Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích ứng xử nút dầm - cột bê tông cốt thép sử dụng cốt sợi dưới tác động của tải trọng ngang

Thuc té nay cho thay, việc dé xuất một mô hình tính toán cơ học thé hiệnđược bản chất vật lý dé mô phỏng ứng xử và dự đoán được khả năng chịu lực củanút khung bê tông cốt sợi nhăm phục v

ĐẠI HOC QUOC GIA TP.HCMTRUONG DAI HOC BACH KHOA

LUAN VAN THAC SI

TP HO CHI MINH, tháng 09 năm 2013

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: TS NGUYÊN MINH LONG

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS TRẢN CAO THANH NGỌC

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS NGÔ HỮU CƯỜNG

Cán bộ cham nhận xét 2: TS LE VĂN CANH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại hoc Bach Khoa, DHQG Tp HCMngày 09 tháng 09 năm 2013

Thanh phân Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:1 PGS TS DO KIÊN QUOC

2 TS NGUYEN SY LAM3 TS NGO HUU CUONG

4 TS LE VAN CANH5 TS NGUYEN MINH LONGXác nhận cua Chu tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Bộ môn quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRUONG KHOA KY THUẬT XÂY DỰNG

PGS TS DO KIÊN QUOC

c~======~=====—~

-oOO -NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên:LÊ THAI TRI Phái: NamNgày, tháng, năm sinh: 25/10/1986 Nơi sinh: Quảng NgãiChuyên ngành: Xây dựng công trình DD&CN MSHV: 11211021

1 TÊN DE TAI: PHAN TÍCH UNG XU NUT DAM - COT BE TONG COT

THEP SU DUNG COT SOI DUOI TAC DONG CUA TAI

HO VÀ TEN CÁN BỘ HƯỚNG DAN 2: TS TRAN CAO THANH NGỌC

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2013CB HUONG DAN 1 CB HUONG DAN 2 BAN QUAN LY

(Họ tên va chữ ky) (Họ tên và chữ ký) CHUYEN NGANH

(Họ tên và chữ ký)

TS NGUYEN MINH LONG TS TRAN CAO THANH NGOC

TRUONG KHOA KY THUAT XAY DUNG

(Họ tên va chữ ky)

Lời dau tiên tôi xin chân thành cảm ơn Thay hướng dẫn TS Nguyễn Minh Long,người đã tận tình dẫn dat và hướng dẫn tôi ngay từ bước dau làm quen vớicông việc nghiên cứu khoa học đến lúc hoàn thành luận văn Thây đã khuyên bảotôi về cách nhận định đúng đắn trong các van dé nghiên cứu của dé tài với nhữnglời khuyên bồ ích và truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báu Lòng tận tìnhcủa thầy cho tôi về hình ảnh một người thầy đáng kính trong sự nghiệp giáo dục.Tôi cũng xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Trân Cao Thanh Ngọc, ngườiđã định hướng ban dau va hướng dan cu thé cho tôi trong suốt quá trình thực hiện

luận văn.

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trường đại học Bách khoa Tp HCM, các thây côtrực tiếp tham gia giảng dạy đã truyền đạt những kiến thức và phương pháp học

tập nghiên cứu.Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ của bạn bè, các anh chị học viên khoá 2011.

Tôi xin cảm ơn ban giám đốc và đồng nghiệp công ty TNHH Tư Vấn Thiết Kế PhúMỹ đã hồ trợ và tạo điều kiện cho tôi trong qua trình học tập

Sau cùng, tôi muốn tỏ lòng biết ơn đến cha mẹ, em gái và bạn gái đã luôn bên cạnhđộng viên tinh than, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian học

tập và thực hiện luận văn.

Tp Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2013

Lê Thái Tri

MUC LUCLOT CAM Ơ 0G 6 S5 5 599.9 909.0 0090 000004 00000004 4.06008000906006 08 iDanh mục hình vẽ 000cc 0 S5 0.0.0 0000000000666 00 00 V

Danh mục bảng Dieu - 5-5 < << 5£ << <ES£E£EEEseEeEeEsesesesesersee Ix

Danh mục kí hiỆU o0 0G G G5 SG 2 9 5 5 6899999 96 99999 09090090966006960964969606 96 X

Chương 1 GIỚI TIHIỆ”U << 5£ 5£ << £s££££<E<e se e££seses=ses 1

Chương 2 TONG QUAN NGHIÊN CỨU 5- << << <sessssess«e 4

2.1 _ Sơ lược về bê tông sợi thép ¿- tt SE EEEE1112111111111E1 11111 EErtxe 42.2 Nghiên cứu thực nghiệm nút dầm-cột có sử dụng sợi thép 52.3 Nghiên cứu ứng xử nút dầm-cột bang phương pháp phan tử hữu han 122.4 Cac công thức tính toán kha năng kháng cat của nút đầm-cột 152.4.1 Tiêu chuẩn Mỹ (ACI 318, 2005) 5-5: tt SE 1111211111111 11 1 E1 prrree 152.4.2 Tiêu chuân New Zealand (NZS 3101, 1995) c St tt E1 ssrerere 152.4.3 Công thức dé nghị bởi Somma (2010) 5.52 22c E‡EEE2E£EEEEEEEEEerrrrees 16

