Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích ứng xử của dầm liên hợp thép-bê tông dưới tác dụng của lực dọc và mômen uốn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

PHẠM DUY HIẾU

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP-BÊ TÔNG DƯỚI TÁC DỤNG

CỦA LỰC DỌC VÀ MÔMEN UỐN

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số ngành: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2024

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Thái Sơn Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Trần Tuấn Nam Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Liêu Xuân Quí

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM, ngày 25 tháng 01 năm 2024

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS TS Đỗ Nguyễn Văn Vương - Chủ tịch hội đồng

5 PGS TS Ngô Hữu Cường - Ủy viên

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS TS Đỗ Nguyễn Văn Vương PGS TS Lê Anh Tuấn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 22/5/1994 Nơi sinh: Kiên Giang Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số: 8580201

I TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích ứng xử của dầm liên hợp Thép-Bê tông dưới tác dụng

của lực dọc và mômen uốn (Behaviour of Steel-Concrete Composite Beam Under Combined Bending Moment and Axial Loading)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Xây dựng mô hình số phần tử hữu hạn dựa trên phần mềm ABAQUS để mô phỏng ứng xử của dầm liên hợp Thép-Bê tông dưới tác động của lực dọc và mômen uốn, trong đó xem xét ứng xử phi tuyến hình học, phi tuyến vật liệu của thép và bê tông, cũng như tương tác giữa các thành phần trong kết cấu liên hợp

2 Kiểm chứng kết quả mô phỏng với các kết quả thí nghiệm để chứng minh độ tin cậy của mô hình số được phát triển và quy trình mô phỏng

3 Tìm hiểu các phương pháp tính toán, kiểm tra khả năng chịu lực của dầm liên hợp Thép-Bê tông dưới tác động của lực dọc và mômen

4 Khảo sát các thông số vật liệu (cường độ chịu nén của bê tông và giới hạn chảy của thép) và mức độ liên kết chống cắt đến ứng xử chịu lực của dầm liên hợp thép-bê tông dưới tác dụng của lực dọc

5 Phát triển công thức kiểm tra khả năng chịu lực được dựa trên các lý thuyết cơ học để kiểm tra khả năng chịu lực của dầm liên hợp Thép-Bê tông chịu đồng thời mômen uốn và lực dọc

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/9/2023

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 28/12/2023 V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng nằm trong hệ thống bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên khả năng tự nghiên cứu và biết cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế của ngành xây dựng Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự cố gắng của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiều từ tập thể và cá nhân

Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS Thái Sơn đã tận tâm hướng dẫn, đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành ý tưởng của đề tài và góp ý cho tôi trong cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu, cũng như cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả

Tôi cũng xin trân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kĩ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa TP HCM đã truyền dạy cho tôi những kiến thức quý giá đó là những hành trang trên con đường nghiên cứu khoa học và phát triển sự nghiệp của tôi sau này

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành với nỗi lực của bản thân, tuy nhiên không thể không có những thiếu sót Kính mong quý Thầy Cô chỉ dẫn thêm để tôi bổ sung những kiến thức và hoàn thiện bản thân mình hơn

Xin trân trọng cảm ơn

Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 12 năm 2023

HỌC VIÊN CAO HỌC

Phạm Duy Hiếu

TÓM TẮT

Trong luận văn này trình bày một nghiên cứu tính toán bằng phương pháp số về cường độ giới hạn của dầm liên hợp Thép-Bê tông dưới tác dụng đồng thời của mômen uốn dương và lực nén dọc trục dựa trên thực nghiệm của G Vasdravellis và cộng sự [1] Bốn dầm liên hợp Thép-Bê tông với kích thước đầy đủ đã được thí nghiệm trong điều kiện uốn dương và nén dọc trục Một mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến đã được phát triển và cho thấy khả năng dự đoán chính xác ứng xử phi tuyến và cường độ giới hạn của dầm liên hợp Thép-Bê tông đã được thực nghiệm Mô hình sau đó được sử dụng để thực hiện một loạt các phân tích tham số trên mặt cắt liên hợp với sự thay đổi về cường độ vật liệu và mức độ liên kết chịu cắt thường được sử dụng trong thực tế Qua đó nhận thấy rằng cường độ mômen giới hạn của dầm không giảm khi tác dụng lực nén dọc trục từ thấp đến trung bình, trong khi nó sẽ suy giảm nhanh chóng khi tác dụng lực nén dọc trục ở mức cao Phân tích bằng phương pháp phân bố ứng suất dẻo (Plastic Stress Distribution Method - PSDM) cũng được thực hiện để kiểm chứng và so sánh với kết quả thực nghiệm Tương tác mômen uốn dương - lực nén dọc trục không thay đổi đáng kể giữa dầm có liên kết chịu cắt hoàn toàn (Full Shear Connection - FSC) và liên kết chịu cắt một phần (Partial Shear Connection - PSC) Cuối cùng, dựa trên các kết quả từ thực nghiệm, phân tích số học và mô hình tương tác giữa mômen – lực nén dọc trục đã được đề xuất bởi G Vasdravellis [1], luận văn này đề xuất một mô hình đơn giản tương tác giữa mômen - lực nén dọc trục mới cho phép thiết kế dầm liên hợp Thép-Bê tông hiệu quả hơn

