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 KẾT GIỮA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VÀ SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP DÙNG CHI TIẾT LIÊN KẾT CẢI TIẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2022 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LƯU THANH BÌNH 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Dân dụng Công nghiệp Mã số chuyên ngành: 62580208 Phản biện: PGS.TS Phan Đức Hùng Phản biện: PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu Phản 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 DẪN: PGS.TS Ngô Hữu Cường PGS.TS Nguyễn Minh Long LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả mà kết nghiên cứu phần đề tài nghiên cứu hợp tác Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP Hồ Chí Minh Tập đoàn Thép JFE – Nhật Bản PGS.TS Ngơ Hữu Cường chủ trì Cơng tác nghiên cứu thực Phịng thí nghiệm Kết cấu Cơng trình Bách Khoa (BKSEL), Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định TP.HCM, ngày 19 tháng 12 năm 2022 Tác giả luận án Chữ ký Lưu Thanh Bình i TĨM TẮT Kết cấu sàn phẳng bê tơng cốt thép (BTCT)/bê tông ứng suất trước (BTUST) – cột ống thép nhồi bê tơng (CFT) dạng kết cấu có nhiều đặc điểm trội mặt kết cấu, thi công kiến trúc dùng nhiều cơng trình dân dụng cơng nghiệp Tuy nhiên, sàn phẳng BTCT/BTUST liên kết trực tiếp với cột CFT nên chúng phải đối mặt với kiểu phá hoại chọc thủng mang tính giịn nguy hiểm giống kết cấu sàn – cột BTCT truyền thống Thêm vào đó, liên kết sàn bê tơng bề mặt trơn cột thép CFT ảnh hưởng mạnh đến tính tồn khối liên kết; điều làm giảm độ cứng liên kết, khả kháng chọc thủng hiệu sử dụng loại kết cấu tinh tế Việc nghiên cứu làm rõ đặc trưng ứng xử chọc thủng loại kết cấu tinh tế, tiềm tìm kiếm dạng chi tiết kháng cắt cho đảm bảo tính liên tục, khả kháng chọc thủng, dễ thi cơng mà đảm bảo tính dẻo cần thiết cho chúng vấn đề quan trọng thật cần thiết Luận án nghiên cứu ứng xử chọc thủng kết cấu sàn BTCT/BTUST – cột CFT sử dụng số dạng chi tiết liên kết cải tiến dạng thép đề xuất công thức bán thực nghiệm dự đoán khả kháng chọc thủng liên kết sàn BTCT/BTUST – cột CFT dùng chi tiết liên kết dạng Chương trình thực nghiệm thực mười hai mẫu liên kết sàn BTCT/BTUST – cột CFT kích thước lớn dùng bốn loại chi tiết liên kết cải tiến có thơng số kỹ thuật thay đổi gồm liên kết đầy đủ (cả sườn ngang sườn đứng), khơng đầy đủ (chỉ có sườn đứng) hình dạng sườn ngang (vành khuyên liên tục chữ nhật rời rạc) Kết cho thấy chi tiết liên kết dạng đầy đủ 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 dẻo dai tốt (lên đến 91%) có khả hấp thụ lượng ấn tượng (lên đến 216%) so với nút sàn  cột BTCT truyền thống Trong chi tiết liên kết không đầy đủ giúp cải thiện mạnh khả biến dạng (29%), độ dẻo dai (4%) khả hấp thụ lượng (18%) lại làm giảm nhẹ khả kháng chọc thủng (xấp xỉ 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 nghiên cứu cho ii thấy hiệu cải thiện đặc tính kết cấu tất loại chi tiết liên kết dạng đề xuất nút liên kết sàn BTUST – cột CFT nhỏ rõ rệt so với nút liên kết sàn BTCT – cột CFT, đặc biệt phương diện khả kháng chọc thủng (nhỏ 213%), độ dẻo dai khả hấp thụ lượng (lần lượt nhỏ 264% 232%) Điều cho thấy cần có thêm nghiên cứu cải tiến dạng chi tiết liên kết dùng thép đề xuất để tăng hiệu sử dụng chúng cho trường hợp kết cấu sàn BTUST – cột CFT Có khác biệt rõ ứng xử chọc thủng nút liên kết sàn BTUST – cột CFT với nút liên kết sàn BTCT – cột CFT dùng chi tiết liên kết thép đề xuất Cáp UST giúp kiểm soát hiệu tốc độ suy giảm độ cứng liên kết sàn – cột CFT; theo đó, mức độ suy giảm độ cứng sau nứt so với trước nứt mẫu liên kết sàn BTUST – cột CFT nhỏ đáng kể (đến 2,1 lần) so với mẫu liên kết sàn BTCT – cột CFT Kết khiến cho cáp UST mặt giúp sàn kiểm soát tốt chuyển vị (giảm đến 58%) đảm bảo tốt yêu cầu kết cấu giới hạn sử dụng; mặt khác, làm tăng tính giịn giảm khả biến dạng (chuyển vị cuối cùng) sàn (đến 51%) Điều khiến cho độ dẻo số hấp thụ lượng mẫu liên kết sàn BTUST – cột CFT giảm đáng kể đến 44% 41% so với mẫu liên kết sàn BTCT – cột CFT Trong bối cảnh 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 phản ánh gần chất vật lý kiểu phá hoại chọc thủng, lồng ghép mơ hình làm việc vật liệu, điều kiện cân tương thích biến dạng, đồng thời tận dụng tính đơn giản nguyên lý cộng tác dụng truyền thống Kết kiểm chứng cho thấy cơng thức đề xuất dự đốn khả kháng chọc thủng 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 thực nghiệm, dùng để hỗ trợ công tác thiết kế kết cấu sàn BTCT/BTUST  cột CFT iii ABSTRACT Reinforced concrete (RC)/unbonded prestressed concrete (UPC) flat slab – concretefilled steel tube (CFT) column joints possess many outstanding features in terms of structure, construction and architecture RC/UPC slab – CFT column joints are, thus, widely used in civil and industrial projects However, since the RC/UPC 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 time, 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 cảm ơn chân thành đến q giảng viên Bộ mơn Cơng trình – Khoa Kỹ thuật Xây dựng tạo điều kiện cho tơi hồn 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 BIỂU xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU xiii CHƯƠNG TỔNG QUAN VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ĐẶT VẤN ĐỀ CHỦ ĐỀ NGHIÊN CỨU .5 TỔNG QUAN .6 1.3.1 Các thực nghiệm ứng xử chọc thủng liên kết sàn BTCT – cột CFT 1.3.2 Các thực nghiệm ứng xử chọc thủng liên kết sàn BTUST – cột CFT 19 1.3.3 Một vài nhận xét nghiên cứu thực nghiệm có 22 1.3.4 Mơ hình cơng thức dự đốn khả kháng chọc thủng liên kết sàn – cột CFT 23 1.3.5 Nhận xét mơ hình 30 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU .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 THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CHỌC THỦNG CỦA LIÊN KẾT SÀN BTCT/BTUST – CỘT CFT DÙNG CHI TIẾT CẢI TIẾN 34 ĐỀ XUẤT CHI TIẾT LIÊN KẾT 34 VẬT LIỆU VÀ MẪU THÍ NGHIỆM 37 2.2.1 Vật liệu 37 2.2.2 Mẫu thí nghiệm 39 SƠ ĐỒ THÍ NGHIỆM VÀ BỐ TRÍ THIẾT BỊ ĐO 42 2.3.1 Sơ đồ thí nghiệm .42 2.3.2 Bố trí thiết bị đo đạc 44 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN .45 2.4.1 Ứng xử chọc thủng mẫu liên kết sàn BTCT – cột CFT .45 2.4.2 Ứng xử chọc thủng mẫu liên kết sàn BTUST – cột CFT so sánh với mẫu liên kết sàn BTCT – cột CFT tương ứng 62 vii KẾT LUẬN CHƯƠNG 77 2.5.1 Mẫu liên kết sàn BTCT – cột CFT 77 2.5.2 Mẫu liên kết sàn BTUST – cột CFT 78 2.5.3 So sánh mẫu liên kết sàn BTUST – cột CFT với mẫu liên kết sàn BTCT – cột CFT .79 CHƯƠNG XÂY DỰNG CƠNG THỨC DỰ ĐỐN KHẢ NĂNG KHÁNG CHỌC THỦNG CỦA LIÊN KẾT SÀN PHẲNG BTCT/BTUST – CỘT CFT .80 CÔNG THỨC ĐỀ XUẤT 80 3.1.1 Công thức đề xuất xác định khả kháng chọc thủng liên kết sàn BTCT – cột CFT 80 3.1.2 Công thức đề xuất xác định khả kháng chọc thủng liên kết sàn BTUST – cột CFT 87 KIỂM CHỨNG VÀ SO SÁNH CÔNG THỨC ĐỀ XUẤT .88 3.2.1 Kiểm chứng .88 3.2.2 So sánh mức độ xác cơng thức đề xuất 91 KẾT LUẬN CHƯƠNG 94 KẾT LUẬN 96 KẾT LUẬN .96 CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 99 CÁC TỒN TẠI 100 KIẾN NGHỊ .100 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO .102 PHỤ LỤC 105 viii