2.5 Tinh hình nghiên cứu ứng dung sợi thép trong nước ‹ 17

Chương 3 MỤC TIỂU, Y NGHĨA VÀ NOI DUNG NGHIÊN CỨU 19

3.1 Mục tiêu nghiên CỨU c1 1122220111111 1122811111115 1 111111981 vn reg 19

3.2 Ý nghĩa nghiên COU ceeccccccccccsesesscsesecsesessvsvsevsvsecevsesecevsusevsvsevevsesevseeeeeee 193.2.1 Y nghĩa khoa hoC c.cccccccccsessssessssesesevsesevsesessvsvsevsvsecevsesecsvsesevsvsevevsesevsveeceee 193.2.2 Y nghĩa thực tiỄn 5+ 1 1 E111 E2E1111E1117111111TE11EE1EEEErreo 19

3.3 _ Nội dung nghiên CỨU 2c 1112222011111 1112 1111111552111 111g vn reg 20

Chương 4 MÔ HÌNH PHAN TỬ HỮU HẠN 5< se: 21

4.1 M6 hình phân tử, ràng buộc, điều kiện biên, điều kiện tải trong, phi tuyến

vật liệu và hình hỌọc - - - - c1 11 200111111111 1111k vn TT TT HE vn 21

4.1.1 Phâần tử khối -:-55:222+2212221122121112112112211211.2112 re 214.1.2 Phân tử thanh -:-252+2++221122112212111221211221121112112 1e 22

4.1.3 Ràng ĐUỘC 00000122221 HSSS SH HT TT KT ng KT kg vn 22

AVA, Điều kiện biÊn :-22:222222112211221211211211211121212 re 234.1.5 Điều kiện tải tYỌNE - 5 5+ + s11 111 1E11111111111111111111 1111 1k trye 244.1.6 Phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học - 5222k cx£EvEzErEeEersrxes 24

4.2 MO hình vật liệu - - c 1 2 1 2201111211111 11111 11111111 11111181111 kho 254.2.1 Mô hình phá hoại của bê tông - 00110222222 21111115821 11111158111 xk5 254.2.2 Bê tông thường -. L1 rere reece eet ee terres kh ke 274.2.3 Bé tông sợi thép ce rere renee Tnhh 30

4.2.4 Cốt thép thanh t sE E3 1215E1111151E1111111111111111111111111 E111 x0 32

4.3 Phương pháp BIảiI - 0111122 HH TT kg kiệt 32

4.3.1 Giải bài toán phi tuyến trong Abaqus - ¿+ s+x+x‡EEx+E£EEEEEEkrEerrrrees 33

4.3.2 Bước, bước tăng tải, và bước lặp (Steps, increments, and iterations) 334.3.3 Sự hội tụ (ConVerØ€ñnC€) - 11111 v TT TS T TT ng vn vệt 34

4.4 Mô phỏng số và kiểm chứng tính chính xác của kết quả mô phỏng với kết

quả thực nghiệm - 2c 2E 02222221011113122211 1111111201111 1150011111110 111kg kh 364.4.1 Nút biên Kwon và cộng sự (20T Ï ) cc c2 2222111111123 1xx vei 374.4.2 Nút biên Liu và Cong (2006) L0 11211112 1112 111121111811 11811 8k tre 484.4.3 Nút biên Tang và cộng sự (1992) - c1 1111212 1111111181111 1 5881111 xka 56

4.5 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng thép đai và hàm lượng sợi đến ứng xử

CUA THÚÍ - Q2 1110 2211101 11111 k 1n TT TT TK TT TT TK TT tk ra 61

4.5.1 Ảnh hưởng của ham lượng thép dai oo ccc ccccccseeeeesecseseseseesesesesseseseeeeees 624.5.2 Ảnh hưởng của hàm lượng SỢI - 52 SE EEESE 112112112 EEEEEEErtke 654.6 Khao sát ảnh hưởng của tải trọng đứng đến ứng xử của nút 68

