Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Ứng xử momen-góc xoay của liên kết dầm cột bê tông đúc sẵn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-🙢🕮🙠 -

ĐINH HẢI ĐĂNG

ỨNG XỬ MOMEN - GÓC XOAY

CỦA LIÊN KẾT DẦM CỘT BÊ TÔNG ĐÚC SẴN

MOMEN-ROTATION RESPONSE OF PRECAST CONCRETE BEAM-COLUMN CONNECTION

Chuyên ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNGMã số: 8580201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2024

2

ĐỀ TÀI ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Ngô Hữu Cường

Cán bộ chấm nhận xét 01 : PGS TS Nguyễn Văn Hiếu

3 PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu - Ủy viên (Phản biện 1) 4 TS Bùi Đức Vinh - Ủy viên (Phản biện 2) 5 TS Khổng Trọng Toàn - Ủy viên

Xác nhận của Chủ Tịch Hội Đồng đánh giá luận văn và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS Hồ Đức Duy PGS.TS Lê Anh Tuấn

i

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI: Ứng xử mô-men - góc xoay của liên kết dầm cột Bê tông đúc sẵn - Momen-Rotation Response Of Precast Concrete Beam-Column Connection

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Nghiên cứu tổng quan các loại liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn đã được nghiên cứubằng mô phỏng số và thực nghiệm trong nước và trên thế giới.

2 Trình bày ứng xử của các liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn điển hình.

3 Nghiên cứu các phần tử liên quan, thuật toán phân tích, cách mô phỏng số và đọc vàxuất dữ liệu của phần mềm Abaqus.

4 Mô phỏng số các liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn chịu tải trọng đẩy dần bằng phầnmềm Abaqus.

5 So sánh kết quả đạt được với kết quả phân tích số và thực nghiệm có sẵn để kiểmchứng độ chính xác của phương pháp mô phỏng và mô hình đã phát triển.

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 10/12/2023

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Ngô Hữu Cường

Tp HCM, ngày 10 tháng 12 năm 2023 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

(Họ tên và chữ ký)

PGS.TS Lê Anh Tuấn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TPHCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

ii

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp nằm trong hệ thống bài luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả năng tự nghiên cứu, biết cách giải quyết những vấn đề cụ thể đặt ra trong thực tế xây dựng… Đó là trách nhiệm và niềm tự hào của mỗi học viên cao học

Để hoàn thành Luận văn này, ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiều từ tập thể và các cá nhân Tôi xin ghi nhận và tỏ lòng biết ơn đến tập thể và các cá nhân đã dành cho tôi sự giúp đỡ quý báu đó

Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Ngô Hữu Cường Thầy

đã đưa ra gợi ý đầu tiên để hình thành nên ý tưởng của đề tài, góp ý cho tôi rất nhiều về cách nhận định đúng đắn trong những vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu quả

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng trường Đại học

Bách Khoa Tp.HCM đã truyền dạy những kiến thức quý giá cho tôi Ngoài ra tôi cũng

bảy tỏ lòng biết ơn các Bạn bè cùng khóa học 2021 đã tận tình giúp đỡ tôi hoàn thành

luận văn Đó cũng là những kiến thức không thể thiếu trên con đường nghiên cứu khoa học và sự nghiệp của tôi sau này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Thái Sơn đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá

trình thực hiện Luận văn này

Luận văn thạc sĩ đã hoàn thành trong thời gian quy định với sự nỗ 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 HCM, ngày 10 tháng 12 năm 2023

Đinh Hải Đăng

iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn được thực hiện nhằm phân tích ứng xử momen-góc xoay của liên kết cột bê tông đúc sẵn chịu tác dụng của tải trọng tĩnh thẳng đứng và tải trọng đẩy dần Mô hình liên kết trong nghiên cứu này được trích xuất từ nút biên tầng một của khung bê tông cốt thép chịu lực trong một công trình bốn tầng và được phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn FEM (Finite Element Method) Việc đánh giá các ứng xử của của liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn (BTĐS) dựa trên kết quả khảo sát thực nghiệm đã có và mô phỏng mẫu thí nghiệm bằng phần mềm Abaqus Các vật liệu bê tông, cốt thép sử dụng để đúc mẫu thực nghiệm được mô phỏng trong phần mềm Abaqus bằng các đường cong quan hệ ứng suất-biến dạng Căn cứ vào các kết quả sau khi phân tích, chúng ta đánh giá được các ứng xử của liên kết dầm - cột bê tông đúc sẵn

dầm-Trong quá trình mô phỏng, Học viên cũng tìm hiểu tỉ lệ chia lưới phần tử để tìm ra một tỉ lệ phù hợp đảm bảo tính chính xác của kết quả phân tích cũng như thời gian mà máy tính thực hiện bài toán nằm trong phạm vi hợp lý nhất Kết quả được đánh giá là chính xác khi sai số giữa biểu đồ biểu diễn các xứng xử của mô phỏng và thực nghiệm là phù hợp nhất Mục đích là để phân tích, dự đoán và đánh giá các ứng xử về mô-men-góc xoay trong liên kết dầm-cột BTĐS và đề xuất biểu thức tính toán mô-men, góc xoay và độ cứng của liên kết cho mục đích thiết kế thực hành

Kết quả mô phỏng sau khi phân tích khá gần với giá trị thử nghiệm trước khi liên kết bị phá hoại Tuy nhiên không thể dự đoán chính xác cơ cấu phá hoại sau cùng Điều này là do khi mô phỏng mẫu bằng phần mềm Abaqus đã đơn giản hóa mô hình phân tích, sự tương tác giữa vết rạn vỏ ngoài và một số lý do khác

Thông qua kết quả của luận văn, chúng ta có thể thấy liên kết dầm-cột đúc sẵn có thể đảm bảo đáp ứng các yêu cầu về cường độ, độ dẻo và khả năng tiêu tán năng lượng tương đương với các liên kết toàn khối và có thể được sử dụng hiệu quả trong các khung bê tông đúc sẵn chịu lực của các tòa nhà ở các vùng có động đất

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS TS Ngô Hữu Cường

Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình

Tp HCM, ngày 10 tháng 12 năm 2023

Đinh Hải Đăng

v

MỤC LỤC

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ iii

LỜI CAM ĐOAN iv

1.1.2 Một số công trình được thi công theo phương pháp tiền chế 2

1.2 Tổng quan về các loại liên kết dầm-cột Bê tông đúc sẵn 5

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu 6

1.3.1 Các nghiên cứu ngoài nước 6

1.3.2 Các nghiên cứu trong nước 8

1.4 Ứng xử cơ bản của liên kết dầm-cột Bê tông đúc sẵn 9

1.5 Sự cần thiết phải nghiên cứu 10

1.6 Mục tiêu của đề tài 11

1.7 Cấu trúc của luận văn 11

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH PHẦN TỬ VÀ VẬT LIỆU 13

2.1 Mô hình các phần tử hữu hạn trong Abaqus 13

2.1.1 Giới thiệu phần mềm 13

2.1.2 Phần tử khối 13

2.1.3 Phần tử thanh 14

2.1.4 Ràng buộc và Điều kiện biên 14

2.1.5 Điều kiện tải trọng 15

2.1.6 Mô hình bê tông và cốt thép 15

2.1.7 Phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học 24

CHƯƠNG 3 THUẬT TOÁN PHI TUYẾN TRONG ABAQUS 27

3.1 Phương pháp giải bài toán trong Abaqus 27

vi

3.1.1 Các bước giải bài toán trong Abaqus[22] 27

3.1.2 Bước, bước tăng tải, và bước lặp (Steps, increments, and iterations) 27

3.1.3 Sự hội tụ 28

3.2 Thuật toán Riks hiệu chỉnh (Modified Riks algorithm)[22] 30

3.2.1 Định nghĩa biến cơ bản 31

3.2.2 IN , KNM nội lực (ứng suất) tại các nút 33

3.2.3 Kiểm tra sự cân bằng 33

3.2.4 Giải phương trình: 33

3.2.5 Tỉ lệ hóa vectơ 33

3.2.6 Cập nhật vào bước lặp tiếp theo 33

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG SỐ LIÊN KẾT DẦM - CỘT BTĐS 35

