo (Concrete Damaged Plasticity – CDP) dạng mơ hình vật liệu sử dụng cho tốn mơ đề tài Đây mơ hình phát triển Lee Fenves (1998), mơ hình tích hợp sẵn thư viện vật liệu phần mềm phần tử hữu hạn ABAQUS a) Bê tông  σ b) Thép fy Chịu kéo Chịu kéo bE Ec E ε  y Ec Chịu nén Chịu nén Hình 3.3 Mơ hình phá hoại dẻo vật liệu thư viện ABAQUS 41 3.2.3 Mơ hình vật liệu thép Cốt thép mơ hình vật liệu đàn dẻo lý tưởng (bilinear), giai đoạn tái bền mềm hóa bỏ qua Trong kết cấu BTCT cốt thép có dạng lưới nên không cần quan tâm đến ứng xử ba chiều cốt thép Để thuận tiện tính tốn, mơ hình vật liệu cốt thép sử dụng theo quan hệ ứng suất – biến dạng chiều Hình 3.4 Ứng xử cấu kiện chịu uốn bị ảnh hưởng lớn cốt thép chảy Do trình chảy thép làm tăng đột ngột biến dạng kết cấu nên điều kiện hội tụ khó đảm bảo q trình tính tốn Vì vậy, sử dụng mơ hình đàn dẻo đảm bảo hội tụ cấu kiện đạt cường độ tới hạn Giả thiết biến dạng hóa cứng tuyến tính cốt thép chảy khơng ảnh hưởng tới độ xác kết quả, đồng thời độ dốc nhánh hóa cứng xác định để đảm bảo lượng biến dạng mơ hình với lượng biến dạng quan hệ ứng suất – biến dạng thép từ thực nghiệm  E s2 f y (R s )  u  E s1 u f y (R s ) Hình 3.4 Quan hệ ứng suất – biến dạng thép 3.2.4 Lựa chọn dạng phần tử chia lưới Cột bê tông, thép hình neo, dầm thép đinh chịu cắt mơ hình phần tử khối C3D8R thư viện Abaqus Theo hướng dẫn sử dụng Abaqus, phần tử C3D8R phù hợp cho việc phân tích phi tuyến với ưu điểm biến dạng lớn, độ dẻo dạng phá hoại Phần tử dành cho cốt thép lựa chọn dạng khối (solid), dầm (beam), (truss) Trong giới hạn đề tài, phần tử sử dụng cho thép phần tử 42 (T3D2), đặc trưng hai nút, nút có bậc tự Phần tử T3D2 có đặc tính chịu kéo nén dọc trục túy giống với làm việc cốt thép kết cấu BTCT Hình 3.5 Sơ đồ lưới phần tử loại phần tử sử dụng cho mơ hình Hình 3.5 thể lưới dạng phần tử cột BTCT, thép hình cốt thép Việc chia lưới phần tử kích thước phần tử có ảnh hưởng đến kết phân tích mơ hình Theo phương dọc cột dầm, phần chia nhỏ với kích thước 20mm Vị trí quanh vùng nút, nơi có nhiều chi tiết, phần tử chia nhỏ với giá trị 20 mm Các vùng gối dầm xa nút chia kích thước 50mm 3.2.5 Quan hệ tương tác thành phần Sự tương tác thành phần ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử thực mẫu ứng xử mô mẫu Việc mô lại tương tác giống với thực tế khó có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến mối quan hệ thành phần Thực tế, bê tông cốt thép ln có trượt tương đối song mơ hình mơ xét bê tơng cốt thép có dính bám tuyệt đối Trong giới hạn đề tài dạng tương tác nhúng (embedded) lựa chọn để mô tương tác cốt thép bê tơng Phần thép hình đặt tồn bê tơng, song theo phân tích phần lý thuyết, làm việc phần thép 43 hình với bê tơng hầu hết thơng qua lực ép mặt dạng tương tác “hard contact” lựa chọn để mơ thép hình bê tơng Hình 3.6 Tương tác hard-contact mơ tương tác thép hình bê tơng 3.3 Kết mơ hình mơ 3.3.1 Mơ hình chịu tải trọng khơng đổi chiều Hình 3.7 Quan hệ lực cắt – độ lệch tầng Hình 3.7 thể quan hệ lực cắt – độ lệch tầng mơ hình mơ chịu tải trọng không đổi chiều đường bao đỉnh vịng lặp mơ hình thí nghiệm So 44 sánh kết mô thực nghiệm nhận thấy tương đồng ứng xử hai mơ hình Khi độ lệch tầng khoảng 3%, kết mô thực nghiệm sát Ở giai đoạn trước nhận thấy hai mơ hình có tương quan mặt giá trị lực (khả năng) nhiên độ cứng mơ hình mơ lớn độ cứng mơ hình thực nghiệm Ngun nhân giải thích điều kiện biên