Chương 5 MÔ HÌNH THANH CHONG GIĂNG -° 5e: 73

5.1 Phan tích lực tại RÚT - LG Q11 S111 TK SE TT TT ky 73

5.2 Mô hình thanh chống-giăng - + SE x2E 1 EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkrkerrred 755.3 Kiểm chứng và nhận Xét - 5 2 tt E3 E121 1EEEE1111E1111111111E11x 1E rtki 76Chương 6 KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ - 5 5-5ee< << <<ese<e 806.I Kết luận 2 c TH HH HH Hee 806.2 Kiến nghị c T11 11 E211 1211111111111 ru 81TÀI LIEU THAM IKKHÁOO 55-5 < 5 55<SsEs£SsSsEseEeEseseseesesesses 82

Hình 1.2 Nuit dam cột bị pha hoại do động dat (Kocaeli và Izmit, Turkey, !999) 2Hình 1.3 76a nhà 15 tang sụp đồ và mit khung bi phá hoại do động dat (Chichi, Taiwan, 9/1999) 2

Hình 2.1 Sự phá huy của bê tông sợi tED cce cece ccc ccc cece S111 vn ee KT KHE TK KH kết 4

Hình 2.2 Mot số loại sợi 7/172 5Hình 2.3 Cau tạo mit khung trong thí nghiệm của Gefken và Ramey (1989) ccccsrsssreei 6Hình 2.4 Hinh dạng và cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu cua Tang và cộng sự (1992) 7Hình 2.5 Hinh dạng và cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Filiautrault và cộng sự

(1995): (a) Núi biên; (b) Núi 2100 occ ccc cece ccc c ieee eet e TT kg k KT tk kg kh àu 8

Hình 2.6 Chi tiết mẫu thí nghiệm điền hình trong nghiên cứu của Gebman (2001) 9Hình 2.7 Hinh dạng và cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Gencoglu và Eren (2002).10Hình 2.8 Hinh dạng và cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Shannag và cộng sự (2005)Hình 2.9 Cấu tao mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Liu và Cong (2006) - sec: 12

Hình 2.10 M6 hình nut trong nghiên cứu cua Mitra (2007): (a) Mô hình PTHH; (b) Mô hình các

thành phần Của HúÍI ST tEE112121111< HH HH HH HH HH HH HH HH tk 13Hình 2.11 Mau thí nghiệm và mô hình thanh chống giằng trong nghiên cứu cua Li và Tran (2009)

¬ ceca aeeesceecsceceeeecsaeecaaeeeseeseaeecsaeeesaeeeeeseseeeaaeeeseeseseecaeecsaeeeseeseseecsseesnseeeseeeesseseeeeneeedeeesseeeeeenieesneesses 14

Hình 2.12 Mo hình phần tie hữu han của Li và cộng sự (2009) occcccccccccecesescscscsvsseseseseseststseseeresesee 14

Hình 2.13 M6 hình nit trong nghiên cứu của Birely và cộng sự (201 Ï) ccc+ccsccccssses 15

Hình 4.1 Phan tir 122⁄787/0:./7.-0/ 8/0 0n8nn8 aa bebe sede ce seeee ce sdaeeesessaaeeesesseaeeenesiaas 22

Hình 4.2 Khai bdo ứng xử nén cua bê tông trong A@đ1% cette cv SH teteteeeenaes 24Hình 4.3 H/ệu erg P-dÍ@GÏH4 S0 2201111121 111111 1111111111111 1 11111111 kkE TH k kg KT k KHE k kg 25

Hình 4.4 Khai báo xét ứng xử phi tuyến hình học của kết CẤM 5c s11 E18 21errtxe 25

Hình 4.5 Mat pha hoại của bê tông theo mô hình của Lubliner và cộng sự (1989) 26

Hình 4.6 Quan hệ ứng sudt-bién dạng bê tông khi chịu HÉI S5 tt EE E111 tre 28Hình 4.7 Quan hệ ứng sudt-bién dạng bê tông khi chịu ÑéO 5c tt kEEEEEEnerryn 29Hình 4.8 Quan hệ ứng sudt-bién dạng bê tông khi chịu HÉI 5S tt E12 1218211 trxe 30

Hình 4.9 Quan hệ ứng sudt-bién dạng bê tông khi chịu ÑéO 5c tt kEEEEEEtEEnerruyn 31Hình 4.10 Quan hệ ứng sudt-bién dang thép với ứng xử tái bên tuyen HNN ccccccccccccccececeseeces ee eeees 32Hình 4.11 Ngoại luc và nội lực trên vật thê (Abaqus, 2010) c1 2222221112132 11s rxe2 34Hình 4.12 Burdc lặp đầu tiên (Abaqus, 2010) 5:2: 1212121 121 1212211111121 111211 ryu 35

Hình 4.13 Bước lặp thir hai (Abaqus, 2010) QQQ LH HH ng kg k TK HH kh kh 36

Hình 4.14 Chi tiết mẫu NC 5 55c 5x TH hành ưu 38Hình 4.15 Chi tiết mẫu NC2-FO, NC2-F1, NC2-EÌ, Š à àc cct x 21H 22t HH ryg 38Hình 4.16 Chi tiết mẫu NC 1-ÏÝU 55c St 2 tt nh HH ưng 39