ABSTRACT

In this thesis, a numerical study is presented on the ultimate strength of Concrete composite beams under the simultaneous effect of positive bending moment and axial compression force based on the experiments of G Vasdravellis et al [1] Four full-size Steel-Concrete composite beams were tested under positive bending and axial compression conditions A nonlinear finite element model was developed and demonstrated the ability to accurately predict the nonlinear behavior and ultimate strength of experimentally tested Steel-Concrete composite beams The model is then used to perform a series of parametric analyzes on the composite cross-section with variations in material strength and degree of shear connection commonly used in practice Thereby, it is found that the ultimate strength moment of the beam does not decrease when low to medium axial compression is applied, while it will decrease rapidly when high axial compression is applied Analysis using the plastic stress distribution method (Plastic Stress Distribution Method - PSDM) was also performed to verify and compare with experimental results The positive bending moment–axial compression interaction does not change significantly between beams with full shear connections (Full Shear Connection - FSC) and partial shear connections (Partial Shear Connection - PSC) Finally, based on results from experiments, numerical analysis and the interaction model between positive bending moment - axial compression force proposed by G Vasdravellis [1], this thesis proposes a simple model corresponding to the new improved bending moment – axial compression force interaction allows the design of Steel - Concrete composite beams to be more effective

Steel-LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các nội dung trong luận văn thạc sĩ do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Thái Sơn

Các kết quả trong luận văn là hoàn toàn đúng với sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác, ngoại trừ các kết quả được tham khảo liên quan đến luận văn

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về các công việc đã thực hiện của mình Tp Hồ Chí Minh, ngày 28 tháng 12 năm 2023

HỌC VIÊN CAO HỌC

Phạm Duy Hiếu

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT xii

DANH MỤC KÝ HIỆU xiii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu 2

1.3 Sự cần thiết của nghiên cứu 5

1.4 Mục tiêu nghiên cứu 5

1.5 Ý nghĩa khoa học 6

1.6 Ý nghĩa thực tiễn 6

1.7 Cấu trúc luận văn 6

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Phương pháp phân bố ứng suất dẻo (PSDM) 8

2.2 Phương trình cân bằng khi chịu tải trọng mômen uốn và lực dọc đồng thời 10

2.2.1 Tổng cân bằng lực dọc 11

2.2.2 Tổng cân bằng mômen 12

2.3 Các tiêu chuẩn tính toán khả năng chịu lực dầm liên hợp Thép-Bê tông 13

2.4 Tính toán dầm liên hợp chịu uốn theo AISC 360-22 15

2.5 Tính toán dầm liên hợp chịu uốn theo Eurocode 4 17

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG SỐ - ABAQUS 22

4.2 Ảnh hưởng của các tham số 51

4.2.1 Ảnh hưởng của cường độ bê tông ( fc') 51

4.2.2 Ảnh hưởng của cường độ thép hình ( f ) 53y4.2.3 Ảnh hưởng của số lượng đinh chịu cắt (NStud) 55

4.2.4 Tương quan giữa các thông số vật liệu 57

4.3 Biểu đồ tương tác 58

4.4 Cường độ nén dọc trục giới hạn Nu 64

4.5 Mômen uốn giới hạn Mu 67

4.6 Mô hình thiết kế đề xuất 68

4.6.1 Mô hình đề xuất của G Vasdravellis 68

4.6.2 Mô hình đề xuất mới 69

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71

5.1 Kết luận 71

5.2 Kiến nghị 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO 73

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 76

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Quy cách thiết kế và cường độ vật liệu hiện hành [21] 14

Bảng 2.2 Khả năng chịu uốn tính toán bằng phương pháp PSDM [21] 15

Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm vật liệu Bê tông 24

Bảng 3.2 Kết quả thí nghiệm vật liệu thép 25

Bảng 3.3 Dạng hư hỏng và cường độ giới hạn của dầm 26

Bảng 3.4 Bảng tổng hợp thông số vật liệu thép được sử dụng trong mô phỏng 41

Bảng 3.5 Bảng tổng hợp thông số vật liệu đinh chịu cắt được sử dụng trong mô phỏng 42

Bảng 3.6 Bảng so sánh kết quả giữa mô phỏng ABAQUS và thực nghiệm dầm CB1 của G Vasdravellis và cộng sự 43

Bảng 3.7 Bảng so sánh kết quả giữa mô phỏng ABAQUS và thực nghiệm dầm CB6 của G Vasdravellis và cộng sự 45

Bảng 4.1 Bảng tóm tắt thông số dầm khảo sát 50

Bảng 4.2 So sánh ảnh hưởng của cường độ bê tông đến cường độ của dầm 52

Bảng 4.3 So sánh ảnh hưởng của cường độ thép hình đến cường độ dầm 54

Bảng 4.4 So sánh ảnh hưởng của số lượng đinh chịu cắt đến cường độ của dầm 56

Bảng 4.5 Bảng tổng hợp cường độ mômen và lực nén dọc trục tương ứng của dầm tham số tính toán từ ABAQUS 60

Bảng 4.6 Bảng tổng hợp khả năng chịu nén dọc trục của dầm khi tính toán bằng ABAQUS và tính toán bằng PSDM 65

Bảng 4.7 Bảng tổng hợp mômen giới hạn Mu khi tính toán bằng ABAQUS và tính toán bằng PSDM 67

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Dầm liên hợp thép - bê tông 1

Hình 1.2 Mặt cắt tính toán của dầm liên hợp thép - bê tông chịu mômen dương 1

Hình 1.3 Dầm khán đài liên hợp thép-bê tông nghiêng chịu uốn, nén đồng thời 2

Hình 1.4 Thí nghiệm của Troitsky và cộng sự [4] 3

Hình 1.5 Thí nghiệm dầm chịu mômen âm và lực kéo đồng thời của Vasdravellis và cộng sự [18] 5

Hình 2.1 Phân bố ứng suất dẻo trong dầm chịu mômen+ uốn thuần túy (PNA = Trục trung hòa dẻo) 9

Hình 2.2 Giả định sự phân bố ứng suất dẻo dẫn đến xuất hiện lực dọc và mômen+uốn trong tiết diện 9

Hình 2.3 Phân bố hợp lực của các thành phần trong tiết diện (PNA = Trục trung hòa dẻo) 10