mô chưa kể đến biến dạng hệ thống gối Nên mức lực tác động kích, song mơ hình thực nghiệm có chuyển vị lớn so với mơ Các mơ hình mơ chịu tải trọng tĩnh điều kiện biên đơn giản, gần sử dụng để phân tích nhanh ứng xử nút Trên sở mơ hình thực nghiệm xây dựng để đạt dự định mong muốn Đây mơ hình ứng dụng vào thực tế thiết kế 3.3.2 Mơ hình chịu tải trọng đổi chiều Hình 3.8 Quan hệ lực cắt – độ lệch tầng mơ hình mơ tải trọng đổi chiều Một mơ hình mơ chịu tải trọng đổi chiều thiết lập để so sánh với kết thực nghiệm Hình 3.8 thể quan hệ lực cắt – độ lệch tầng mơ hình mơ tải trọng đổi chiều Trong mơ hình mơ chịu tải đổi chiều, điều kiện biên biến dạng vịng lặp thí nghiệm nên khối lượng phân tích lớn vượt khả 45 tính tốn máy tính có nhóm nghiên cứu Do với mơ hình dừng lại mức lệch tầng khoảng 2,4% tương ứng với chuyển vị đầu dầm khoảng 47mm Hình 3.9 thể quan hệ lực cắt – độ lệch tầng mơ hình mơ thí nghiệm Kết mơ hình mơ thực nghiệm có tương đồng giá trị đỉnh Ở vòng trễ thể khả tiêu tán lượng mơ hình mơ khơng có xu hướng “thắt” lực tác động chuyển từ đẩy sang kéo ngược lại Hình 3.10 so sánh ứng xử thu theo phân tích mơ thực nghiệm cho vịng lặp (có độ lệch tầng 2,4%) Nhận thấy rằng, mơ hình thí nghiệm tải trọng đổi chiều, quan hệ lực cắt – độ lệch tầng có xu hướng “thắt” lại Hiện tượng nguyên nhân vết nứt xuất vùng nút làm cho mẫu thí nghiệm bị suy giảm độ cứng Kết theo mơ hình phân tích mơ chưa kể đến tượng “thắt” mơ hình sử dụng phân tích chưa kể đến vết nứt bê tông chưa có chế cho suy giảm độ cứng mẫu Hình 3.9 Quan hệ lực cắt – độ lệch tầng mơ hình mơ thí nghiệm 46 Hình 3.10 Quan hệ lực cắt – độ lệch tầng mơ hình mơ thí nghiệm vịng lặp có độ lệch tầng 2,4% 47 KẾT LUẬN Nội dung thực Tuân theo đề cương duyệt, đề tài nghiên cứu hồn thành nội dung sau: - Tìm hiểu, tổng hợp kết nghiên cứu, ứng dụng ứng xử dạng nút khung liên hợp dầm thép – cột bê tông cốt thép - Nghiên cứu thực nghiệm xác định ứng xử nút khung liên hợp dầm thép – cột bê tông cốt thép tác dụng tải trọng lặp ngang - Nghiên cứu mô xác định ứng xử nút khung liên hợp dầm thép – cột bê tông cốt thép tác dụng tải trọng lặp ngang Kết luận Các kết nghiên cứu thực cho phép kết luận sau: - Dạng cấu tạo nút nghiên cứu đáp ứng tốt vấn đề sức kháng, độ dẻo, khả phân tán lượng Đặc biệt, với việc sử dụng thép hình đặt nút làm thay đổi dạng phá hoại nút theo hướng tích cực Sự phá hoại khơng cịn tập trung vùng nút mà phân tán vùng xung quanh Các dạng phá hoại cắt giảm thiểu mà thay vào dạng phá hoại nén nén uốn - So với nút có tác động lực ngang, với nút có tác động đồng thời lực dọc lực ngang đổi chiều, vết nứt uốn thân cột giảm số lượng bề rộng vết nứt Các vết nứt chéo cắt khu vực nút xuất muộn Tuy nhiên, phá hoại ép vỡ xẩy mạnh - Bản bụng thép hình đặt cột phát huy khả kháng cắt tốt Bản bụng thép hình làm tăng độ cứng giảm biến dạng xoay nút giúp giảm phá hoại cắt nút 48 Kiến nghị - Cần nghiên cứu thêm để phát huy khả kháng cắt thép vùng nút, tiến tới thay cốt đai chịu cắt nút - Cần nghiên cứu phát triển mơ hình mơ để có mơ hình phân tích sát với kết thực nghiệm Lời cảm ơn Nhóm thực đề tài xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Giao thơng Vận tải đầu tư kinh phí, sở vật chất để thực đề tài Đồng gửi lời cảm ơn đến Trung tâm nghiên cứu thực nghiệm cơng trình giúp đỡ thiết bị nhân lực để thực đề tài 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Anh Griffis, L.G., Some