4.1 Khái niệm về mô phỏng 35

4.1.1 Ưu và nhược điểm mô phỏng 35

4.1.2 Một số loại mô phỏng thường dùng 36

4.2 Mô tả mẫu thí nghiệm và quá trình thí nghiệm 37

4.2.1 Mô tả mẫu thí nghiệm 37

4.2.2 Vật liệu dùng cho mẫu thí nghiệm 40

4.2.3 Bố trí các mẫu thí nghiệm 41

4.2.4 Trình tự thí nghiệm 42

4.3 Chuẩn bị số liệu đầu vào cho việc mô hình liến kết trong Abaqus 43

4.3.1 Vật liệu bê tông 43

4.3.2 Hiệu chỉnh mô hình vật liệu 43

4.3.3 Loại phần tử mô phỏng và tỉ lệ chia phần tử 48

4.3.4 Thông số mô hình phá hoại dẻo 48

4.3.5 Nhận xét về thông số đầu vào 49

4.4 Các bước mô hình hóa trên phần mền ABAQUS 49

4.4.1 Xây dựng cấu kiện 49

vii

4.4.9 Gán thuộc tính mặt cắt cho cấu kiện 55

4.4.10 Định nghĩa lắp ghép cấu kiện 56

4.4.11 Định nghĩa ràng buộc 58

4.4.12 Gán buộc giữa điểm đặt lực và cột BTĐS 59

4.4.13 Gán ràng buộc giữa các mặt bê tông liên kết 59

4.4.14 Định nghĩa tải trọng và điều kiện biên 60

4.4.15 Chia lưới cho cấu kiện dầm 61

4.4.16 Thiết lập các bước phân tích 63

4.4.17 Công tác phân tích 63

4.4.18 Một số chú ý khi thiết lập phân tích mô hình 65

CHƯƠNG 5 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH KIỂM CHỨNG 66

5.1 Hướng nghiên cứu và so sánh 66

5.2 Kết quả mô phỏng liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn 66

5.3 Đánh giá sự chính xác của mô phỏng 67

5.3.1 So sánh lựa chọn tỉ lệ phân chia phần tử 67

5.3.2 So sánh biểu đồ Lực - Chuyển vị 69

5.3.3 So sánh biểu đồ ứng suất cốt thép 70

5.3.4 So sánh biểu đồ Momen - góc xoay 72

5.3.5 So sánh vết nứt giữa mô phỏng và trên mẫu thực tế 74

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

6.1.1 Kết luận và đánh giá 76

6.2 Hướng nghiên cứu tiếp theo 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 81

viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1-1: Một ngôi nhà lắp ghép được quảng cáo vào thế kỷ 17 [1] 1

Hình 1-2: Tòa nhà Mini Sky City tại Trung Quốc cao 57 tầng [2] 2

Hình 1-3: Dự án Avenue South Residences cao 192m lắp ghép tại Singapore [3] 3

Hình 1-4: Dự án Clement Canopy cao 140m thi công lắp ghép tại Singapore [4] 3

Hình 1-5:Thi công lắp ghép đoạn đầu tiên tuyến Metro Bến Thành - Suối Tiên [5] 4

Hình 1-6: Một công trình lắp ghép đang được thi công [6] 4

Hình 1-7: Một liên kết dầm-cột điển hình [7] 5

Hình 2-1: Mô hình phần tử khối và thanh trong Abaqus 14

Hình 2-2: Đường cong ứng suất- biến dạng kéo, nén một trục của bê tông 16

Hình 2-3: Đường cong ứng suất - biến dạng nén của bê tông trọng lượng trung bình 16

Hình 2-4: Ứng xử của bê tông khi chịu tải đơn trụ a)- chịu nén; b)-chịu kéo 17

Hình 2-5: Mô hình Kent và Park cho bê tông 18

Hình 2-6: Đường cong kéo được đề xuất bởi Massicotte 20

Hình 2-7: Đường cong kéo sau khi được hiệu chỉnh 20

Hình 2-8: Các đường cong ứng suất biến dạng của thép 21

Hình 2-9 Quan hệ ứng suất và biến dạng khái quát hóa của mô hình thép 22

Hình 2-10: Quan hệ ứng suất và biến dạng của mô hình thép (SEPL) 22

Hình 2-11: Quan hệ ứng suất và biến dạng của mô hình thép IEPL 23

Hình 2-12: Mô hình ứng suất - biến dạng của thép 23

Hình 2-13: Mô hình ứng suất - biến dạng của thép Bi-linear 24

Hình 2-14: Mô hình ứng suất - biến dạng của thép Tri-linear 24

Hình 2-15: Khai báo ứng xử nén của bê tông trong Abaqus 25

Hình 2-16: Hiệu ứng P-delta 25

Hình 2-17: Khai báo ứng xử phi tuyến hình học của kết cấu 26

Hình 3-1: Đường cong lực - chuyển vị phi tuyến 27

Hình 3-2: Ngoại lực và nội lực trên vật thể 28

Hình 3-3: Bước lặp đầu tiên 29

Hình 3-4: Bước lặp thứ hai 29

Hình 3-5: Ứng xử không ổn định điển hình 30

Hình 3-6: Thuật toán Riks hiệu chỉnh 31

Hình 3-7: Ví dụ lựa chọn sai dấu  32

Hình 4-1: Mô phỏng liên kết dầm - cột bê tông đúc sẵn 36

ix

Hình 4-2: Mô hình kết cấu tòa nhà 37

Hình 4-3: Chi tiết mẫu thí nghiệm BCT4 38

Hình 4-4: Chi tiết các phần bê tông của mẫu thí nghiệm BCT4 39

Hình 4-5: Chi tiết mẫu thí nghiệm BCT2 39

Hình 4-6: Chi tiết các phần bê tông của mẫu thí nghiệm BCT2 40

Hình 4-7 : Hình ảnh bố trí mẫu thí nghiệm BCT4 41

Hình 4-8: Sơ đồ bố trí cảm biến trên mặt mẫu thí nghiệm 42

Hình 4-9: Sơ đồ tải trọng tuần hoàn trong thí nghiệm 42

Hình 4-10: Khai báo mô hình mẫu và vật liệu bê tông 43

Hình 4-11: Sơ đồ biến dạng của mẫu bê tông 43

Hình 4-12: Cửa sổ Create Part trong Abaqus 49

Hình 4-13: Mô hình hai chiều của câu kiện dầm BTĐS 50

Hình 4-14: Kích thước mô hình hình học hai chiều cấu kiện dầm BTĐS 50

Hình 4-15: Mô hình ba chiều của cấu kiện dầm BTĐS 50

Hình 4-16: Mô hình hai chiều của cấu kiện Cột BTĐS 51

Hình 4-17: Mô hình ba chiều của cấu kiện cột BTĐS 51

Hình 4-18: Mô hình hình học hai chiều của cốt đai dầm BTĐS 52

Hình 4-19: Mô hình hình học ba chiều của cốt đai dầm BTĐS 52

Hình 4-20: Mô hình hình học hai chiều của cốt thép dọc dầm BTĐS 53

Hình 4-21: Mô hình hình học ba chiều của cốt thép dọc dầm BTĐS 53

Hình 4-22: Xác định thông số vật liệu bê tông B22 54

Hình 4-23: Xác định thông số vật liệu thép CB300V 54

Hình 4-24: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho bê tông 55

Hình 4-25: Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cho cốt thép 55

Hình 4-26: Lựa đối tượng gán mặt cắt 56

Hình 4-27: Cửa sổ Edit Section Assignment 56

Hình 4-28: Cửa sổ Create Instance 56

Hình 4-29: Cửa sổ sau khi hoàn thành việc lắp ghép các cấu kiện BTĐS 57

Hình 4-30: Hoàn thành việc lắp ghép các đối tượng cốt thép 58

Hình 4-31: Mô hình sau khi gán điều kiện biên 58

Hình 4-32: Ràng buộc giữa cốt thép và bê tông 59

Hình 4-33: Ràng buộc giữa điểm đặt lực và cột BTĐS 60

Hình 4-34: Ràng buộc giữa dầm bê tông và Phần bê tông đổ sau 60

Hình 4-35: Cửa sổ Edit Boundary Condition 61

x

Hình 4-36: Cửa sổ Global Seeds 62

Hình 4-37: Mô hình thiết lập chia lưới 62

Hình 4-38: Thông báo về chia lưới 62

Hình 4-39: Chia lưới phần tử hữu hạn trong mô phỏng 63

Hình 4-40: Cửa sổ Edit Step 63

Hình 4-41: Cửa sổ Create Job 64

Hình 4-42: Cửa sổ Edit Job 64

Hình 4-43: Cửa sổ Job Manager 64

Hình 5-1: Kết quả mô phỏng liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn mẫu BCT4 66

