Phân tích ứng xử nút dầm cột bê tông cốt thép sử dụng cốt sợi dưới tác dụng của tải trọng ngang đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN Tên đề tài: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ NÚT DẦM – CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG CỐT SỢI DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG NGANG Mã đề tài: 589 Thuộc nhóm ngành khoa học: KỸ THUẬT XÂY DỰNG TP.Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 04 năm 2016 TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN Tên đề tài: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ NÚT DẦM – CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG CỐT SỢI DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG NGANG Mã đề tài: 589 Thuộc nhóm ngành khoa học: KỸ THUẬT XÂY DỰNG Sinh viên thực hiện: Phan Văn Ninh Nam, Nữ: Nam Nguyễn Duy Vũ Nam, Nữ: Nam Võ Đức Học Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp: Xây dựng dân dụng công nghiệp Năm thứ: Khoa: Kỹ thuật Xây dựng 4/4,5 Ngành học: Xây dựng dân dụng công nghiệp Người hướng dẫn: Đồn Tấn Thi TP.Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 04 năm 2016 PHẦN MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài Trước thực trạng số lượng nghiên cứu ứng xử nút khung bê tông sợi thép hạn chế, kết từ nghiên cứu cung cấp thêm hiểu biết ứng xử nút dầm-cột bê tông sợi thép làm tiền đề cho việc tính tốn thiết kế, ứng dụng vào thực tiễn Giải pháp sử dụng sợi thép nút khung dầm cột thiết kế chịu tải trọng ngang chứng tỏ tính hiệu việc cải thiện ứng xử khả chịu lực nút II Mục tiêu nghiên cứu đề tài Khảo sát phân tích ảnh hưởng hàm lượng sợi thép, cốt đai lực dọc trục cột đến ứng xử nút dầm-cột BTCT sử dụng sợi thép chịu tác động tải trọng ngang phương pháp phần tử hữu hạn Xây dựng mơ hình dự đốn khả kháng cắt nút tác động tải trọng ngang theo phương pháp chống-giằng III Các nhiệm vụ yêu cầu đề tài Khảo sát phân tích ảnh hưởng hàm lượng sợi thép, cốt đai lực dọc trục cột đến ứng xử nút dầm-cột BTCT sử dụng sợi thép chịu tác động tải trọng ngang phương pháp phần tử hữu hạn Xây dựng mơ hình dự đốn khả kháng cắt nút tác động tải trọng ngang theo phương pháp chống-giằng IV Kết cấu đề tài Mục lục CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHƯƠNG TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2.1 Sơ lược bê tông sợi thép 2.2 Nghiên cứu thực nghiệm nút dầm-cột có sử dụng sợi thép 2.3 Nghiên cứu ứng xử nút dầm-cột phương pháp phần tử hữu hạn 2.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng sợi thép nước 12 CHƯƠNG MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 13 3.1 Mục tiêu nghiên cứu 13 3.2 Ý nghĩa nghiên cứu 13 3.2.1 Ý nghĩa khoa học 13 3.2.2 Ý nghĩa thực tiễn 13 3.3 Nội dung nghiên cứu 13 CHƯƠNG MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN 15 4.1 Mơ hình phần tử, ràng buộc, điều kiện biên, điều kiện tải trọng, phi tuyến vật liệu hình học 15 4.1.1 Phần tử khối 15 4.1.2 Phần tử 15 4.1.3 Sự tương tác 16 4.1.4 Điều kiện biên 17 4.1.5 Điều kiện tải trọng 17 4.1.6 Phi tuyến vật liệu phi tuyến hình học 17 4.2 Mơ hình vật liệu 18 