Hình 2.4 Sơ đồ minh họa tác động và chuyển vị tổng thể của dầm 11

Hình 2.5 Phân bố ứng suất dẻo trong dầm chịu mômen uốn dương [3] 16

Hình 2.6 Phân bố ứng suất dẻo trong trường hợp trục trung hòa đi qua bản bê tông (PNA = Trục trung hòa dẻo) 18

Hình 2.7 Phân bố ứng suất dẻo trong trường hợp trục trung hòa đi qua cánh trên dầm thép (PNA = Trục trung hòa dẻo) 18

Hình 2.8 Phân bố ứng suất dẻo trong trường hợp trục trung hòa đi qua bản bụng dầm thép (PNA = Trục trung hòa dẻo) 19

Hình 2.9 Đinh chịu cắt trong bản sàn liên hợp 20

Hình 3.1 Mô hình thực nghiệm của G Vasdravellis và cộng sự [1] 22

Hình 3.2 Sơ đồ thí nghiệm G Vasdravellis và cộng sự [1] 23

Hình 3.3 Thí nghiệm vật liệu đinh chịu cắt (Push out test) [1] 24

Hình 3.4 Vết nứt tại giữa nhịp của mẫu dầm CB1 [1] 26

Hình 3.5 Chuyển vị của mẫu dầm CB1 [1] 27

Hình 3.6 Nứt vỡ bê tông tại đầu dầm của mẫu dầm CB4 [1] 27

Hình 3.7 Mất ổn định cục bộ và nứt vỡ bê tông xuất hiện tại mẫu CB5 và CB6 [1] 28

Hình 3.8 Mẫu thí nghiệm của G Vasdravellis và cộng sự được mô phỏng trong ABAQUS 29

Hình 3.9 Điều kiện biên của nửa dầm CB1 được mô phỏng trong ABAQUS 31

Hình 3.10 Chia lưới trong dầm mô phỏng 32

Hình 3.11 Quan hệ ứng suất-biến dạng nén của bê tông [22] 34

Hình 3.12 Mô hình ứng suất – biến dạng theo Behnam [29] 37

Hình 3.13 Mô hình ứng suất – biến dạng của bê tông khi chịu nén được sử dụng trong mô phỏng 39

Hình 3.14 Mô hình ứng suất – biến dạng của thép hình [30] 39

Hình 3.15 Mô hình ứng suất – biến dạng của thép cốt [30] 40

Hình 3.16 So sánh giá trị giữa mô hình và giá trị thu được từ thí nghiệm của thép hình [30] 40

Hình 3.17 So sánh giá trị giữa mô hình và giá trị thu được từ thí nghiệm của thép cốt [30] 41

Hình 3.18 Mô hình ứng suất – biến dạng đinh chịu cắt [23] 42

Hình 3.19 Quan hệ giữa mômen giữa dầm CB1 và chuyển vị tương ứng 43

Hình 3.20 Vết nứt trên bê tông giữa thực nghiệm và mô phỏng của dầm CB1 44

Hình 3.21 Quan hệ nén dọc trục của CB6 và chuyển vị tương ứng 45

Hình 3.22 Mất ổn định cục bộ giữa thực nghiệm và mô phỏng của dầm CB6 46

Hình 3.23 Đường cong tương tác mô phỏng bằng ABAQUS 47

Hình 3.24 Đường cong tương tác không thứ nguyên 48

Hình 4.1 Sơ đồ tính của dầm khi chịu tải mômen uốn và lực nén dọc trục đồng thời

49

Hình 4.2 So sánh ảnh hưởng của cường độ bê tông đến đường cong tương tác mômen lực dọc của các cặp dầm 51

Hình 4.3 So sánh ảnh hưởng của cường độ bê tông đến Mu và Nu 51

Hình 4.3 So sánh ảnh hưởng của cường độ bê tông đến Mu và Nu (tiếp theo) 52

Hình 4.4 So sánh ảnh hưởng của cường độ thép đến Mu và Nu 53

Hình 4.5 Ảnh hưởng của số lượng đinh chịu cắt NStud đến mômen giới hạn Mu 55

Hình 4.6 Ảnh hưởng của số lượng đinh chịu cắt NStud đến lực nén giới hạn Nu 55

Hình 4.7 Tương quan ảnh hưởng vật liệu đến đường cong tương tác mômen lực dọc của cặp dầm C23_S450_16 và C30_S370_16 57

Hình 4.8 Đường cong tương tác của dầm tham số 58

Hình 4.9 Đường cong tương tác không thứ nguyên của dầm tham số 59

Hình 4.10 Đường tương tác song tuyến theo đề xuất của G Vasdravellis [1] 68

Hình 4.11 Đường tương tác song tuyến theo đề xuất mới 69

Hình 4.12 Đường tương tác song tuyến đề xuất mới trên dữ liệu phân tích dầm tham số của G Vasdravellis 70

PSDM Phương pháp bố ứng suất dẻo (Plastic Stress Distribution Method) RPA Phân tích dẻo cứng mặt cắt tiết diện liên hợp (Rigid Plastic Analys)

I Mômen quán tính của tiết diện dầm thép đối với trọng tâm dẻo (P.C)

của tiết diện

I Mômen quán tính của phần bê tông chịu lực nén đối với trọng tâm

dẻo (P.C) của tiết diện

L Chiều dài nhịp dầm liên hợp

M Cường độ chịu uốn thuần túy của dầm liên hợp

P Tải trọng thẳng đứng tại vị trí giữa dầm

y Độ sâu của đặt lực nén dọc trục so với mặt trên dầm

y Độ sâu của trọng tâm dẻo tiết diện so với mặt trên của dầm liên hợp

 Hệ số mức độ liên kết chịu cắt của dầm  Độ võng tại vị trí giữa dầm

 Hệ số uốn dọc của cấu kiện chịu nén theo Eurocode 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề

Kết cấu liên hợp Thép-Bê tông đã được sử dụng rộng rãi trong những thập kỷ gần đây vì những ưu điểm của chúng so với kết cấu thông thường Việc sử dụng tối ưu hai vật liệu cùng với các đặc tính riêng biệt của chúng, ví dụ độ bền, độ dẻo của thép khi chịu kéo và độ bền, độ cứng cao của bê tông khi nén, đem đến một giải pháp kết cấu rất hiệu quả và kinh tế Hơn nữa, bê tông cốt thép lại không quá tốn kém và cung cấp khả năng chống cháy tốt, trong khi dầm thép có trọng lượng nhẹ và dễ lắp ráp Khả năng liên hợp hiệu quả giữa tấm bê tông và dầm thép thông qua liên kết chịu cắt làm tăng đáng kể độ cứng và khả năng chịu mômen của dầm liên hợp so với các đặc tính của dầm thép đơn lẻ hoặc bê tông cốt thép Bằng cách này có thể đem lại khả năng vượt nhịp lớn hơn nhiều so với kết cấu thông thường

Dầm liên hợp Thép-Bê tông được tạo bởi một dầm thép cán nóng hoặc dầm thép tổ hợp hàn và một bản sàn bê tông cốt thép (bình thường hoặc ứng suất trước) Bản sàn được liên kết với dầm thép bằng các liên kết chịu cắt để đảm bảo sự làm việc đồng thời của chúng

hợp thép - bê tông chịu mômen dương

Trong kết cấu thực tế, có những trường hợp cấu kiện dầm chịu đồng thời mômen uốn và lực dọc Một số ví dụ điển hình như sau:

- Dầm nằm ở các mặt đón và hút gió của các tòa nhà cao tầng Trong các tòa

nhà này, lực gió đẩy, hút có thể đạt giá trị lớn, tùy vào chiều cao của công trình Dẫn đến ngoài việc chịu mômen uốn, các dầm này còn đồng thời chịu thêm lực kéo, nén khi truyền tải trọng ngang vào lõi cứng của công trình - Ảnh hưởng của sự co ngót trong bản sàn bê tông, gián tiếp gây ra tải trọng kéo

dọc trục trên những dầm thép

- Dầm ram dốc của bãi đỗ xe và dầm khán đài nghiêng thường được xây dựng với độ dốc lớn, do đó chúng chịu đồng thời cả lực uốn và lực dọc

- Cầu dây văng, nơi mà cáp có thể tạo lực kéo trong dầm liên hợp

Hình 1.3 Dầm khán đài liên hợp thép-bê tông nghiêng chịu uốn, nén đồng thời

Khả năng chịu lực của dầm liên hợp khi chịu tác động đồng thời của tải trọng dọc trục và mômen uốn vẫn chưa được đề cập một cách toàn diện trong các quy phạm hiện hành Trên thực tế, các quy phạm về kết cấu thép và kết cấu liên hợp, bao gồm tiêu chuẩn Eurocode 4 (Ủy ban Tiêu chuẩn Châu Âu 2004a) [2] và AISC 360-22 (Viện kết cấu thép Hoa Kỳ 2022) [3], đưa ra hướng dẫn chi tiết về thiết kế cột liên hợp dưới tải trọng uốn và dọc trục, nhưng chúng không giải quyết các ảnh hưởng của tác động kết hợp (lực dọc và mômen) trong dầm liên hợp, cấu kiện có bản chất không đối xứng về hình học trong mặt phẳng chịu lực chính

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Trong hơn 50 năm qua, có một số lượng nghiên cứu đáng kể về khả năng chịu uốn của dầm liên hợp, mặc dù ứng xử của các tác động kết hợp vẫn chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng Các kết quả nghiên cứu còn hạn chế về ứng xử của dầm liên hợp Thép - Bê tông trong các điều kiện tải trọng tổng quát

Ý tưởng thêm cáp dự ứng lực vào dầm thép và giàn thép đã được đưa ra vào những năm 1950 và kể từ đó ảnh hưởng của cáp dự ứng lực lên dầm thép liên hợp đã được được nghiên cứu Troitsky và cộng sự [4] đã thực hiện các nghiên cứu phân tích và thực nghiệm trên dầm thép liên hợp có cáp dự ứng lực dưới tác dụng uốn dương Tám cuộc thực nghiệm đã được tiến hành sử dụng ba tải trọng thẳng đứng để mô phỏng tải trọng xe tải trên một dầm cầu đơn giản và biến dạng được đo ở thớ trên và thớ dưới của dầm thép Các thực nghiệm này đã chỉ sự phân bố ứng suất dọc theo nhịp và mặt cắt dầm khi có sự thay đổi thông số cáp dự ứng lực

Hình 1.4 Thí nghiệm của Troitsky và cộng sự [4]

Saadatmanesh và cộng sự [5, 6] là những người đầu tiên nghiên cứu dầm thép liên hợp dự ứng lực chịu mômen âm Hai thí nghiệm đã được thực hiện: thí nghiệm thứ nhất với các sợi cáp dự ứng lực đặt dọc theo cánh dưới dầm thép tạo ra mômen uốn dương, và thí nghiệm thứ hai với các sợi cáp dự ứng lực được đặt dọc theo cánh trên trên dầm thép tạo ra mômen uốn âm Những tác động có lợi của việc tạo ứng suất trước đã được ghi nhận Các kiến nghị về thiết kế hiệu quả và thiết thực đã được đề xuất