Hình 5-2: Kết quả mô phỏng liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn mẫu BCT2 67

Hình 5-3: Biểu đồ so sánh tỉ lệ chia tại chuyển vị 34,718mm 68

Hình 5-4: So sánh quan hệ lực-chuyển vị mẫu BCT4 với Parastesh (2014) 69

Hình 5-5 : So sánh quan hệ lực-chuyển vị mẫu BCT2 với Parastesh (2014) 70

Hình 5-6: Điểm lấy ứng suất thép trên mô hình 70

Hình 5-7: Biểu đồ quan hệ ứng suất và tải trọng mẫu BCT2 71

Hình 5-8: Biểu đồ quan hệ ứng suất và tải trọng mẫu BCT4 71

Hình 5-9: Biểu đồ mô-men-góc xoay Parastesh (2014) 72

Hình 5-10: So sánh biểu đồ Momen-góc xoay mẫu BCT2 72

Hình 5-11: So sánh biểu đồ Momen-góc xoay mẫu BCT4 73

Hình 5-12 : Vết nứt thực tế trên mẫu BCT2 74

Hình 5-13: Hình ảnh vùng nứt trên mẫu BCT2 theo kết quả mô phỏng mẫu BCT2 74

Hình 5-14: Vùng phá hoại bê tông theo thông số phá hoại DAMAGET mẫu BCT2 75

xi

DANH MỤC BẢNG

Bảng 4-1: Các thông số kỹ thuật của bê tông 40 Bảng 4-2: Các thông số kỹ thuật của cốt thép cho mẫu 41 Bảng 4-3: Bảng thông số đặc trưng nén của bê tông B28 của liên kết đổ sau mấu BCT4 44 Bảng 4-4: Bảng thông số đặc trưng kéo của bê tông B28 của liên kết đổ sau mẫu BCT4 44 Bảng 4-5: Bảng thông số đặc trưng nén của bê tông B27 của liên kết đổ sau mẫu BCT2 45 Bảng 4-6: Bảng thông số đặc trưng kéo của bê tông B27 của liên kết đổ sau mẫu BCT2 45 Bảng 4-7: Bảng thông số đặc trưng nén của bê tông B25 của liên kết đổ sau mẫu BCT2 46 Bảng 4-8: Bảng thông số đặc trưng kéo của bê tông B25 của liên kết đổ sau mẫu BCT2 46 Bảng 4-9: Bảng thông số đặc trưng nén của bê tông B22 dầm-cột đúc sẵn mẫu BCT4 47 Bảng 4-10: Bảng thông số đặc trưng kéo của bê tông B22 dầm-cột đúc sẵn mẫu BCT4 47 Bảng 4-11: Các loại phần tử mô phỏng sử dụng 48 Bảng 4-12: Thông số mô hình phá hoại dẻo 48 Bảng 5-1: Kết quả lực và chuyển vị tại đầu tự do của cột theo các tỉ lệ chia 68

thiệu một ngôi nhà lắp ghép bằng tấm panel gỗ (xem Hình 1-1) được quảng cáo vào thế

kỷ 17

Hình 1-1: Một ngôi nhà lắp ghép được quảng cáo vào thế kỷ 17 [1]

Với lịch sử lâu đời và sự phát triển của công nghệ hiện đại ngày nay, nhà ở lắp ghép không chỉ dừng lại ở một số kiểu mẫu nhất định Vật liệu sử dụng để lắp ghép cũng ngày càng đa dạng và cao cấp hơn Hiện nay, nhà ở lắp ghép tại các nước phát triển đã đạt đến mức độ thiết kế tuỳ theo sở thích của chủ nhà Nhà ở lắp ghép đã không còn mang ý nghĩa theo cách thức xây dựng lắp ghép nữa, nó được hiểu như một phong cách, một kiểu nhà ở hiện đại với bộ khung sườn được lắp đặt vô cùng chắc chắn và bền vững qua thời gian

2

1.1.2 Một số công trình được thi công theo phương pháp tiền chế

Dưới đây giới thiệu một số công trình tiêu biểu thi công lắp ghép bằng các cấu kiện bê tông đúc sẵn

Vào năm 2015, một công ty xây dựng Trung Quốc đã tuyên bố hoàn thiện công trình xây dựng nhanh nhất thế giới Theo Guardian, họ đã xây xong toà nhà 57 tầng có tên Mini

Sky City chỉ trong 19 ngày (xem Hình 1-2) Tòa nhà bằng kính và thép được xây dựng tại

tỉnh Hồ Nam, Trung Quốc Công ty phụ trách Broad Sustainable Building (BSB) đã áp dụng phương pháp xây dựng tiền chế Các module được chế tạo tại nhà máy, sau đó được vận chuyển đến công trường để lắp lại với nhau Công ty đã lắp được 3 tầng mỗi ngày bằng phương pháp lắp ghép

Hình 1-2: Tòa nhà Mini Sky City tại Trung Quốc cao 57 tầng [2]

Tại Singapore Công ty ADDP Architects đã triển khai dự án nhà ở lắp ghép mang tên

Avenue South Residences (xem Hình 1-3) Dự án này bào gồm 988 căn hộ được tạo thành

từ gần 3.000 moduyn xếp chồng lên nhau theo chiều dọc Các moduyn đã được hoàn thiện 80% tại nhà máy ở Senai, Malaysia sau đó được vận chuyển đến một cơ sở ở Singapore để hoàn thiện và lắp đặt trang thiết bị trước khi chuyển đến công trường Khi thi công chúng sẽ được ráp nối lại để tạo thành khung chịu lực Phương pháp xây dựng tiền chế giúp tiết kiệm 8% chi phí và tăng 40% năng suất lao động Ngoài ra nó cũng giúp giảm ô nhiễm tiếng ồn và chất thải

Dự án Avenue South Residences đã bắt đầu được xây dựng năm 2020 và hoàn thành vào năm 2023

3

Hình 1-3: Dự án Avenue South Residences cao 192m lắp ghép tại Singapore [3]

Tọa lạc trên đại lộ Clementi ở Singapore, Dragages Singapore, một công ty con của

Bouygues Batiment International đã thi công dự án Clement Canopy (xem Hình 1-4) Tòa

tháp cao nhất thế giới bao gồm 40 tầng, 505 căn hộ với tổng diện tích 46.000m2 và 1899 moduyn Tất cả các moduyn tạo nên các tòa nhà đều được chế tạo sẵn tại nhà máy Các phụ kiện và hoàn thiện nội ngoại thất đều được thử nghiệm trong xưởng trước khi được vận chuyển đến địa điểm và lắp ráp Dự án được khởi công năm 2016 và hoàn thành năm 2019

Hình 1-4: Dự án Clement Canopy cao 140m thi công lắp ghép tại Singapore [4]

4

Ở Việt Nam cũng có nhiều công trình được thiết kế theo phương pháp xây dựng tiền chế để tận dụng hết các ưu điểm của loại hình xây lắp này Mặt khác cũng có nghiên cứu điều chỉnh trong khâu thiết kế và thi công để hệ khung chịu lực của công trình phù hợp với khí hậu, phù hợp với vật liệu cũng như yêu cầu kỹ thuật trong nước Một trong số các công trình công cộng đang được thi công đó là công trình đường sắt trên cao ở thủ đô Hà Nội và ở thành phố Hồ Chí Minh Dưới đây là hình ảnh thi công lắp ghép đoạn đường sắt đầu

tiên trên tuyến Metro Bến Thành - Suối Tiên tại thành phố Hồ Chí Minh (xem Hình 1-5)

hay một công trình dân dụng được thiết kế theo phương pháp tiền chế đang được thi công

(xem Hình 1-6)

Hình 1-5:Thi công lắp ghép đoạn đầu tiên tuyến Metro Bến Thành - Suối Tiên [5]

Hình 1-6: Một công trình lắp ghép đang được thi công [6]