4.2.1 Mơ hình phá hoại bê tông 18 4.2.2 Bê tông thường 18 4.2.3 Bê tông sợi thép 20 4.2.4 Cốt thép 22 4.3 Phương pháp giải 23 4.3.1 Giải toán phi tuyến Abaqus 23 4.3.2 Bước, bước tăng tải, bước lặp (Steps, increments, and iterations) 23 4.3.3 Sự hội tụ (convergence) 24 4.4 Kết mô 26 4.4.1 Đặc trưng hình học 26 4.4.2 Đặc trưng vật liệu 27 4.4.3 So sánh kết 29 CHƯƠNG MƠ HÌNH THANH CHỐNG GIẰNG 33 5.1 Định nghĩa nút-Thanh giằng-Thanh chống 33 5.1.1 Giới thiệu 33 5.1.2 Định nghĩa nút 34 5.1.3 Các chống (Trut) 36 5.1.4 Các nút (Node) 37 5.1.5 Các giằng (tie) 38 5.2 Các bước tính tốn mơ hình giàn ảo 38 5.3 Phân tích lực nút 39 5.4 Mơ hình chống-giằng 40 5.5 Kiểm chứng nhận xét 41 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43 6.1 Kết luận 43 6.2 Kiến nghị 43 Danh mục hình ảnh Hình 1-1 Cơng trình bị phá hủy động đất Đài Loan Hình 1-2 Nút dầm cột bị phá hoại động đất (Kocaeli Izmit, Turkey,1999) Hình 2-1 Sự phá hủy bê tơng sợi thép .3 Hình 2-2 Một số loại sợi thép Hình 2-3 Sự phân bố sợi thép bê tông Hình 2-4 Cấu tạo nút khung thí nghiệm Gefken Ramey (1989) Hình 2-5 Hình dạng cấu tạo mẫu thí nghiệm nghiên cứu Tang cộng (1992) .7 Hình 2-6 Chi tiết mẫu thí nghiệm điển hình nghiên cứu Gebman (2001) .8 Hình 2-7 Hình dạng cấu tạo mẫu thí nghiệm nghiên cứu Gencoglu Eren (2002) .8 Hình 2-8 Hình dạng cấu tạo mẫu thí nghiệm nghiên cứu Shannag cộng (2005) Hình 2-9 Mơ hình nút nghiên cứu Mitra (2007): (a) Mơ hình PTHH; (b) Mơ hình thành phần nút 10 Hình 2-10 Mẫu thí nghiệm mơ hình chống giằng nghiên cứu Li Tran (2009) 10 Hình 2-11 Mơ hình phần tử hữu hạn Li cộng (2009) 11 Hình 2-12 Mơ hình nút nghiên cứu Birely cộng (2011) .11 Hình 4-1 Phần tử Abaqus sử dụng .16 Hình 4-2 Khai báo ứng xử nén bê tông Abaqus 17 Hình 4-3 Hiệu ứng P-delta 18 Hình 4-4 Khai báo xét ứng xử phi tuyến hình học kết cấu 18 Hình 4-5 Quan hệ ứng suất-biến dạng bê tơng chịu nén .19 Hình 4-6 Quan hệ ứng suất-biến dạng bê tông chịu kéo 20 Hình 4-7 Quan hệ ứng suất-biến dạng bê tông chịu nén .21 Hình 4-8 Quan hệ ứng suất-biến dạng bê tông chịu kéo 22 Hình 4-9 Quan hệ ứng suất-biến dạng thép với ứng xử tái bền tuyến tính 23 Hình 4-10 Ngoại lực nội lực vật thể (Abaqus, 2010) .24 Hình 4-11 Bước lặp (Abaqus, 2010) 25 Hình 4-12 Bước lặp thứ hai (Abaqus, 2010) 25 Hình 4-13 Chi tiết mẫu bê tông cốt thép thường (M1) 26 Hình 4-14 Chi tiết mẫu bê tông cốt sợi thép (M2) .27 Hình 4-15 Mơ hình PTHH Abaqus .27 Hình 4-16 Ứng suất – Chuyển vị bê tơng cốt thép thường M1 30 Hình 4-17 Ứng suất – Chuyển vị mẫu bê tông cốt sợi thép M2 30 Hình 4-18 So sánh ứng suất – chuyển vị BTCT thường BT sợi thép 31 Hình 4-19 Ứng suất cốt thép mẫu BTCT thường (M1) .32 Hình 4-20 Ứng suất cốt thép mẫu BTCT thường (M1) .32 Hình 5-1 Một số dạng mơ hình giàn ảo 34 Hình 5-2 Sơ đồ loại nút khác 36 Hình 5-3 Mơ hình giàn ảo 36 Hình 5-4 Ba kiểu trường hợp nén cho mơ hình giàn ảo .37 Hình 5-5 Các loại nút mơ hình chống giằng .37 Hình 5-6 Sơ đồ phân tích đơn giản 38 Hình 5-7 Chiều rộng giằng hiệu (wt) 38 Hình 5-8 Lực tác dụng nút biên dầm - cột 39 Hình 5-9 Cơ cấu truyền lực qua nút biên dầm cột (Tsonos, 2007) 40 Hình 5-10 