Hình 4.17 M6 hình thí nghiệm Kwon và cộng sự (QOL Ï ) SE E1 111511111 8 v11 ke gày 39Hình 4.18 M6 hình PTHH trong Q1S à- - cece ete cece cece cece eee TT seat TH kg key 40

Hình 4.19 Quan hệ lực ngang và chuyển vị tại vị trí đầu dâm mẫu NC3 - csn n nesssrea 42Hình 4.20 Quan hệ lực ngang và chuyền vị tai vị trí dau dâm mẫu NC2-F0 -c sec: 42Hình 4.21 Quan hệ lực ngang và chuyền vị tai vị trí dau dâm mẫu NC]-FÚ sec: 43Hình 4.22 Quan hệ lực ngang và chuyền vị tai vị trí đầu dâm mẫu NC2-FÌ cv 43Hình 4.23 Quan hệ lực ngang và chuyền vị tai vị trí dau dâm mẫu NC2-F ] Š c sec: 44Hình 4.24 Kiéu phá hoại của mút NC2-F0: (a) từ PTHH; (b) từ thí nghiệIm 5c cccccsrsrce: 45

Hinh 4.25 Huding nict cua nit NC2-FO ccc ăăă ố ố 45

Hình 4.26 Kiéu phá hoại cua mút NC2-F0: (a) từ PTHH; (b) từ thí nghiémacccccccccccccececcscscecee eee 46

Hinh 4.27 Hudng nitt cua nit /002 009588 a ¬ ốố.ố ố Ầ 46

Hình 4.28 Ung suất trong cốt thép mút NC2-FÍÚ s21 1 111211 HH1 nga 47Hình 4.29 Ung suất trong cốt thép mẫu NC2-Ƒ'Ì Š T1 1 E1 HH HH nga 47Hình 4.30 Chi tiết mẫu NÑC-6 sess sess esse th th nh ưu 48Hình 4.31 Chi tiết mẫu SH ~44 ch thà thà in 49Hình 4.32 Chi tiết mẫu SH ~5 thà th ưng 49

Hinh 4.33 M6 0,7/.),8,/8,.2.-.088nn88 50

Hình 4.34 Quan hệ lực ngang và chuyền vị tai vị trí đầu dâm mẫu RC-6 vo.cccccccccceccscscecesesceces eevee 52Hình 4.35 Quan hệ lực ngang và chuyển vị tại vị trí đầu dâm mẫu SF-4 s tr nererrrei 52

Hình 4.36 Quan hệ lực ngang và chuyền vị tai vị trí đầu dâm mẫu SF-3 vcccccccccccccsscsceeseseeceseeeeees 53Hình 4.37 Kiéu phá hoại cua nút RC-6: (a) từ mô hình PTHH; (b) từ thí nghiệm - 54Hình 4.38 Kiéu phá hoại cua mút SF-5: (a) từ mô hình PTHH; (b) từ thi nghiệ1m 5s: 54Hình 4.39 Ung suất trong cốt thép mẫu ÌÑC-6 c tET EE11 11121 11111 nga 55Hình 4.40 Chi tiết mẫu SP 3 tt nh nh HH HH g ườn 56Hình 4.41 Chi tiết mẫu ẤJ75, tt nh nhường 57

Hình 4.42 M6 hình: PTHH oo eccccccccccccccccecetc ence een e cee ce cece cee ceseeeeneeseseeecseeecseeseseecsaeesieeessesetseseneeeaes 57

Hinh 4.43 Quan hé luc ngang va chuyén vị tại vị trí đầu dâm mẫu SF3 voocccccccccccscsccscscsccsssssevecsees 59Hình 4.44 Quan hệ lực ngang và chuyền vị tai vi trí đầu dâm mẫu SFI vccccccccccccecscsceeseeeees eevee 59Hình 4.45 Kiéu phá hoại của mit SF3: (a) từ PTHH; (b) từ thí nghiỆM cv 60Hình 4.46 Ung suất trong cốt thép mẫu SI c c cEnH ET1 11 tt nga 60Hình 4.47 Ung suất trong cốt thép mẫu SIÕ c2 E11 1H ng nga 61Hình 4.48 Anh hưởng của hàm lượng thép dai đến sự lam việc của mit khung theo mô hình mẫu

Hình 4.49 Ảnh hưởng của hàm lượng thép đai đến sự làm việc của mút khung theo mô hình mẫu

NC-3 (Kwon vt CONG 00/0000 e4 63

Hình 4.50 Anh hưởng của hàm lượng thép dai đến sự lam việc của mit khung theo mô hình mẫu