5

1.2 Tổng quan về các loại liên kết dầm-cột Bê tông đúc sẵn

Muốn cho công trình được xây dựng lắp ghép bê tông đúc sẵn làm việc như một kết cấu liên tục thì việc thiết kế và thi công những liên kết giữa các cấu kiện liền kề để chúng làm việc như một liên kết liền khối là rất quan trọng Ví dụ như liên kết giữa cột với móng, liên kết giữa dầm với cột, liên kết giữa dầm với dầm, liên kết cột với cột… Hiệu quả làm việc của kết cấu bê tông đúc sẵn trong việc chịu các loại tải trọng phụ thuộc rất nhiều vào sự làm việc của liên kết các cấu kiện trong công trình Một liên kết điển hình trong những liên kết đó là liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn Liên kết dầm-cột có chức năng truyền tất cả các loại lực: nén, kéo, cắt, uốn và xoắn từ cấu kiện bê tông đúc sẵn này sang cấu kiện bê tông đúc sẵn khác và phải mang tính ổn định Một liên kết tốt không chỉ phải có đủ độ bền để chống lại lực mà nó sẽ phải chịu trong suốt thời gian tồn tại của nó mà còn phải có đủ độ dẻo để chịu được các biến dạng lớn trước khi bị hỏng Ngoài ra, liên kết tốt phải đáp ứng các tiêu chí khác như độ bền, khả năng chống cháy, chế tạo đơn giản và lắp dựng nhanh chóng… Hơn nữa, liên kết đó làm việc phải có độ tin cậy cao Dưới đây giới thiệu

một mẫu liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn điển hình (xem Hình 1-7)

Hình 1-7: Một liên kết dầm-cột điển hình [7]

Trong thiết kế truyền thống, hầu hết các liên kết dầm-cột được giả định là mô hình liên kết cứng (rigid connection) hoặc liên kết khớp (hinge) để đơn giản hóa mô hình phân tích Liên kết cứng là liên kết mà ở đó không xảy ra góc xoay giữa các cấu kiện liên kết và truyền toàn bộ mômen uốn, lực cắt và lực dọc Người ta đã chỉ ra rằng liên kết có thể được phân loại là cứng nếu hệ số cố định không nhỏ hơn 0,73 và sự phân phối lại momen khả dụng từ giữa nhịp đến các gối tựa không nhỏ hơn sự phân phối lại momen yêu cầu lấy kết quả từ việc phân tích khung bán cứng Ngược lại, liên kết khớp được đặc trưng bởi chuyển vị xoay tự do giữa các cấu kiện liên kết và không có truyền mômen uốn giữa các cấu kiện của liên kết mà chỉ truyền lực dọc và lực cắt

6

Tuy nhiên trong thực tế, các liên kết không thể hiện được ứng xử lý tưởng như vậy Các liên kết giữa dầm và cột có ứng xử nằm ở giữa ứng xử của liên kết cứng và liên kết khớp do đó những liên kết này được gọi là nửa cứng (semi-rigid connection) Liên kết nửa cứng được đặc trưng bởi đường cong quan hệ mômen-góc xoay riêng của từng loại liên kết Tùy thuộc vào độ cứng của liên kết mà nó có thể huy động một lượng mômen dầm nhất định

Một trong những công việc quan trọng nhất trong việc thiết kế kết cấu chịu lực cho công trình là việc đánh giá chính xác về ứng xử của mô hình đại diện cho ứng xử của liên kết dầm-cột ngoài thực tế Vấn đề này đã là chủ đề của nhiều nghiên cứu

1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu

1.3.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Theo tìm hiểu của Học viên thì trên thế giới đã có một số tác giả nghiên cứu về ứng xử của liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn chịu nhiều loại tải trọng như tải trọng tĩnh, tải trọng tuần hoàn, tải trọng ngang Các loại liên kết được nghiên cứu cũng khá đa dạng, từ liên kết dầm-cột bằng thép hình đến liên kết bằng bê tông thường và bằng bê tông có cường độ cao Dưới đây là một số công bố khoa khọc về ứng xử của liên kết dầm- cột bê tông đúc sẵn :

- L B Kriz và C H Raths [8] đã khảo sát độ bền của các vai cột thông qua nghiên cứu “Connections in Precast Concrete Structures—Strength of Corbels” và công bố các kết quả vào tháng 2/1965 Với mục tiêu việc xây dựng các tiêu chí thiết kế về độ bền của các vai cột

- Parastesh, Hossein Hajirasouliha, Iman Ramezani, Reza [9] đưa ra nghiên cứu trong baifbaos “A new ductile moment-resisting connection for precast concrete frames in seismic regions: An experimental investigation” về một kết nối dầm-cột chịu mômen dẻo mới được phát triển cho khung bê tông cốt thép đúc sẵn (RC) ở vùng có địa chấn cao Kết nối được đề xuất mang lại tính toàn vẹn về cấu trúc tốt trong các kết nối và có thể giảm thời gian xây dựng bằng cách loại bỏ nhu cầu sử dụng ván khuôn và hàn, đồng thời giảm thiểu khối lượng bê tông đúc tại chỗ

- Cheok, Geraldine S.Lew, H S và các cộng sự [10] đã nghiên cứu ”Performance of precast concrete beam-to-column connections subject to cyclic loading” về Một nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử của liên kết dầm với cột bê tông đúc sẵn chịu tải trọng không đàn hồi theo chu kỳ được thực hiện tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Nghiên cứu được khởi xướng để cung cấp dữ liệu cho việc phát triển quy trình thiết kế hợp lý cho

- Dongzhi Guan, Cheng Jiang, Zhengxing Guo và Hanbin Ge [12] đã nghiên cứu về “Development and Seismic Behavior of Precast Concrete Beam-to-Column Connections” và đưa ra báo cáo vào tháng 11/2016 Kết quả cho thấy liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn được đề xuất hoạt động tốt dưới tác dụng của tải trọng tuần hoàn ngược so với mẫu liên kết dầm- cột nguyên khối Hơn nữa, chiều dài khớp dẻo của liên kết dầm-cột đúc sẵn có thể được ước tính bằng cách sử dụng các mô hình dành cho mẫu liên kết dầm-cột đúc nguyên khối

- J.D Nzabonimpa, Won-Kee Hong and Seon-Chee Park [13] đã nghiên cứu về “Experimental investigation of dry mechanical beam-column joints for precast concrete based frames: Experimental Investigation of Dry Mechanical Beam-Column Joints” và vào tháng 6/2017 đã công bố đề xuất về liên kết cơ học khô mới bao gồm các tấm thép mở rộng với các bu lông được thiết kế để truyền lực kéo và lực nén, cung cấp các liên kết mô men được hạn chế hoàn toàn tại liên kết dầm-cột

- De-Cheng Feng, Gang Wu và Yong Lu [14] đã nghiên cứu về “Finite element modelling approach for precast reinforced concrete beam-to-column connections under cyclic loading” trong nghiên cứu này các tác giả đã phát triển phương pháp mô hình hóa phần tử hữu hạn để phân tích đặc tính tuần hoàn của liên kết dầm-cột đúc sẵn Nghiên cứu này mô phỏng đặc tính điển hình của các liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn và là một công cụ hiệu quả để phân tích hiệu suất kháng chấn và nghiên cứu đề xuất các thông số thiết kế của liên kết bê tông đúc sẵn

- H.-K Choi , Y.-C Choi, C.-S Choi-Sergio M Alcocer, Ph.D, Rene Carranza, S.E, David Perez-Navarrete và Raul Martinez [15] đã có bài báo "Seismic Tests of Beam-to-Column Connections in a Precast Concrete Frame" tháng 6/2022 đưa ra nghiên cứu về thiết kế liên kết dầm mạnh-cột yếu Gia cố dầm được thiết kế và chi tiết có chủ ý để phát triển khớp dẻo ở các mặt khớp và đặt các lực cắt không đàn hồi lớn vào khớp Nói chung, hiệu suất của liên kết dầm-cột đạt yêu cầu theo tiêu chí ban đầu đưa ra là độ bền của liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn đạt 80% so với kết cấu bê tông cốt thép nguyên khối

8

- Sergio M Alcocer, Rene Carranza và David Perez-Navarrete [16] xuất bản bài báo "Behaviour of a Precast Concrete Beam-Column Connection" vào năm 2000 đưa ra thiết kế liên kết dầm-cột theo tiêu chí cột mạnh – dầm yếu Gia cố dầm được thiết kế có chủ ý và chi tiết để đặt các lực cắt không đàn hồi lớn vào khớp Độ bền của liên kết đạt 90% so với dự kiến đối với kết cấu bê tông cốt thép nguyên khối Ứng xử của mẫu thí nghiệm là dễ uốn, trong khi độ bền được duy trì ở một giá trị gần như không đổi cho đến góc lệch tới 3,5%