design considerations for composite-frame structures, Engineering Journal 23 Issue (1986) 59-64 Sheikh, T.M., Yura, J.A., and Jirsa, J.O (1987), Moment Conections between Steel Beam and Concerete Columns, PMFSEL Report No 87-4, University of Texas at Austin, Austin, Tex Parra-Montesinos, G and Wight, J.K., Seismic response of exterior RC column-to-steel beam connections, Journal of Structural Engineering, ASCE 126 Issue 10 (2000) 1113-1121 Parra-Montesinos, G and Wight, J.K, Modeling shear behaviour of hydbrid RCS beam-column connections, Journal of Structural Engineering, ASCE 127, No 1, (2001) 3-11 Parra-Montesinos, G J., X Liang, Wight, J.K., Towards deformation-based capacity design of RCS beam-column connections, Engineering Structures, 25(2003), 681-690 Parra-Montesinos, G J., Wight, J.K., Seismic Repair of hydbrid RCS beam-column connections, ACI Structural Journal, 9-10/2001, 762-770 Alizadeh S., et el, The seismic performance of new detailing for RCS connections, Journal of Constructional Steel Research, 91 (2013) 76–88 Kataoka M.N., Parametric study of composite beam-column connections using 3D finite element modelling, Journal of Constructional Steel Research, 102 (2014) 136– 149 Noguchi, H and Uchida, K., Finite element method analysis of hybrid structural frames with reinforced concrete columns and steel beams, Journal of Constructional Steel Research, ASCE 1/2014, 328–335 10 Cordova, P.P., Deierlein, G.G., Validation of the seismic performance of composite RCS frames: full-scale testing, analytical modeling, and seismic design, Department of Civil and Environmental Engineering Standford University, Report No 155, 9/2005 11 Deierlein, G G., Noguchi, H., Overview of U.S.–Japan Research on the Seismic Design of Composite Reinforced Concrete and Steel Moment Frame Structures, Journal of Constructional Steel Research, 1/2014, 361-367 12 Chen, C.H., Lai, W.C., Cordova, P., Deierlein, G.G., Keh-Chyuan Tsai, K.C., Pseudo-dynamic testing of a full-scale RCS frame: Part 1-design, construction and testing, 13th World Conference on Earthquake Engineering, 8/2004, No.2178 13 Q H Nguyen, X H Nguyen, D D Le & O Mirza, Experimental investigation on seismic response of exterior RCS beam column connection, Advances in Steel and Concrete Composite Structures, 11/ 2015 485-489 50 14 Wu Y., Development of precast concrete and steel hybrid special moment-resisting frames, Faculty of the Granduate School University of Southern California, Doctor of Philosophy, 11/2008 15 Deierlein, G G., Noguchi, H., Research on RC/SRC column systems, 12WCEE, 2000, No.2621 16 Sayed M.N., A Comparative Feasibility Case Study on Hybrid RCS Moment Frames with Concrete and Steel Frames in Construction and Project Management Point of View, Life Science Journal 9(4), 2012, 5705-5714 17 Seyed R.M., Analytical investigation of a new Through-Column-Type Joint for composite reinforced concrete and steel frames, ASEM13, 9/2013, 3158-3170 18 Steele, J.P., and Bracci, J.M., Composite RCS Space Frame Systems: Constructability and Performance, Department of Civil Engineering Texas A&M University, Technical Report CDCI-03-02, 12/2003 19 Saeid A., et el., Experimental investigation of RCS connections performance using selfconsolidated concrete, Journal of Constructional Steel Research, (114)2015, 204-216 20 Chou, C.C., Chen, J.H., Tests and analyses