SF3 (Tang vet CONG 000.0 aajlj 64Hình 4.51 Độ gia tăng kha năng chịu lực ngang theo hàm lượng thép đai c c5 eee 64

Hình 4.52 Độ gia tăng khả năng hấp thụ năng lượng theo hàm lượng thép đai c5: 65Hình 4.53 Anh hưởng của hàm lượng sợi thép đến sự làm việc của mit khung theo mô hình mau

NC2 (Kwon và CONG sự, 2Ï Ï) - c T11 011111151 11111111 K1 111111 k 1c k TT kg xa 66

Hình 4.54 Anh hưởng của hàm lượng sợi thép đến sự làm việc cua mit khung theo mô hình mau

SH-4 (Litt và Cong, 26) cece cece eee cena cece 11 11115 11 K1 551 11K 1551 kk ng kg KH khu 66

Hình 4.55 Anh hưởng của hàm lượng sợi thép đến sự làm việc của mit khung theo mô hình mau

SFS (Tang vet CONG 70.7 67Hình 4.56 Độ gia tăng kha năng chịu lực ngang theo hàm lượng sợi thép cà cà eects eee 68

Hình 4.57 Độ gia tăng kha năng hấp thụ năng lượng theo hàm lượng sợi thép se: 68Hình 4.58 Anh hưởng của lực đứng đến sự làm việc cua nit bê tông thường theo mô hình mau

,ð 1/7 5.;06 0.//, 0080888 69

Hình 4.59 Anh hưởng của lực đứng đến sự làm việc cua nit bê tong sợi thép theo mô hình mẫu

Hình 4.60 Anh hưởng của lực đứng đến sự làm việc cua nit bê tong sợi thép theo mô hình mẫu

SF3 (Tang vet CONG 70.208 e= 70Hình 4.61 Độ gia tăng kha năng chiu lực ngang theo gid tri lựC AOC ccccccccccceee cect c eet e tents teetees 71

Hình 4.62 Độ giam kha năng hap thụ năng lượng theo giả tri lực AOC voececcccccccccccccccetececcetseeeceeees 71Hình 5.1 Lực tac dung tai nit biên CGM - cỘi - s S Tcnn T25 1n ng HH HH trau 74Hình 5.2 Cơ cấu truyền lực qua nút biên dâm và cột (TSONOS, 2007) - +2 ccssssicssi 75Hình 5.3 Bề rộng của thanh chống XIÊH ccEEET 1E 1 E1 1112111 ng tua 76Hình 5.4 Hình dạng vết nứt trong nut khi bị phá NOL cv x 112 v9 xxx key 77Hình 5.5 M6 hình thanh chong-gidng cho nút đâm-cột NC 1-FÍU 5c kcEEkEEEterrrryg 77Hình 5.6 M6 hình thanh chong-giding cho nút đâm-cột RC-6 5c c1 tre 78Hình 5.7 M6 hình thanh chống-giằng cho nit dam-cot: (a) NC1-F 1 (Kwon và cộng sự, 2011); (b)

SF-4 (Litt va CONG, 2006) Nợ L 79

Bảng 4.1.Bảng 4.2.Bảng 4.3.Bảng 4.4.Bang 4.5.Bang 4.6.Bang 4.7.Bang 4.8.Bang 4.9.

DANH MUC BANG BIEU

Đặc trưng vat liệu mẫu NC3, NC2-F0, NC1-F S2 nhe 40Đặc trưng vat liệu mẫu NC2-Fl, NC2-F Lỗ Q0 SH HH TH HH HH se 4lBang so sánh kết qua giữa thực nghiệm và PTH SE E1 E111111 81.1 1 tre 44Đặc trưng vat liệu mẫu ÑC-6 - ST T511 n5 HH TH HH HH Hee 50Đặc trưng vat liệu mẫu SEF-4 và SE-Š L TH HT HH HH HH HH HH nen se 51Bang so sánh kết quả giữa thực nghiệm và PTH SE SE 111gr yêu 53Đặc trưng vat liệu mẫu SE3, SH SH HH HH HH HH HH HH se 58Bang so sánh kết qua giữa thực nghiệm và PTH SE E111 1181.111111 yeu 60Bảng so sánh kết quả khi tăng hàm lượng sợi tHẾp TT trêu 67

mm RM.