- R Vidjeapriya and K P Jaya [17] đã Nghiên cứu thực nghiệm liên kết dầm – cột bê tông đúc sẵn tỷ lệ 1/3 chịu tải trọng chu kỳ ngược ”Experimental Study on Two Simple Mechanical Precast Beam-Column Connections under Reverse Cyclic Loading” Mẫu đúc sẵn và mẫu nguyên khối được thiết kế có cùng độ bền Kết quả cho thấy khả năng chịu tải giới hạn của mẫu nguyên khối vượt trội hơn so với cả hai mẫu đúc sẵn Các mẫu đúc sẵn được nhận thấy có đặc tính tốt hơn so với mẫu nguyên khối về khả năng tiêu tán năng lượng và độ dẻo

1.3.2 Các nghiên cứu trong nước

Tình hình nghiên cứu trong nước về ứng xử liên kết dầm cột bê tông đúc sẵn theo tìm hiểu của học viên thì chưa thấy nghiên cứu nào Chỉ có một số tác giả nghiện cứu về các khía canh liên quan như :

Pgs.Ts Trần Chủng, Pgs.Ts Võ Văn thảo, Ts Lê Minh Long, Ts Đỗ Tiến Thịnh, Ks.Trần Ngọc Cường, Ks Ngô Mạnh Toàn [18] có bài báo “Thí nghiệm mối nối nhà công nghiệp hóa chịu tải trọng động đất” được đăng trên Tạp chí Khoa Học Công Nghệ Xây Dựng các số 01/2012, 2/2012 và tháng 3/2012 Bài viết này đề xuất giải pháp liên kết giữa dầm, sàn và cột BTĐS Các tác giả đã nghiên cứu ứng xử của liên kết trên mẫu thí nghiệm là một khung BTCT lắp ghép có tỉ lệ 1:1 chịu tải trọng ngang Kết quả khảo sát cho thấy: sau khi chịu lực ngang, giá trị chuyển vị ngang tỉ đối nhận được từ kết quả thí nghiệm tương đương với kết quả phân tích mô hình ứng với trường hợp giả thiết các liên kết dầm-cột và dầm-vách là ngàm Các trường hợp tính toán với giả thiết liên kết dầm–cột là khớp, dầm–vách là ngàm và dầm–cột, dầm–vách đều là khớp cho kết quả chuyển vị ngang lớn hơn nhiều so với kết quả thí nghiệm Từ đó cho thấy các loại mối nối sử dụng trong mô hình thí nghiệm này có thể chịu được lực quy đổi bằng 1,16 lực động đất thiết kế

TS Trương Quang Hải, Ts Phan Văn Huệ, Ths Nguyễn Minh Tuấn Anh [19] có bài báo “ Giải pháp liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép” nghiên cứu về hệ kết cấu kết hợp giữa kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST- Concrete Filled Steel Tube) với sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) Bài viết này đề xuất giải pháp liên kết giữa

9

cột CFST với sàn phẳng BTCT sử dụng các tấm thép phẳng liên kết Theo đó, hai thí nghiệm trên mẫu có kích thước lớn được thực hiện để đánh giá khả năng chịu lực, độ tin cậy của liên kết đề xuất Tham khảo tiêu chuẩn MC2010 để xác định khả năng chịu cắt thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép dựa vào chu vi tiết diện tới hạn đề xuất từ phân tích kết quả thí nghiệm Bài báo được xuất bản vào 02/2023 trên tạp chí Xây Dựng

Ngoài ra còn một số nghiên cứu liên quan khác nữa

1.4 Ứng xử cơ bản của liên kết dầm-cột Bê tông đúc sẵn

Một trong những vấn đề quan trọng bậc nhất khi thiết kế kết cấu cho hệ khung bê tông lắp ghép chịu lực là liên kết các cấu kiện trong khung Các ứng xử của liên kết này bao gồm khả năng chịu lực, độ cứng chống quay và độ dẻo ảnh hưởng đến kết cấu tổng thể của công trình theo nhiều khía cạnh khác nhau Ví dụ dưới tác dụng của tĩnh tải thì liên kết dầm-cột ảnh hưởng chủ yếu đến sự làm việc của các dầm liền kề, trong khi dưới tải trọng ngang thì nó ảnh hưởng đến sự phân bố lại momen và sự ổn định tổng thể Tiêu chuẩn Châu Âu CEB FIP (1993)[20] qui định rằng: Các liên kết các cấu kiện bê tông đúc sẵn chỉ hoạt động hiệu quả khi đáp ứng các yêu cầu sau:

+ Thích ứng với chuyển vị tương đối cần thiết để gia tăng sức chịu đựng của liên kết + Chống lại mọi tác động gây ra từ việc phân tích kết cấu một cách toàn diện và từ sự phân tích của các phần tử riêng rẽ

+ Bảo đảm ứng xử mạnh mẽ và ổn định của kết cấu thông qua độ cứng và khả năng biến dạng của liên kết

+ Xem xét các dung sai yêu cầu dự kiến trong quá trình sản xuất và lắp dựng

Trong thiết kế trạng thái giới hạn cần nghiên cứu sâu hơn về các ứng xử của kết cấu ứng với các cấp tải cuối cùng Độ cứng của các liên kết dầm-cột đóng vai trò rất quan trọng tới khả năng chịu lực cực hạn của kết cấu khung chịu lực của công trình Việc dự đoán ứng xử của kết cấu lý tưởng mà không kể đến độ cứng của liên kết dầm cột có thể dẫn đến việc đánh giá không chính xác ứng xử thực tế của hệ khung chịu lực Khi phân tích thiết kế, các liên kết dầm-cột có thể được giả định như liên kết khớp (quay tự do không có mômen) hoặc cố định (không thể quay với mômen giới hạn xác định) Giả định này không phù hợp với thực tế ngay cả trong kết cấu nguyên khối tại vị trí có sự quay hạn chế tương đối của liên kết dầm-cột (Baharuddin và cộng sự, 2008; Ferreira,1999) Nó không được xem như kiến thức chưa đầy đủ về ứng xử momen-góc xoay của liên kết hoặc không có đủ công cụ để mô hình hóa liên kết dầm-cột Để thuận tiện trong thiết kế, các kiên kết bê tông đúc sẵn vẫn được giả định như liên kết khớp hoặc liên kết ngàm, mặc dù

10

phần lớn các liên kết hoạt động theo kiểu bán cứng (Elliott và cộng sự, 2003b)[21] Điều này có thể huy động một lượng mômen dầm nhất định tùy thuộc vào về độ cứng của kết nối Hơn nữa các liên kết dầm-cột chịu momen có thể được chia thành các hệ thống "nguyên khối tương đương" có liên kết mạnh hơn các phần tử bê tông đúc sẵn liền kề hoặc hệ thống "liên kết" có kết nối yếu hơn (fib, 2003)[22]

Hệ thống các liên kết nguyên khối tương đương có thể cứng (với độ dẻo hạn chế) hoặc dễ uốn (với cường độ bình thường) Trong kiểu đầu tiên, liên kết đủ mạnh hơn các cấu kiện liền kề và liên kết vẫn ứng xử đàn hồi trong khi sự biến dạng (cong oằn) ra xảy ra ở những nơi khác trong khung Các liên kết mềm được thiết kế cho cường độ yêu cầu nhưng có đủ độ dẻo để đảm bảo không bị giòn

Một điều quan trọng khác là việc phân tích động cho khung bê tông thi công theo phương pháp tiền chế có xét đến ứng xử của độ cứng liên kết các cấu kiện bê tông đúc sẵn, đặc biệt là liên kết nửa cứng phi tuyến Phần lớn các nghiên cứu và phân tích thiết kế thực hành chỉ tập trung vào phân tính ứng xử tĩnh của kết cấu Phân tích tĩnh có ưu điểm đơn giản, nhanh chóng có kết quả nhưng chưa phản ánh được chính xác ứng xử của hệ do bỏ qua ảnh hưởng của hiện tượng cộng hưởng và khả năng giảm chấn nhờ ứng xử vòng trễ của liên kết Do đó việc nghiên cứu ứng xử động của kết cấu là hết sức cần thiết để có thể phán đoán chính xác hơn ứng xử của hệ kết cấu

Hầu hết các thí nghiệm đều chứng mình rằng đường cong quan hệ mômen-góc xoay của các loại liên kết đều có ứng xử phi tuyến Điều đó cho thấy rằng việc mô phỏng liên kết dầm-cột hợp lý là rất quan trọng để thiết kế và phân tích kết cấu một cách chính xác