Bề rộng chống xiên .41 Hình 5-11 Mơ hình chống-giằng cho nút dầm-cột M1 .41 Hình 5-12 Mơ hình chống-giằng cho nút dầm-cột M2 .42 Danh mục bảng biểu Bảng 4-1 Đặc trưng vật liệu mẫu M1 28 Bảng 4-2 Đặc trưng vật liệu mẫu M2 29 Bảng 4-3 Bảng so sánh kết thực nghiệm PTHH .31 Bảng 4-4 So sánh kết mô PTHH BTCT thường BT sợi thép 31 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI – CƠ SỞ II CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập -Tự - Hạnh phúc THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: Tên đề tài: Sinh viên thực Phan Văn Ninh Nguyễn Duy Vũ Võ Đức Học Lớp: Xây dựng dân dụng công nghiệp Khoa: Kỹ thuật Xây dựng Năm thứ: Số năm đào tạo: 4,5 Người hướng dẫn: Đoàn Tấn Thi Mục tiêu đề tài:  Khảo sát phân tích ảnh hưởng hàm lượng sợi thép, cốt đai lực dọc trục cột đến ứng xử nút dầm-cột BTCT sử dụng sợi thép chịu tác động tải trọng ngang phương pháp phần tử hữu hạn  Xây dựng mơ hình dự đốn khả kháng cắt nút tác động tải trọng ngang theo phương pháp chống-giằng Tính sáng tạo:  Trước thực trạng số lượng nghiên cứu ứng xử nút khung bê tông sợi thép hạn chế, kết từ nghiên cứu cung cấp thêm hiểu biết ứng xử nút dầm-cột bê tông sợi thép làm tiền đề cho việc tính tốn thiết kế, ứng dụng vào thực tiễn  Giải pháp sử dụng sợi thép nút khung dầm cột thiết kế chịu tải trọng ngang chứng tỏ tính hiệu việc cải thiện ứng xử khả chịu lực nút Kết nghiên cứu:  Kết mô nút biên khung bê tông cốt thép có khơng sợi thép tác dụng tải trọng ngang dựa phần mềm Abaqus cho kết phù hợp với thực nghiệm.Vì vậy, phương pháp mơ với mơ hình vật liệu sử dụng nghiên cứu hỗ trợ hiệu cho nghiên cứu đánh giá tác động tải trọng ngang nút khung, giúp tiết kiệm thời gian chi phí  Mơ hình chống-giằng đề xuất dự đốn khả chịu lực nút khung bê tơng cốt thép tác dụng tải ngang xác so với kết thực nghiệm Trong trường hợp nút khung sử dụng sợi thép, ứng suất cho phép chống bê tông lấy 0.4 fc' giúp phản ánh xác hợp lý khả làm việc thực tế bê tông sợi thép Tuy nhiên, hạn chế số lượng mẫu thí nghiệm khảo sát nay, cần thêm nghiên cứu (đặc biệt nghiên cứu thực nghiệm) nhằm khẳng định giá trị ứng xuất Đóng góp mặt kinh tế-xã hội, giáo dục đào tạo, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài:  Cung cấp thêm hiểu biết ứng xử nút dầm-cột bê tông sợi thép làm tiền đề cho việc tính tốn thiết kế, ứng dụng vào thực tiễn Công bố khoa học sinh viên từ kết nghiên cứu đề tài: Ngày 30 tháng 04 năm 2016 Sinh viên chịu trách nhiệm thực đề tài (Ký, họ tên) Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoc học sinh viên thực đề tài: Ngày 30 tháng 04 năm 2016 Sinh viên chịu trách nhiệm Người hướng dẫn (Ký, họ tên) Hình 4-19 Ứng suất cốt thép mẫu BTCT thường (M1) Hình 4-20 Ứng suất cốt thép mẫu BTCT thường (M1) 32 CHƯƠNG MƠ HÌNH THANH CHỐNG GIẰNG 5.1 Định nghĩa nút-Thanh giằng-Thanh chống 5.1.1 Giới thiệu Mô hình chống giằng (Struts and Ties Model) dựa ý tưởng mơ hình dàn ngun thủy Mưrsch (1920) phương pháp tính tốn sử dụng phổ biến cho kết cấu bê tông cốt thép để mơ vùng chịu lực có đặc tính khơng liên tục hình học tĩnh học Mơ hình sử dụng thành cơng để mô làm