m

ứng suất nén của bê tông, MPabiến dạng của bê tông

biên dạng tương ứng với cường độ nén

f-thông số được dùng định nghĩa đường cong ứng suat-bién dang của bê tôngmodule đàn hôi của bê tông thường, MPa

module đàn hôi của bê tông sợi thép, MPamodule đàn hồi của thép, MPa

cường độ chịu nén của bê tông thường (mẫu hình trụ), MPa

cường độ chịu nén của bê tông sợi thép, MPa

cường độ chịu kéo của bê tông thường MPa

cường độ chiu kéo của bê tông sợi thép MPa

ứng suất chảy dẻo của thép, MPaứng suất cực hạn của thép, MPahệ số poisson

biến dạng cực hạn

hàm lượng sợi thép

chiều dài sợi thép

đường kính sợi thép sợi thép

hệ số déo (plasticity number)mô dun cát tuyến từ gốc tọa độ đến vi trí ứng suất nén cực hạndiện tích tiết diện cột

tải trọng đứng

Trong khung bê tông cốt thép (BTCT) của các công trình dân dung, nút dầm-cộtđóng vai trò rất quan trọng Dưới tác động của tải trọng ngang, đặc biệt là tải trọng

Hình 1.1 Công trinh sụp đồ do động đất ở Turkey, 1999Dưới tác động của tải ngang hay động dat, nút khung BTCT là vị tri bi phá hoại dautiên và gây sụp đồ toàn bộ công trình sau đó Từ thực tế trên, một số tiêu chuẩn hiệnhành (ACI 318, 2005; NZS 3101, 1995) đã dé xuất các phương pháp cấu tạo cốtthép đặc biệt nhăm tăng cường khả năng chịu lực cho nút và song song với đó là cácphương pháp tính toán kiểm tra Một số các phương pháp cầu tạo cốt thép cho nútkhung chịu tải trọng ngang đã được biết như là cốt đai dạng lưới, b6 sung thêm cốtdọc thành dầm Gần đây, phương pháp dùng sợi thép tăng cường vào nút khungđã và dang được nghiên cứu và bước dau đã cho thay được tính khả thi và hiệu quatrong việc làm tăng khả năng chịu lực, độ dẻo dai, khả năng hấp thụ năng lượng của

nút (Filiautrault và cộng sự, 1995; Gebman, 2001; Shannag và cộng sự, 2005; Liuvà Cong, 2006) Ngoài ra, sợi thép còn làm tăng khả năng bam dính va tăng kha

năng neo của cốt thép (Tang và cộng sự, 1992: Shannag và cộng sự, 2005) Bêncạnh đó việc bồ sung sợi thép làm giảm khoảng cách cốt đai, giúp cho quá trình thi

và kinh tế, việc khảo sát ảnh hưởng của tat cả các biến số đối với sự làm việc và khảnăng chịu lực của nút BTCT có hay không có sử dụng sợi thép bằng phương phápthực nghiệm gặp rất nhiều khó khăn Cho đến thời điểm hiện tại, số lượng cácnghiên cứu thực nghiệm về ứng xử của nút khung BTCT có sử dụng sợi thép là rấtít Trước thực trạng trên, phương pháp nghiên cứu số thật sự đã trở thành một lựa

Hình 1.3 Toa nhà 15 tầng sụp đồ và mit khung bị phd hoại do động dat (Chichi,

Taiwan, 9/1999)

nhiên, hầu hết là dựa trên kết quả thực nghiệm của một số lượng mẫu thí nghiệm rathan ché Thuc té nay cho thay, việc dé xuất một mô hình tính toán cơ học thé hiệnđược bản chất vật lý dé mô phỏng ứng xử và dự đoán được khả năng chịu lực củanút khung bê tông cốt sợi nhăm phục vụ cho công tác thiết kế là thật sự cần thiết.Đề tai áp dụng phương pháp phan tử hữu hạn (PTHH) dé mô phỏng và phân tíchứng xử của nút khung BTCT có sử dụng sơi thép Kết quả từ phương pháp PTHHbước đầu được so sánh với kết quả thực nghiệm dé kiểm tra tính chính xác củaphương pháp Dựa vào phương pháp này, sau đó ảnh hưởng của các tham số nhưhàm lượng thép đai, hàm lượng sợi thép và giá trị lực dọc đối với sự làm việc củanút sẽ được khảo sát chi tiết Ngoài ra, một mô hình thanh chéng-giang đơn giảncũng được dé xuất để mô phỏng ứng xử và dự đoán khả năng chịu lực của nút

khung BTCT dùng sợi thép chịu tác dụng của tải trọng ngang.

2.1 Sơ lược về bê tông sợi thépBê tông sợi thép (SFRC) là hỗn hợp gồm vữa xi măng, cốt liệu mịn cốt liệu thô và

sợi thép Dưới tác dụng của lực kéo, bê tông sợi thép sẽ bị phá hoại khi sợi thép bị

Hình 2.1 Sw pha huy của bê tông sợi thép

Sợi thép được sử dụng trong hỗn hợp bê tông có chiều dài từ 7 đến 80mm, tỉ lệchiều dai trên đường kính từ 20 đến 100 Soi thép có nhiều hình dạng khác nhau:dạng thăng, dạng có gờ và dạng lượn sóng Hình 2.2

Khả năng bám dính và cường độ là hai đặc tính quan trọng của sợi thép Khả năng

bam dính phụ thuộc vào tỉ lệ chiều dài sợi thép trên đường kính thép và dạng hình

học của sợi.