Khác với phi tuyến liên kết, ảnh hưởng bậc hai của phi tuyến hình học của dầm và cột cũng đóng vai trò quan trọng Phân tích kết cấu có kể đến phi tuyến hình học trong phân tích bậc hai hay phân tích P-Delta (P- và P-) Ứng xử phi tuyến hình học xảy ra khi có sự biến đổi hình học của các thành phần dầm-cột khi bị uốn cong và kết cấu xuất hiện các chuyển vị ngang hoặc lệch so với trạng thái ban đầu

1.5 Sự cần thiết phải nghiên cứu

Như ta đã biết, khi tính toán kết cấu khung chịu lực của công trình, liên kết dầm-cột

thường được xem là liên kết ngàm (cứng lý tưởng), nghĩa là không có sự xoay tương đối giữa trục dầm và trục cột hoặc liên kết khớp lý tưởng (quay tự do không có mômen) Thực

tế, liên kết này thường không cứng tuyệt đối mà là liên kết nửa cứng, nghĩa là khi biến dạng có sự xoay tương đối giữa trục dầm và trục cột Vấn đề được đặt ra là khi liên kết dầm-cột không cứng tuyệt đối thì chuyển vị của khung chịu lực sẽ bị ảnh hưởng như thế nào

11

Trên cơ sở đó, luận văn này nghiên cứu ứng xử Momen-góc xoay của liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn theo các điều kiện vật liệu, thi công và khí hậu ở Việt Nam để hiểu rõ ứng xử của liên kết dầm-cột cho công tác nghiên cứu và đề xuất biểu thức độ cứng và quan hệ momen-góc xoay của liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn cho mục đích thiết kế thực hành hoặc phục vụ cho việc phân tích và nghiên cứu về kết cấu bê tông cốt thép

1.6 Mục tiêu của đề tài

Xác định ảnh hưởng của các chi tiết gia cố liên kết đến tính liên tục của mô men và góc xoay trên liên kết

Góp phần làm sáng tỏ ứng xử của liên kế dầm-cột bê tông đúc sẵn khi chịu tải trọng thẳng đứng, tải trọng đẩy dần và thúc đẩy việc áp dụng giải pháp thiết kế kết cấu dùng loại cấu kiện này cho các công trình thi công trong nước

Phát triển cơ sở để thiết lập các nguyên tắc thiết kế thực hành cho kiểu liên kết được mô phỏng trong nghiên cứu này

Tạo cơ sở trong các nghiên cứu mô phỏng số về ứng xử của liên kết và tính toán thiết kế các khung bê tông cốt thép tiền chế

1.7 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm các nội dung chính sau

Chương 1 : Tổng quan Sơ lược về lịch sử nhà lắp ghép giới thiệu một số công trình thi công theo phương pháp tiền chế trên thế giới Trình bày các điểm mạnh, điểm yếu của công trình thi công theo phương pháp lắp ghép và các ứng xử cơ bản của các liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn Ngoài ra trong chương này Học viên trình bày ứng xử cơ bản của liên kết dầm cột bê tông đúc sẵn, mục tiêu của đề tài và cấu trúc của luận văn

Chương 2: Giới thiệu về phần tử sử dụng, mô hình vật liệu của bê tông và thép dựa trên đường cong quan hệ giữa ứng suất-biến dạng của từng loại Trình bày về ràng buộc và tương tác, điều kiện biên và điều kiện tải trọng sử dụng trong mô phỏng Các ứng xử phi tuyến về vật liệu và phi tuyến hình học của mẫu thí nghiệm

Chương 3: Trình bày phương pháp giải bài toán trong phần mềm Abaqus Trình bày phần lý thuyết giải bài toán phi tuyến theo phương pháp Riks hiệu chỉnh

Chương 4: Mô phỏng số: Trình bày mẫu thí nghiệm liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn chịu tải trọng thẳng đứng và tải trọng đẩy dần trên phần mềm Abaqus

Chương 5: So sánh kết quả đạt được với kết quả phân tích số và thực nghiệm có sẵn để kiểm chứng độ chính xác của phương pháp mô phỏng và mô hình đã phát triển

12

Chương 6: Kết luận và kiến nghị: Trình bày những kết quả của luận văn Đề nghị hướng nghiên cứu sâu hơn các yếu tố ảnh hưởng đến ứng xử của liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn như mô phỏng và dự đoán ứng xử của liên kết dầm-cột được sử dụng trong nước gần đây và đề xuất biểu thức độ cứng và quan hệ mômen-góc xoay của liên kết cho mục đích thiết kế thực hành

13

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH PHẦN TỬ VÀ VẬT LIỆU

2.1 Mô hình các phần tử hữu hạn trong Abaqus [23] 2.1.1 Giới thiệu phần mềm

Luận văn này sử dụng chương trình phần tử hữu hạn Abaqus Ver 2022 để mô phỏng số liên kết dầm-cột bê tông đúc sẵn Abaqus là phần mềm thân thiện với người dùng, sử dụng tương đối đơn giản Vấn đề phức tạp nhất cũng có thể rất dễ dàng thiết lập mô hình Trong đa số vấn đề phân tích mô phỏng, thậm chí trong vấn đề phi tuyến tính phức tạp, người dùng cũng chỉ cần cung cấp hình dạng hình học, tính năng vật liệu, điều kiện biên và trường hợp tải trọng của kết cấu là có thể tiến hành phân tích Trong phân tích phi tuyến tính, Abaqus có khả năng tự lựa chọn lượng tăng tải phù hợp và độ chính xác hội tụ Abaqus có kho phần tử phong phú, có thể mô phỏng hình dạng bất kỳ Đồng thời kho mô hình vật liệu có thể mô phỏng đại đa số tính năng vật liệu kết cấu điển hình, trong đó bao gồm kim loại, cao su, vật liệu cao phân tử, vật liệu phúc hợp, bê tông cốt thép,… Ngoài ra Abaqus còn có khả năng mô phỏng và nghiên cứu vấn đề trong lĩnh vực khác như truyền đẫn nhiệt, phân tích âm thanh,điện tử, phân tích cơ học môi trường điện áp

2.1.2 Phần tử khối

Thư viện phần tử khối (Solid) trong Abaqus Standard gồm phần tử nội suy bậc một, bậc hai và bậc hai hiệu chỉnh trong một, hai và ba chiều; cũng như cung cấp phần tử tích phân thu gọn (reduced integration) và tích phân toàn phần (full integration) Phần tử khối C3D8R lấy từ thư viện phần tử sử dụng cho dầm và cột bê tông đúc sẵn

Phần tử C3D8R (Continuum 3D 8-node linear brick reduced integration) là dạng phần tử lục diện tuyến tính, giống hình viên gạch, reduced integration làm giảm bậc của ma trận độ cứng phần tử, vẫn giữ nguyên ma trận độ cứng khối lượng và tải lực, việc này sẽ cho kết quả tính toán chính xác vì tạo ra những phần tử không biến dạng hoặc không chịu tải trong mặt phẳng uốn, quan trọng hơn là giảm được thời gian tính toán, nhất là bài toán 3D Nhờ điểm tích phân ở giữa phần tử, tránh được việc sử dụng phần tử bậc cao, nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác tính toán Tenxơ ứng xuất và biến dạng của phần tử này như sau:

14

2.1.3 Phần tử thanh

Phần tử thanh (truss element) chỉ chịu tải kéo hoặc nén, không có khả năng kháng uốn Do vậy, chúng thường được mô phỏng khung dàn, cáp hay lò xo, cũng như cốt thép nằm trong các phần tử khác

Dùng phần tử T3D2 (truss element) (xem Hình 2-1a) để mô phỏng thép thanh trong dầm và cột T3D2 (xem Hình 2-1b) là loại phần tử thanh dàn, có 2 nút, mỗi nút có 3 bậc

tự do, chỉ có thành phần biến dạng dọc trục Hai nút tương ứng với 2 khớp, do vậy chỉ có chuyển vị thằng và vectơ vị trí ban đầu tại mỗi nút được sử dụng độc lập với nhau Phần tử chỉ có ứng suất dọc trục 11 và biến dạng dọc trục  [23] 11

Hình 2-1: Mô hình phần tử khối và thanh trong Abaqus

2.1.4 Ràng buộc và Điều kiện biên

Abaqus cung cấp nhiều loại ràng buộc dựa vào bề mặt (surfaced-based constraints): mesh tie, coupling, shell-to-solid coupling, mesh-independent fastener Trong luận văn này, ràng buộc Tie và ràng buộc Coupling được sử dụng