Một nghiên cứu thực nghiệm và phân tích về hai dầm tổ hợp được thực hiện bởi Uy và Craine [7] Nghiên cứu của họ đã so sánh dầm liên hợp Thép-Bê tông thông thường với dầm Thép-Bê tông có cáp dự ứng lực Dầm liên hợp Thép-Bê tông có dự ứng lực cho thấy độ bền chịu mômen uốn dương tăng 15%

Chen và Gu [8] đã nghiên cứu dầm dự ứng lực chịu mômen uốn dương sử dụng cáp có cao độ không đổi (Straight tendon) và cáp có cao độ thay đổi dọc theo chiều dài dầm (Draped tendon) Đã quan sát thấy độ bền chịu mômen uốn dương tăng 84% Khả năng tăng thêm 7% được quan sát thấy bằng cách sử dụng cáp có cao độ thay đổi dọc theo chiều dài dầm (Draped tendon)

Ảnh hưởng của ứng suất trước lên dầm liên hợp chịu mô uốn dương đã được nghiên cứu bởi Uy và Bradford [9] và Uy [10]

Hiệu suất của dầm liên hợp Thép-Bê tông khi chịu uốn và xoắn đồng thời đã được trình bày bởi Nie và các cộng sự [11] bằng cách nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết trên mười một dầm liên hợp Thép-Bê tông Ảnh hưởng của lực xoắn đối với dầm thẳng và dầm cong cũng đã được nghiên cứu bởi Tan và Uy [12, 13] Các phương trình thiết kế để phân tích giới hạn cuối cùng của dầm liên hợp cũng đã được đưa ra bởi Baskar và Shanmugan [14] đã thử nghiệm một số dầm liên hợp Thép-Bê tông khi chịu tải trọng uốn và cắt Họ phát hiện ra rằng giới hạn chịu lực cuối cùng được tăng lên đáng kể so với dầm thép đơn lẻ

Elghazouli và Treadway [15] đã trình bày kết quả từ một loạt các thử nghiệm trên cấu kiện “cột-dầm” thép bọc bê tông một phần Các thực nghiệm về ứng xử không đàn hồi của các mẫu thử khi chịu tải trọng ngang và tải trọng dọc trục đã được kiểm tra Tuy nhiên, các mẫu thử trong thí nghiệm nghiên cứu của họ có tính đối xứng qua cả hai trục X và Y của chúng, do đó nó thích hợp hơn trong cấu kiện cột

Uy và Tuem [16] là những người đầu tiên xem xét ảnh hưởng của lực kéo đối với dầm liên hợp Một nghiên cứu phân tích về tác động của lực dọc trục và mômen đồng thời được thực hiện thông qua phân tích mặt cắt và phân tích dẻo cứng

Độ bền tới hạn của dầm liên hợp chịu lực dọc (kéo và nén) và mômen (âm và dương) đồng thời được nghiên cứu bởi Vasdravellis và cộng sự [1, 17 - 19] bằng cách

thực nghiệm lẫn phương pháp số

Hình 1.5 Thí nghiệm dầm chịu mômen âm và lực kéo đồng thời của Vasdravellis và cộng sự [18]

1.3 Sự cần thiết của nghiên cứu

Từ những đặc tính và ưu điểm của cấu kiện dầm liên hợp Thép-Bê tông, việc nghiên cứu đầy đủ về khả năng chịu lực của cấu kiện là cần thiết để đáp ứng những yêu cầu thực tế Tuy nhiên đây là một vấn đề cần xem xét kĩ lưỡng qua từng khía cạnh, từ việc tính toán khả năng chịu lực cho tiết diện và tính toán khả năng chịu lực cho cấu kiện một cách đầy đủ

Phạm vi của nghiên cứu này sẽ tập trung vào ứng xử uốn - nén của dầm liên hợp Thép-Bê tông Từ đó đề xuất ra phương trình thiết kế dầm liên hợp chịu uốn – nén, xây dựng biểu đồ tương tác giữa mômen uốn dương và tải trọng nén dọc trục

1.4 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu này tập trung vào những ý chính sau:

- Tổng hợp các phương pháp tính toán trạng thái giới hạn của dầm liên hợp trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp hiện hành để làm cơ sở lý thuyết cho việc so sánh kết quả tính toán với kết quả mô phỏng số, kết quả thực nghiệm - Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến dựa trên phần mềm ABAQUS để mô phỏng ứng xử của dầm liên hợp Thép-Bê tông dưới tác động của lực nén dọc trục và moment uốn dương

- Kiểm chứng sự hiệu quả và độ tin cậy của kết quả phân tích bằng phương pháp số so với các kết quả thực nghiệm đã được thực hiện

- Khảo sát các thông số vật liệu (cường độ chịu nén của bê tông và giới hạn chảy của thép) và mức độ liên kết chịu cắt đến ứng xử chịu lực của dầm liên hợp Thép-Bê tông dưới tác dụng của mômen uốn dương và lực nén dọc trục - Phát triển công thức kiểm tra khả năng chịu lực được dựa trên các lý thuyết cơ

học để kiểm tra khả năng chịu lực của dầm liên hợp Thép-Bê tông dưới tác dụng của mômen uốn dương và lực nén dọc trục

1.5 Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu này có thể đóng góp vào khối kiến thức chung trong việc phân tích và dự đoán khả năng chịu lực của dầm liên hợp Thép-Bê tông khi chịu tải trọng uốn - nén đồng thời

Kết quả thu được sẽ đưa ra những nhận xét về công thức, phương pháp tính toán và thiết kế dầm liên hợp Thép-Bê tông trong khi các tiêu chuẩn phổ biến hiện nay chưa được đề cập một cách đầy đủ

Từ mô hình dự đoán khả năng chịu lực của dầm liên hợp Thép-Bê tông phát triển trong nghiên cứu này, có thể phát triển thêm các mô hình dự đoán khả năng chịu lực của dầm liên hợp Thép-Bê tông chịu các loại tải trọng phức tạp hơn