Hình 2.2 M6t số loại sợi thépSo với bê tông truyền thống, sử dụng sợi thép với hàm lượng 1.5% không làm tăngđáng ké cường độ chịu nén của bê tông (0 đến 15%), nhưng làm tang đáng kề cườngđộ chịu kéo của bê tông (30% đến 40%) Ngoài ra, khả năng kháng cắt có thé tăngđến 30% ứng với hàm lượng sợi thép 1%.

2.2 Nghiên cứu thực nghiệm nút dầm-cột có sử dung sợi thép

Gefken và Ramey (1989) khảo sát thực nghiệm ứng xử của nứt khung biên có sử

dụng sợi thép chịu tải trọng ngang Thí nghiệm được tiến hành trên 10 mẫu có kíchthước hình học giống nhau (Hình 2.3) Hàm lượng sợi thép trong các mẫu như nhauvà bằng 2% (tinh theo thé tích) Soi thép sử dung trong thí nghiệm thuộc dang sợithăng, tiết diện tròn Chiều dài và đường kính sợi thép lần lượt là 25 mm và 0.41

mm Cac két quả vé tính dẻo, tai trọng giới hạn và bê rộng vét nut của những nút

ma còn có thé bỏ cốt đai, tăng tính dẻo tốt hon và tăng khả năng chịu lực so với maunút khung BTCT truyền thống.

Simple

s|_ Support

Hình 2.3 Cau tao mit khung trong thi nghiệm của Gefken va Ramey (1989)

Tang và cộng sự (1992) thực hiện nghiên cứu thực nghiệm trên 5 mẫu nút khungbiên (Hình 2.4a) và 7 mẫu nút khung giữa (Hình 2.4b) chịu tác động của tải trọng

đứng điều hòa Thí nghiệm sử dụng hai loại sợi thép khác nhau: (7) sợi thép hìnhchữ nhật dài 25-30mm, có kích thước tiết điện 4x4 mm và 5x5mm, được cắt ra từnhững tâm thép có hàm lượng carbon thấp; và (27) sợi thép tròn có đường kính 0.7-0.8 mm dài 50-55mm Dựa trên kết quả thí nghiệm, tác giả đã đề xuất một côngthức để xác định khả năng kháng cat của sợi thép có dạng như sau:

N N

+ H — Hy H

1425 1425 1425- +P +P - +P

RCll~~ RC4 + TFLC12

đường kính (/,/d,) của sợi thép Trong 3 mẫu nút giữa, mau 1 là mẫu nút khung

BTCT không được thiết kế cốt kháng chan dùng dé đối chứng: mẫu 2 được thiết kếcốt kháng chan; va mẫu 3 không được thiết kế kháng chân nhưng có sử dung sợi

khả năng tiêu tán năng lượng như các nút khung được thiết kế cốt thép kháng chấntruyền thống.

4-15M $s F @ 200 c/c 41 ties ties

@ Be mm: | o | 100 c/c 200 cic

: (S3 only) |Ww | |——— =—— —=——— Top

= 1950 ¿400 | .1950 — ÖỐ]190_ 400) 1990 j

(b)Hình 2.5 Hinh dang và cầu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Filiautrault

và cong sự (1995): (a) Nut biên; (b) Nut giữa

sợi thép với hàm lượng 2% Khoảng cách cốt đai trong 2 mẫu BTCT truyền thống là102 mm, trong 4 mẫu có sử dụng cốt sợi còn lại là 152 mm và 203 mm Kết quả thínghiệm cho thay sợi thép cải thiện đáng ké khả năng chịu tải của nút và giảm bềrộng vết nứt Khả năng tiêu tán năng lượng của nút có sợi thép tăng xấp xỉ 100%cho mẫu có khoảng cách thép đai là 203 mm và 300% cho mẫu có khoảng cách cốtđai là 152 mm so với nút BTCT truyền thống và những nút có sợi thép có nhiêu vết

4 #7 Vertical 4 #5 Vertical

1' Second Floor Level Ductile Frame p'-1 0 Half - Scale Conventional Joint

Hình 2.6 Chi tiét mẫu thí nghiệm điển hình trong nghiên cứu của Gebman

(2001)

Gencoglu và Eren (2002) khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng sợi thép trên 4 mẫu nút

biên (Hình 2.7) Hai mẫu đầu tiên có sử dụng thép đai, hai mẫu còn lại sử dụng sợithép và tăng khoảng cách cốt đai trong nút Soi thép có chiều dai 60 mm và đường

kính 0.8 mm, giới hạn chảy là 1000 MPa Hàm lượng thép sợi được sử dụng là 1%.