Ràng buộc Tie có thể được dùng để ngăn cản chuyển vị thẳng chuyển vị xoay, cũng như làm cho các bậc tự do khác trên các cặp mặt tiếp xúc bằng nhau Theo mặc định, những nút trên hai mặt phẳng gần sát nhau mới được ghép “Tie” Khi đó, một mặt sẽ là mặt chính “master surface” và mặt còn lại là mặt lệ thuộc “slave surface" Ràng buộc, Tie được dùng để mô tả quan hệ tiếp xúc giữa hai loại bê tông khác nhau (bê tông Đúc sẵn và bê tông liên kết đổ sau), của các cấu kiện dầm cột

Ràng buộc coupling tạo nên sự ghép nối giữa 1 nút tham chiếu (reference node) với một nhóm nút gọi là nút kết nối “coupling nodes” Các nút kết nối được chọn tự động bằng cách chọn bề mặt và vùng ảnh hưởng tùy chọn Ràng buộc coupling để kết nối các nút trên tấm truyền tải với điểm tham chiếu mà thông qua đó tải trọng tập trung được gán vào Khi đó lực tác dụng sẽ được phần phối trên một diện tích rộng hơn để tránh ứng suất cục bộ tại vị trí đặt lực

15

Ngoài ràng buộc dựa vào bề mặt (surface-based constraints), kỹ thuật ràng buộc nhưng phần tử “embedded element technique” cũng được sử dụng Ràng buộc này được dùng để nhúng phần tử hoặc nhóm phần tử vào trong nhóm phần tử chủ “host elements” Abaqus tìm kiếm quan hệ hình học giữa các nút của phần tử được nhúng (embedded element) và phần tử chủ Nếu 1 nút của phần tử nhúng nằm giữa 1 phần tử chủ, bậc tự do chuyển vị thẳng của nút được loại bỏ và nút này trở thành nút được nhúng (embedded node) Chuyển vị thẳng của nút được nhúng ràng buộc theo những giá trị nội suy của chuyển vị thẳng tương ứng của phần tử chủ Phần tử nhúng cũng có chuyển vị xoay, nhưng không được ràng buộc bởi kỹ thuật nhúng này Trong nghiên cứu này, phần tử thanh T3D2 đại diện cho cốt thép được nhúng vào phần tử chủ là dầm và cột bê tông C3D8R

Điều kiện biên được xây dựng theo mô hình thí nghiệm Ba trục tọa độ X, Y, Z đại diện cho 3 trục 1, 2, 3 trong mô hình Chân cột và đầu tự do của dầm được gán ràng buộc Coupling Theo mô hình thí nghiệm, chân cột được gán liên kết khớp cố định Đầu trên cột được khống chế chuyển vị theo phương Z Đầu tự do của dầm được khống chế chuyển vị theo phương Z và chuyển vị xoay quanh trục 1 (UR1).[23]

2.1.5 Điều kiện tải trọng

Tải trọng tập trung kết hợp với ràng buộc coupling sẽ được gán vào vị trí đặt lực, thông qua tâm truyền tải với độ cứng lớn, áp lực truyền vào nút trên 1 diện tích rộng để tránh ứng suất cục bộ Các bước đặt tải cũng được mô phỏng đúng so với thực nghiệm: gắn điều kiện biên - gắn tải trọng đứng Gia tải từng bước theo thời gian tải trọng ngang

2.1.6 Mô hình bê tông và cốt thép

Trong luận văn này, Học viên sử dụng mô hình ứng suất biến dạng của bê tông là dạng parabol Kent & Park [24]

a Bê tông

Cường độ của bê tông phụ thuộc vào bốn đặc tính sau :

• Ảnh hưởng sự khác nhau của cường độ : Cường độ chịu nén lớn hơn cường độ chịu

kéo (Hình 2-2), hơn nữa, cường độ chịu kéo thì độc lập với cường độ chịu nén Do đó,

tiêu chuẩn phá hoại của bê tông phải kể đến cả hai thông số này

• Ảnh hưởng của ứng suất cắt: Không như trường ứng suất thông thường, ứng suất cắt trong bê tông thì không liên tục và là một trong những hệ số chính gây phá hoại bê tông

• Ảnh hưởng của áp lực thuỷ tĩnh: Áp lực thuỷ tĩnh có ảnh hưởng lớn đến cường độ chịu nén của bê tông

16

Hình 2-2: Đường cong ứng suất- biến dạng kéo, nén một trục của bê tông

• Ảnh hưởng của thành phần ứng suất chính thứ hai ( ): Cường độ của bê tông gia 2tăng khi thành phần ứng suất chính thứ hai tăng từ 0 trở lên Tuy nhiên, cường độ của bê tông sẽ đạt đến giá trị giới hạn của nó khi  , đạt đến một giá trị đặt biệt, vượt quá giá trị 2trên, cường độ bê tông sẽ giảm xuống

Hình 2-3: Đường cong ứng suất - biến dạng nén của bê tông trọng lượng trung bình

Ở phần nén, đường cong ứng suất - biến dạng là đàn hồi tuyến tính trong khoảng 40% cường độ nén lớn nhất Vượt qua điểm này, ứng suất tăng dần lên theo đường cong cho đến giá trị ứng suất nén lớn nhất ( '

17

Ở phần kéo, đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng gần như là đàn hồi tuyến tính

cho tới điểm có cường độ kéo lớn nhất fct Vượt qua điểm đó, bê tông bị nứt và cường độ chịu kéo giảm dần về giá trị 0 Giá trị biến dạng kéo lớn nhất m0, 003[20] Bê tông có cường độ nén càng cao thì biến dạng tại điểm '

f càng lớn, độ dốc biểu đồ nén càng lớn

+ Mô hình ứng suất - biến dạng nén của bê tông theo Parabol Kent và Park [24]

Giá trị của các biến độ cứng và độ mềm được sử dụng để xác định xu hướng nứt và dập tương ứng trong bê tông Chúng là nguyên nhân gây ra sự mất đi độ cứng đàn hồi và sự phát triển của bề mặt chảy dẻo Các trạng thái phá hoại khi nén và kéo được đặc trưng độc lập bởi hai biến độ cứng Chúng được biểu thị bằng pl h,

 và pl h,

 , tương ứng với các biến dạng dẻo tương đương khi chịu nén và kéo Trong các mô hình bê tông phá hoại dẻo, biến dạng cứng dẻo khi nén pl h,

 đóng vai trò chính trong việc tìm ra mối quan hệ giữa

các thông số phá hoại và cường độ nén của bê tông (xem Hình 2-4a) như sau:

Hình 2-4: Ứng xử của bê tông khi chịu tải đơn trụ a)- chịu nén; b)-chịu kéo

11

Hình 2-5: Mô hình Kent và Park cho bê tông

Giá trị biến dạng cực đại '

 tương ứng với ứng suất  tại điểm B trong luận văn này cu

được lấy bằng 0,035 Hình 2-5 chỉ ra xu hướng tăng parabol (A–B) cho giai đoạn bền,

trong khi ứng xử tuyến tính (B–C) được quan sát thấy cho các giai đoạn hóa mềm của bê tông có giới hạn và không có giới hạn Giai đoạn làm mềm tiếp tục cho đến khi đạt được 20% cường độ nén không bị “bó”(unconfined) (Điểm C); nghĩa là ứng suất không được phép tiếp tục giảm, và tính chất dẻo hoàn toàn được giả định theo xu hướng mềm hóa (C–D) Để đơn giản, toàn bộ mô hình được giả định là một đường cong parabol Phương trình (2.4) giả định trạng thái phi tuyến của bê tông từ đầu đến cuối Tuy nhiên, việc xác định ứng xử của bê tông với 40% cường độ của nó trong giai đoạn đàn hồi là rất quan trọng trong việc xác định mô đun đàn hồi hiệu quả Nói cách khác, mô hình cơ bản phát huy tác

dụng khi cường độ chịu kéo bằng 70%[24] cường độ chịu nén của bê tông Theo Hình 2-4a và Hình 2-5, biến dạng không đàn hồi khi nén, in h,

+ Mô hình ứng suất - biến dạng kéo của bê tông theo Parabol Kent và Park [24]

Trong các mô hình độ dẻo phá hoại của bê tông, biến dạng cứng dẻo ở lực căng pl h,

đó ứng suất bằng với độ bền kéo tới hạn Hình 2-4b cho thấy rằng với biến dạng nứt tăng