of a full-scale post-tensioned RCS frame subassembly, Journal of Constructional Steel Research, (66)2010, 1354–1365 21 Nishiyama, I., Kuramoto, H., Noguchi, H., Guidelines: Seismic Design of Composite Reinforced Concrete and Steel Buildings, Journal of Constructional Steel Research, 1/2004, 336-342 22 Kuramoto, H., Nishiyama, I., Seismic Performance and Stress Transferring Mechanism of Through-Column-Type Joints for Composite Reinforced Concrete and Steel Frames, Journal of Constructional Steel Research, 1/2004, 352-360 23 Bracci, J.M., Walter P Moore, W.P., and Bugeja, M.N., Seismic design and constructability of RCS special moment frames, Journal of Constructional Steel Research, 1999, 385-392 24 Nishimura, Y., et el, Improvement of bearing failure behaviour of S.beam- RC.column joints using ferfobond plate, connectors, WCEE15, 2012, No.4731 25 Li, W., Qing-ning Li, Q., Jiang W., Seismic performance of composite reinforced concrete and steel moment frame structures – state-of-the-art, Composites: Part B, 42 (2011), 190–206 26 Nishimura, Y., et el, Bi-directional behaviour of interior, exterior, and corner joints of RCS, 12WCEE, 2012, 1911-1919 27 Zibasokhan, H., Behnamfar, F and Behfarnia, K., The new proposed details for moment resisting connections of steel beam to continuous concrete column, Advances in Structural Engineering 2016, Vol 19(1), 156–169 28 Kanno, R and Deierlein, G.G., Design model of joints for RCS, Composite Construction in Steel and Concrete IV, 2004, 947-958 51 29 Seyed, R M et el “Moment-connection between Steel Beams and Reinforced Concrete Column under Cyclic Loading.”, Journal of Constructional Steel Research, 118(2016), 105-119 30 Kathuria, D., Yoshikawa, H., Nishimoto, S., Kawamoto, S., Deierlein, G.G., Validation of the seismic performance of composite RCS frames: full-scale testing, analytical modeling, and seismic design, Department of Civil and Environmental Engineering Standford University, Report No 189, 9/2015 31 Shen, H.X., and Gu, Q., “Nonlinear Finite Element Analysis of Exterior RC Column-to-Steel Beam Connection”, International Confrence on Computer Application and System Modeling (ICCASM 2010), (2010), 239-245 32 Customized List of Steel Construction Technologies, Japanese Society of Steel Construction, 2014 Tài liệu tiếng việt 33 Lê Đăng Dũng, Nguyễn Xuân Huy (2015), “Phân tích ứng xử nút khung liên hợp thép – bê tông cốt thép”, Tạp Chí Khoa học Giao thơng Vận tải, số Đặc biệt, 11/2015, 88-93 34 Lê Đăng Dũng, Nguyễn Xuân Huy (2015), “Nghiên cứu làm việc nút khung liên hợp chịu tải trọng lặp”, Hội nghị Khoa học cán trẻ lần thứ XIII, IBST, 11/2015 35 Lê Đăng Dũng, Nguyễn Xuân Huy, Nguyễn Quang Huy, “Nghiên cứu ứng xử nút khung liên hợp thép – bê tông cốt thép chịu tải trọng tĩnh”, Tạp chí khoa học đào tạo, Số 01, 2016, 4-13 36 Đinh Văn Thuật, Phạm Văn Hội "Giải pháp kết cấu liên hợp thép bê tông cho nhà nhiều tầng Việt Nam", Tạp chí KHCN Xây dựng, trang 20-26,1859-1566, 2010 37 Vũ Quốc Anh "Thiết kế nhà cao tầng sử dụng kết cấu vách liên hợp" Báo cáo Hội nghị học toàn quốc lần thứ 9, 2013 38 Phạm Anh Tuấn "Nghiên cứu tính tốn kết cấu dầm liên hợp thép- bê tông ứng suất trước xây dựng dân dụng công nghiệp", luận văn Tiến sỹ kỹ thuật- Đại học xây dựng Hà Nội, 2012 39 Phạm Văn Hội "Kết cấu liên hợp thép- bê tông", Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội, 2006 52