Kết quả nghiên cứu lý thuyết có thể được sử dụng như một nghiên cứu tiền đề cho các nghiên cứu thực nghiệm về sau

1.7 Cấu trúc luận văn

Nội dung luận văn trình bày với các nội dung sau:

Chương 1: Tổng quan

Giới thiệu cơ bản về dầm liên hợp Thép-Bê tông Trình bày tình hình nghiên cứu đã được thực hiện đối với dầm liên hợp Thép-Bê tông Khái quát sơ lược về đề tài đang nghiên cứu: mục tiêu, nội dung, đối tượng, tính cần thiết và ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Trình bày các cơ sở lý thuyết tính toán dầm liên hợp Thép-Bê tông chịu lực nén dọc trục và mômen uốn đồng thời bằng phương pháp phân bố ứng suất dẻo (PSDM), phương pháp tính toán khả năng chịu lực của dầm liên hợp Thép-Bê tông theo một số tiêu chuẩn hiện hành

Chương 3: Mô phỏng số - ABAQUS

Trình bày về bài toán kiểm chứng, các thông số cơ bản được sử dụng trong phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (FEM) Phát triển mô hình phân tích phi tuyến cho thấy khả năng dự đoán chính xác phản ứng phi tuyến về cường độ giới hạn của dầm liên hợp Thép-Bê tông đã được thực nghiệm

Chương 4: Nghiên cứu dầm tham số

Trình bày về nghiên cứu các tham số ảnh hưởng trên dầm liên hợp Thép-Bê tông bằng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn ABAQUS, đưa ra nhận xét và đề xuất một mô hình thiết kế đơn giản cho dầm liên hợp Thép-Bê tông chịu tải trọng nén dọc trục và mômen uốn đồng thời

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Từ những kết quả thu được, đưa ra một số đánh giá, kết luận và kiến nghị cho những nghiên cứu về sau

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Phương pháp phân bố ứng suất dẻo (PSDM)

Phương pháp phân bố ứng suất dẻo (Plastic Stress Distribution Method - PSDM) hay còn được gọi với tên khác là (Rigid Plastic Analysis - RPA), cường độ danh định

được tính toán theo giả thiết rằng phần thép kết cấu đạt đến ứng suất suất chảy dẻo fy

trên cả phần chịu kéo và chịu nén, phần bê tông vùng nén gây ra do lực nén hoặc uốn đạt đến giá trị 0.85 '

f , trong đó '

f là cường độ nén của bê tông

Việc tính toán cường độ chịu uốn của dầm liên hợp Thép-Bê tông theo phương pháp PSDM được thực hiện với quan hệ cân bằng lực kéo, nén của từng phần vật liệu trong tiết diện, với các giả thiết sau:

(1) Cân bằng lực được đặt vào tiết diện để xác định trục trung hòa (Plastic Neutral Axis - PNA), từ đó xác định khả năng chịu lực của tiết diện

(2) Sự mất ổn định cục bộ của phần thép chưa được xét đến cho đến khi quá trình phá hoại bê tông diễn ra, nghĩa là toàn bộ phần thép và phần bê tông chịu nén cùng đạt đến giới hạn chảy của chúng

(3) Phần thép đã đạt đến ứng suất chảy fy đối với cả phần chịu nén và chịu kéo (4) Cường độ của bê tông vùng nén đạt đến giá trị 0.85 fc'

(5) Khả năng chịu kéo của bê tông được bỏ qua

(6) Dầm thép và bản bê tông có tương tác liên kết hoàn toàn với nhau trong tiết diện liên hợp, tức là không có sự trượt giữa dầm thép và bản bê tông với nhau

(7) Sự phân bố ứng suất của tiết diện dầm liên hợp Thép-Bê tông được thể hiện trong hình

Hình 2.1 Phân bố ứng suất dẻo trong dầm chịu mômen+ uốn thuần túy (PNA = Trục trung hòa dẻo)

Khi có lực dọc trục, vị trí của trục trung hòa dẻo thay đổi dọc theo chiều cao của tiết diện liên hợp Sau đó, mômen uốn và lực nén dọc trục được tính toán lấy tâm quay là trọng tâm dẻo (Plastic Centroid) của mặt cắt liên hợp, như thể hiện trong Hình 2.2

Hình 2.2 Giả định sự phân bố ứng suất dẻo dẫn đến xuất hiện lực dọc và mômen+ uốn trong tiết diện

Có thể dễ dàng tính toán cường độ của dầm liên hợp có mức độ liên kết một phần bằng phương pháp PSDM Theo tiêu chuẩn AS/NZS 2327:2017 [20] có đưa ra phương trình tính toán cường độ dầm theo mức độ liên kết, bằng cách giảm cường độ bê tông theo tỉ lệ của mức độ liên kết  Cụ thể là:

cpc effc

Đây là phương pháp sử dụng để tính toán cường độ dầm theo PSDM trong luận văn này Ngoài ra tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 4 [2] và tiêu chuẩn Mỹ AISC 360-22 [3] cũng đưa ra các phương trình tính toán dầm có mức độ liên kết một phần, cụ thể được trình bày ở mục 2.4 và 2.5

2.2 Phương trình cân bằng khi chịu tải trọng mômen uốn và lực dọc đồng thời

Một minh họa mặt cắt ngang điển hình phân bố hợp lực của các thành phần trong tiết diện chịu tải trọng đồng thời của mômen uốn dương và lực nén dọc trục được thể hiện ở Hình 2.3

Hình 2.3 Phân bố hợp lực của các thành phần trong tiết diện (PNA = Trục trung hòa dẻo)

Chuyển vị của dầm dưới tác dụng đồng thời của mômen uốn và lực nén dọc trục được minh họa bằng Hình 2.4