việc số cấu kiện bê tông cốt thép dầm cao, vai cầu trục, vị trí thay đổi tiết diện đột ngột, góc khung…dưới tác dụng tải trọng Dưới trình bày số ví dụ mơ hình giàn ảo (a1, b1, c1, d1-Hình 5-1) tương ứng trường ứng suất, nút (a2, b2, c2, d2-Hình 5-1), cốt thép (a3, b3, c3, d3-Hình 5-1) Dầm cao chịu tải phân bố Gối tựa điểm (point support) 33 Tải tập trung gối tựa điểm Dầm cao chịu tải tập trung Hình 5-1 Một số dạng mơ hình giàn ảo 5.1.2 Định nghĩa nút Schlaich cộng định danh ba kiểu chống-thanh giằng, bốn kiểu nút Ba kiểu chống-thanh giằng là:  Cc : chống bê tông chịu nén  Tc : giằng bê tông chịu kéo (ít gặp)  Ts : giằng chịu kéo thép hay thép ứng suất trước Schlaich cộng định danh bốn kiểu nút lệ thuộc vào phối hợp chống giằng:  Nút CCC : nén-nén-nén gặp nút  Nút CCT : nén-nén-kéo gặp nút  Nút CTT : nén-kéo-kéo gặp nút  Nút TTT : kéo-kéo-kéo gặp nút Và ý nguyên tắc thiết kế khơng đổi có ba chống hay giằng gặp nút Sơ đồ loại nút khác sau (Hình 5-2): 34 Nút CCC Nút CCT Nút CCT bao gồm chống chéo chịu nén phản lực đứng gối tựa làm cân lực bởi: Cốt thép neo neo phía sau nút (b1) Lực dính nút (b2) Lực dính nút phía sau nút (b3) Lực dính áp suất bán kính (b4) Nút CTT 35 Nút TTT thay chống chịu nén hình giằng ghép dính chịu kéo Hai thép dính (c1) Ứng suất bán kính từ thép bị uốn theo bán kính (c2) Nút TTT Nút TTT thay chống chịu nén hình giằng ghép dính chịu kéo Hình 5-2 Sơ đồ loại nút khác 5.1.3 Các chống (Trut) Các chống bê tơng trường ứng suất 2-D (hay 3-D) có xu hướng nở rộng nút Sự nở hay phình giằng hình thường tạo ứng suất ngang kéo hay nén cần phải xem xét bởi:  Hoặc đưa ứng suất vào tiêu chuẩn phá hoại bê tông (nén kéo)  Hoặc áp dụng mơ hình giàn ảo lên chống (như phần c phần d hình trên) giới thiệu hình Hình 5-3 Mơ hình giàn ảo Schlaich cộng đề nghị kiểu trường nén cho mơ hình giàn ảo Ba trường (hình quạt, cổ chai, hình trụ) mơ tả sau (Hình 5-4): 36 a) Hình quạt b) Cổ chai c) Hình trụ Hình 5-4 Ba kiểu trường hợp nén cho mơ hình giàn ảo 5.1.4 Các nút (Node) Các nút mơ hình giàn ảo giao điểm ba hay nhiều chống giằng thẳng khái niệm thực tế đơn giản hoá  Một nút biểu diển thay đổi đột ngột phương lực (Khuynh hướng thực tế không xảy đột ngột mà thường dần dần)  Có hai loại nút: Nút tập trung (concentrated): chống hay giằng đại diện trường ứng suất tập trung, khuynh hướng lực tập trung cục (nút A Hình 5-5) Nút phân tán (smeared, spread): trường ứng suất bê tông rộng nối với hay với giằng chịu kéo mà bao gồm nhiều phân bố sít (nút B Hình 5-5) Hình 5-5 Các loại nút mơ hình chống giằng Thơng thường sơ đồ lực vùng nút phân tích đơn giản hóa gồm hợp lực (a-Hình 5-6) từ sơ đồ phức tạp (b-Hình 5-6) họa đây: 37 a) Lực tác dụng ba chống A-B, A-C, B-C nút b) Thanh chống A-C thay cho hai chống A-E C-E Hình 5-6 Sơ đồ phân tích đơn giản 5.1.5 Các giằng (tie) Ngược lại chống trường ứng suất 2-D (hay 3-D) bê tông chịu nén, giằng chịu kéo thép hay thép ứng lực trước (trong giáo trình qui ước gọi giằng thép-steel tie) phần tử 1-D nối nút:  Các giằng phép băng qua chống; chống băng qua hay chồng chéo nút  Góc trục giằng chống phải thỏa mản yêu cầu: 𝜃