20

Hình 2-6: Đường cong kéo được đề xuất bởi Massicotte

Hình 2-7: Đường cong kéo sau khi được hiệu chỉnh

Trong mô hình này, cốt thép được mô hình hóa đàn hồi tuyến tính – vật liệu dẻo hoàn

toàn, như trong Hình 2-6 Dữ liệu đầu vào bao gồm: ứng suất chảy; fy mô đun đàn hồi Es

và hệ số Poisson; s (s = 0,2)

Bê tông chịu kéo được mô hình hóa như vật liệu giòn đàn hồi tuyến tính với sự làm mềm biến dạng Việc tăng cường sức căng được cho phép bằng cách sửa đổi đặc tính làm mềm bê tông Mối quan hệ ứng suất-biến dạng sau nứt được đề xuất bởi Massicotte và

các cộng sự và được hiển thị trong Hình 2-6 Mối quan hệ này giả định rằng biến dạng

mềm đi sau khi nứt làm giảm ứng suất về 0 với tổng biến dạng gấp khoảng 16 lần biến

dạng ở vết nứt đầu tiên Đường cong, được hiển thị trong Hình 2-6, đã được làm mềm để

cho phép phản ứng tương đối từ từ và do đó làm giảm các vấn đề về hội tụ, như được hiển

thị trong Hình 2-7 Dữ liệu đầu vào bao gồm: cường độ chịu kéo của bê tông; fctmax, biến dạng tại vết nứt đầu tiên; cr và đường cong làm mềm biến dạng

Bê tông chịu nén được mô hình hóa theo mô hình đàn hồi-dẻo Dữ liệu đầu vào bao

gồm: cường độ chịu nén của bê tông; fcu mô đun đàn hồi; Ec hệ số Poisson; s (s = 0,2) mối quan hệ ứng suất-biến dạng dẻo và các tỷ lệ phá hoại sau

+ Tỷ số giữa ứng suất chính kéo khi nứt, trong ứng suất phẳng, khi ứng suất chính khác đạt giá trị nén tới hạn với ứng suất kéo nứt khi chịu kéo một trục; tỷ lệ này được lấy là 0,2

b Cốt thép

Hai đặc trưng cơ bản của cốt thép là điểm chảy và Moduyn đàn hồi Es Thép thường dùng trong xây dựng có giới hạn dẻo khi kéo và nén xấp xỉ nhau và có thể xem biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng là đối xứng Biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng của thép

được minh họa bằng Hình 2-8 bên dưới Moduyn đàn hồi của cốt thép thường vào khoảng

29.106 psi

Hình 2-8: Các đường cong ứng suất biến dạng của thép

+ Mô hình ứng suất - biến dạng của cốt thép

Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng điển hình của cốt thép gồm bốn giai đoạn (Hình 2-9): tuyến tính (AB), chảy (BC), tái bền (CD) và hóa mềm (DE)

22

Hình 2-9 Quan hệ ứng suất và biến dạng khái quát hóa của mô hình thép

Tuy vậy, trong tính toán cốt thép được coi là vật liệu đàn dẻo lý tưởng, giai đoạn tái bền và mềm hóa được bỏ qua Trong kết cấu BTCT cốt thép có dạng thanh hoặc lưới nên không cần quan tâm đến ứng xử ba chiều của cốt thép Để thuận tiện trong tính toán, mô hình vật liệu của cốt thép được sử dụng theo quan hệ ứng suất – biến dạng một chiều Hiện nay có hai quan niệm về mô hình thép theo quan hệ ứng suất biến dạng một chiều: Mô hình thép đàn dẻo lý tưởng, Mô hình thép cải tiến đàn dẻo lý tưởng

+ Mô hình vật liệu thép đàn dẻo lý tưởng (SEPL) Mô hình vậu thép đàn dẻo lý tưởng (SEPL) được thiết lập dựa trên đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của thép được

trình bày trên Hình 2-10 Đường cong này được xác định dựa vào các thông số của thép:

Modul đàn hồi thép Es , và giá trị cường độ chịu nén tiêu chuẩn của thép fy

Hình 2-10: Quan hệ ứng suất và biến dạng của mô hình thép (SEPL)

Mô hình vật liệu thép cải tiến đàn dẻo lý tưởng (IEPL) Ứng xử của cấu kiện chịu uốn bị ảnh hưởng lớn khi cốt thép chảy Do quá trình chảy của thép làm tăng đột ngột biến dạng của kết cấu nên điều kiện hội tụ khó được đảm bảo trong quá trình tính toán Vì vậy, sử dụng mô hình đàn dẻo sẽ đảm bảo được sự hội tụ cho tới khi cấu kiện đạt cường độ tới hạn Giả thiết về biến dạng hóa cứng tuyến tính ngay khi cốt thép chảy không ảnh hưởng tới độ chính xác của kết quả, đồng thời độ dốc của nhánh hóa cứng cũng được xác định

23

để đảm bảo năng lượng biến dạng của mô hình bằng với năng lượng biến dạng của quan hệ ứng suất – biến dạng của thép từ thực nghiệm Thực tế, mô hình này đã được áp dụng thành công trong một số nghiên cứu của các tác giả như (Ngo và Scordelis, Vebo và Ghali,

2008) “Trong nghiên cứu này các tác giả chỉ ra rằng việc sử dụng mô hình cải tiến mô hình đàn dẻo của cốt thép chịu lực cho kết quả chính xác hơn với việc sử dụng mô hình đàn dẻo lý tưởng” Trong luận văn này y và u được sử dụng trong mô hình cho cả cốt

Hình 2-14: Mô hình ứng suất - biến dạng của thép Tri-linear

2.1.7 Phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học

Ứng xử phi tuyến của vật liệu (bê tông và cốt thép) được xét đến thông qua mô hình vật liệu như Mục 4.2 và đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng của vật liệu sẽ được

khai báo xấp xỉ bằng nhiều điểm vào chương trình Abaqus [23] ví dụ như Hình 2-15

25

Hình 2-15: Khai báo ứng xử nén của bê tông trong Abaqus

Ứng xử phi tuyến hình học: xét đến hiệu ứng P-delta được khai báo trong Abaqus để

thực hiện phân tích trong các bước phân tích như thể hiện trong Hình 2-16 và Hình 2-17

:

Hình 2-16: Hiệu ứng P-delta

26

Hình 2-17: Khai báo ứng xử phi tuyến hình học của kết cấu

27

CHƯƠNG 3 THUẬT TOÁN PHI TUYẾN TRONG ABAQUS

3.1 Phương pháp giải bài toán trong Abaqus 3.1.1 Các bước giải bài toán trong Abaqus[23]

Các bước giải bài toán trong Abaqus như sau :

+ Mô phỏng mô hình, gán đặc tính, điều kiện biên và vật liệu cho các cấu kiện + Tổ hợp các bước tăng tải và bước lặp

+ Định nghĩa tải trọng

+ Chọn thời gian cho bước tăng tải hợp lý một cách tự động + Sử dụng phương pháp Newton để giải bài toán phi tuyến + Xác định sự hội tụ

Giả sử đường cong lực-chuyển vị phi tuyến của một kết cấu như Hình 3-1 dưới đây:

Hình 3-1: Đường cong lực - chuyển vị phi tuyến

Mục tiêu của phân tích là xác định ứng xử này Abaqus/Standard dùng phương pháp Newton-Raphson để tìm lời giải cho bài toán phi tuyến Trong phân tích phi tuyến, lời giải không thể giải bằng hệ phương trình tuyến tính Thay vì vậy, tìm lời giải bằng cách cho tải trọng là một hàm theo thời gian và tăng dần thời gian để thu được ứng xử phi tuyến Theo đó, Abaqus chia sự mô phỏng thành nhiều bước tăng tải theo thời gian (time increment) và tìm phương trình cân bằng gần đúng tại thời điểm kết thúc mỗi bước tăng tải Thông thường Abaqus/Standard cần nhiều bước lặp để xác định lời giải gần đúng cho mỗi bước tăng tải

3.1.2 Bước, bước tăng tải, và bước lặp (Steps, increments, and iterations)

Quá trình thực hiện một mô phỏng gồm một hay nhiều bước Người dùng định nghĩa bước, chọn phương pháp phân tích, tải trọng, và yêu cầu dữ liệu đầu ra Tải trọng khác nhau, điều kiện biên, phương pháp phân tích và yêu cầu dữ liệu đầu ra có thể được bao gồm trong mỗi bước Ví dụ:

Bước 1: Gán điều kiện biên, tương tác và ràng buộc Bước 2: Gán ngoại lực tác dụng