Hình 2.4 Sơ đồ minh họa tác động và chuyển vị tổng thể của dầm

2.2.1 Tổng cân bằng lực dọc

Điều này thể hiện điều kiện cân bằng lực của toàn bộ mặt cắt nơi lực nén dọc

trục N tác dụng lên tiết diện liên hợp Thép-Bê tông bằng không, có nghĩa là tải trọng nén dọc trục N tác dụng lên tiết diện bằng tổng các lực tác dụng lên từng bộ phận của

F là hợp lực của bản cánh dưới dầm thép chịu kéo

Trong phương trình (2.3) trình bày cho trường hợp trục trung hòa đi qua bản

bụng dầm thép, tùy vào giá trị của lực dọc N tác dụng vào mặt cắt tiết diện mà vị trí

trục trung hòa có thể thay đổi vị trí, nghĩa là dấu của các giá trị ở trên có thể mang dấu “+” hoặc “-” Khi đó có thể có những thành phần sẽ bao gồm cả dấu “+” hoặc “-” (trục trung hòa đi qua bản cánh trên hoặc cánh dưới dầm thép)

trọng tâm dẻo của tiết diện (Plastic centroid) như đã thể hiện trong Hình 2.4 Do đó phương trình cân bằng tổng mômen có thể được viết dưới dạng:

2.3 Các tiêu chuẩn tính toán khả năng chịu lực dầm liên hợp Thép-Bê tông

Theo đánh giá của các tiêu chuẩn thiết kế hiện có, ví dụ như Eurocode 4 [2] (Ủy ban Tiêu chuẩn Châu Âu 2004a), AISC 360-22 [3] (Viện kết cấu thép Hoa Kỳ 2022), các phương pháp tính toán khả năng chịu lực của cấu kiện liên hợp Thép-Bê tông có thể chia thành phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD) và phương pháp hệ số từng phần (PFM) Đối với AISC 360-22 [3] độ bền tính toán của cấu kiện liên hợp được xác định bằng cách nhân độ bền danh nghĩa của cấu kiện với hệ số sức kháng  , không lớn hơn 1,0 Ngược lại đối với Eurocode 4 [2], áp dụng

phương pháp PFM, hệ số an toàn từng phần  không nhỏ hơn 1,0 được áp dụng trực tiếp cho các cường độ đặc trưng của vật liệu Sự khác biệt trong phương pháp tính toán giữa LRFD và PFM có thể dẫn đến sự khác biệt đáng kể về độ bền tính toán của cấu kiện liên hợp mặc dù các thông số vật liệu và kích thước hình học là như nhau Hơn nữa việc sử dụng hệ số an toàn ở cấp độ vật liệu chứ không phải ở cấp độ cấu kiện, phương pháp PFM có thể linh hoạt hơn trong việc áp dụng vật liệu cường độ cao và các phương pháp liên hợp mới

Bảng 2.1 so sánh cường độ vật liệu được quy định trong Eurocode 4 [2] và AISC 360-22 [3] Trong bảng cường độ đặc trưng, cường độ tính toán và hệ số an toàn được biểu thị như fk, fd(= fk / ) và hệ số  tương ứng Ngoài ra, M f( k),M f( d) biểu thị khả năng chịu uốn tới hạn của dầm liên hợp được tính bằng cách sử dụng cường độ đặc trưng và cường độ tính toán của vật liệu, tương ứng là fk, fd Trong Bảng 2.1,

Md biểu thị cho khả năng chịu uốn tính toán bao gồm hệ số biên độ an toàn với cường độ danh nghĩa và  là hệ số sức kháng được sử dụng LRFD

Bảng 2.1 cũng cho thấy giới hạn trên và dưới của cường độ đặc trưng của vật liệu được chỉ định trong mỗi tiêu chuẩn thiết kế

Bảng 2.1 Quy cách thiết kế và cường độ vật liệu hiện hành [21]

Thép, s =1.0

Thép cốt, r =1.15

Cường độ đặc trưng của vật liệu fk(Mpa)

(c =1.5,s =1.0,r =1.15): Md =M f( d)

Theo Eurocode 4 [2], một dầm liên hợp có thể bị phá hủy sớm do bản sàn bê tông cốt thép bị phá hủy ngay cả trước khi ứng suất dẻo được phát triển hoàn toàn trong tiết diện dầm thép Điều này dễ xảy ra khi thép cường độ cao được sử dụng Do đó để đảm bảo an toàn, Eurocode 4 [2] đã quy định khả năng chịu uốn dương tính

toán được sửa đổi thành Md =Mpl bằng cách nhân hệ số giảm cường độ  Hệ số giảm cường độ  chỉ được áp dụng khi sử dụng thép cường độ cao fyk =420và 460Mpa

Bảng 2.2 Khả năng chịu uốn tính toán bằng phương pháp PSDM [21]

2.4 Tính toán dầm liên hợp chịu uốn theo AISC 360-22

Theo AISC 360-22 [3], cường độ uốn của dầm liên hợp Thép-Bê tông trong vùng mô men dương có thể được kiểm soát bởi cường độ của tiết diện dầm thép, bản bê tông hoặc liên kết chịu cắt

Theo phương pháp phân bố ứng suất dẻo (PSDM), mômen uốn giới hạn được xác định từ sự phân bố ứng suất dẻo như trong Hình 2.5 Lực nén tác dụng lên bản bê

tông, C, là giá trị nhỏ nhất trong các giá trị sau:

Trong đó:

Ac là diện tích của bản bê tông với bề rộng hữu hiệu As diện tích mặt cắt của dầm thép

Fy là cường độ chảy của dầm thép

có mômen dương lớn nhất và điểm có mômen = 0 đối với nửa dầm '

f là cường độ đặc trưng chịu nén của bê tông Chiều sâu khối chịu nén là:

Trong đó b là bề rộng hữu hiệu của bản bê tông

Dầm liên hợp hoàn toàn khi giá trị C bị chi phối bởi một trong hai phương trình (2.9) hoặc (2.10) Nếu giá trị C bị chi phối bởi phương trình (2.11) thì dầm liên hợp

một phần

Sự phân bố ứng suất dẻo có thể có trục trung hòa dẻo (PNA) trong bản bụng, ở bản cánh trên của tiết diện dầm thép, hoặc trong bản bê tông, tùy thuộc vào các trường

hợp xác định giá trị C

Hình 2.5 Phân bố ứng suất dẻo trong dầm chịu mômen uốn dương [3]

Sử dụng Hình 2.5, mômen bền dẻo danh nghĩa của dầm liên hợp chịu mômen uốn dương được cho bởi:

Py là độ bền chịu kéo của tiết diện dầm thép

d1 là khoảng cách từ trọng tâm vùng nén của bản bê tông đến mặt trên dầm thép

trên dầm thép Trong trường hợp không có vùng nén trong dầm thép thì d2 = 0

2.5 Tính toán dầm liên hợp chịu uốn theo Eurocode 4

Trong phần này của luận văn, sẽ trình bày một cách cụ thể các bước tính toán giá trị Mômen giới hạn của mặt cắt dầm liên hợp Thép-Bê tông chịu uốn dương theo Eurocode 4 [2] với một số giả thiết đơn giản hóa như sau:

(1) Xem tương tác giữa dầm thép và bản bê tông là hoàn toàn

(2) Tất cả các thớ của dầm thép đạt đến giới hạn chảy trong vùng kéo và nén (3) Ứng suất nén trong bê tông là phân bố đều và bằng

(4) Bỏ qua khả năng chịu kéo của bê tông

(5) Cốt thép bản trong vùng nén có tác dụng rất ít đến khả năng chịu moment của tiết diện nên có thể bỏ qua

B1: Tính toán bề rộng hữu hiệu b eff+

B2: Tính toán sức kháng dẻo dọc trục của dầm thép và bê tông

0.85 /+

cfc effckc

B3: Xác định vị trí trục trung hòa dẻo và tính toán moment bền dẻo:

• Nếu Ncf Npla thì trục trung hòa dẻo đi qua bản bê tông

Hình 2.6 Phân bố ứng suất dẻo trong trường hợp trục trung hòa đi qua bản bê tông (PNA = Trục trung hòa dẻo)

Vị trí trục trung hòa dẻo so với mặt trên bản sàn z được tính theo công thức: / ( + 0.85 / )

Vị trí trục trung hòa dẻo so với mặt trên bản sàn z được tính toán theo công thức:

b0 là chiều dài bước sóng tôn

Sức bền tính toán của 01 chốt suy giảm còn:

Moment bền dẻo của dầm suy giảm khi liên kết không hoàn toàn (NStud  Nf ) được tính tính theo công thức:

pl Rdapl Rdpl Rdapl Rdf

CHƯƠNG 3

MÔ PHỎNG SỐ - ABAQUS

Trong chương này, trình bày về mô hình phần tử hữu hạn (FEM) phân tích phi tuyến đã được phát triển và qua đó cũng cho thấy khả năng dự đoán chính xác phản ứng phi tuyến và cường độ giới hạn của dầm liên hợp Thép-Bê tông đã được thực nghiệm

3.1 Mô hình thực nghiệm

Trong phần này trình bày nghiên cứu thực nghiệm của G Vasdravellis [1] và cộng sự về khả năng ứng xử phi tuyến của dầm liên hợp Thép-Bê tông dưới tác động đồng thời của lực dọc và mômen uốn dương

Hình 3.1 Mô hình thực nghiệm của G Vasdravellis và cộng sự [1]

3.1.1 Thiết lập thí nghiệm

Bốn dầm liên hợp Thép-Bê tông kích thước đầy đủ đã được thiết kế và thí nghiệm Các dầm thí nghiệm được ký hiệu là CB1, CB4, CB5 và CB6 Các mẫu CB1 và CB6 lần lượt được thí nghiệm trong điều kiện uốn thuần túy và nén dọc trục thuần túy, trong khi các mẫu CB4 và CB5 được thí nghiệm dưới tác động mômen uốn kết

hợp và mức độ nén dọc trục tăng dần Hình dạng và chi tiết liên quan của mẫu vật được thể hiện trong Hình 3.2 Tất cả các mẫu được thi công bằng bản bê tông cốt thép rộng 600mm và sâu 120mm đặt trên dầm thép UB203x133x30 (tương đương với cấu hình IPE270 hoặc W40) Dầm thép và bản bê tông được kết nối thông qua liên kết chịu cắt dạng đinh chịu cắt (Shear Stud) có đường kính 19mm, cao 100mm Số lượng đinh chịu cắt được tính toán để đạt được liên kết một phần giữa bản bê tông cốt thép và dầm thép Mức độ liên kết chịu cắt () đạt được là 0,5 nếu sử dụng giá trị độ bền danh nghĩa của đinh cắt và 0,6 nếu sử dụng cường độ thực tế thu được từ các thử nghiệm đẩy (Push-out Test) Cốt thép dọc và ngang cũng được đặt trong bản bê tông theo sơ đồ như hình vẽ Hình 3.2

Các thử nghiệm đặc tính vật liệu bê tông và thép đã được thực hiện để xác định cường độ thực tế của vật liệu Mẫu bê tông thí nghiệm dạng hình trụ cao 200mm, đường kính 100mm, bảng tổng hợp Các thí nghiệm kéo thép được tiến hành trên các mẫu cắt từ dầm thép, bảng tổng hợp cường độ thí nghiệm mẫu thép được trình bày trong Bảng 3.2