Kết quả cho thấy sử dụng sợi thép trong nút cho phép giảm hàm lượng thép đai Sợithép tăng tính dẻo, khả năng chịu cắt và cải thiện khả năng hap thụ năng lượng Tuyvậy, các tác giả kiến nghị nên sử dụng cả sợi thép và thép đai trong nút

= = =f TTT

= / med /

= "TT ++- 0.1m FE đ—* 5 by

—|Ì 0.1m 0.2m —| Beam-column —] 2h *Š lase —] tựnt : “th, Beam-column|_| = | i —— joint

B 0.2m | | _ | COLUMN ]

SPECIMEN# | SPECIMEN# 2 SPECIMEN# 3 SPECIMEN #4

Plain concrete Plain concrete SFRC SFRC

Hình 2.7 Hinh dang và cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Gencoglu

và Eren (2002)Shannag và cộng sự (2005) nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng và hàm lượng sợi

thép đến ứng xử và khả năng kháng cat của nút khung giữa chịu tác dụng của tảitrọng ngang điều hịa Nghiên cứu được thực hiện trên 6 mẫu nút dam-cét cĩ kíchthước hình học bang 1/3 so với kích thước thật (Hình 2.8), trong đĩ, 1 mẫu khơngthiết kế cốt thép kháng chan, 1 mẫu được thiết kế cốt thép kháng chan; 4 mẫu cịnlại sử dụng sợi thép với hình dạng và hàm lượng khác nhau Từ kết quả thựcnghiệm, một số kết luận đã được rút ra như sau: (7) sử dụng sợi thép cải thiện đángkế ứng xử của nút như khả năng kháng cắt tốt hơn, tính dẻo cao hơn, khả năng tiêután năng lượng tốt hon và sự suy giảm độ cứng chậm hơn; (27) những mẫu dùng sợithép cĩ mĩc, ứng xử tốt hơn so với mẫu cĩ sợi thép thắng do khả năng bám dính tốt

hơn của những sợi thép cĩ mĩc.

‘1 368425 | 508a25 N

525 200 | 150 | 200 525 525 | 200 | 150 | 200 | 525

1600 1600

„| Steel fiber concrete

Hình 2.8 Hinh dang và cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Shannag

và cộng sự (2005)

Liu và Cong (2006) thử nghiệm 7 mẫu nút khung (Hình 2.9) Nhóm 1 gồm 3 mẫukhông thiết kế kháng chân, trong đó 1 mẫu không có sợi thép và hai mẫu có sợi théptrong nút với hàm lượng lần lượt là 1% và 2% Nhóm 2 gồm 4 mẫu thiết kế khángchan theo NZS 3101 (1995), trong đó mẫu số 1 kết hop dai và sợi thép hàm lượng1% trong nút; mẫu số 2 giống mẫu số 1 nhưng giảm hàm lượng cốt thép đai 50%;mẫu số 3 với khoảng cách thép đai lần lượt là 60mm và 70mm cho vùng tới hạn củadầm và cột, chỉ có một đai tại nút và không có sợi thép; mẫu sô 4 được thiết kếkháng chân day đủ theo tiêu chuẩn NZS 3101 (1995) Kết quả thí nghiệm cho thayviệc sử dụng sợi thép trong nút làm tăng đáng ké khả năng kháng cắt, tang tính dẻo

Sử dung sợi thép và thép đai tăng khả năng chịu lực, khả năng tiêu tán năng lượng.

Với hàm lượng cốt sợi 1%, khả năng kháng cắt của nút bang với nút có chi tiếtkháng chan truyền thông Nghiên cứu cũng dé xuất công thức tính sức kháng cắt

của sợi thép như sau:

E„=K, Ty, (2.1)

d,

Ghi chu: Cac ky hiệu su dụng trong công thức được trình bày trong phân Danh mụcký hiệu.

bh ey 4 7772771atne] Shay concerts,

= oy ——|L” / o 5 fs om os | tr 7

` pA ree | 8: iP 8= £5 z3 5 BE “s

Ẹ -g eee ——— Column Section

§ ei | 3R4 6R6 E —-— cus

“ở ~ “cổ BC” 4 Sinh ICRA ren 4E20ILS»m g%xei

ke fit) 4 cm iil 1) 14 œ~Hộxe L ec se TIẾN 3 SẼ mm cs “(Titus = ex ee" 200i bcos

(c) (d)

Hình 2.9 Cấu tao mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu cua Liu va Cong (2006)2.3 Nghiên cứu ứng xử nút dầằm-cột bằng phương pháp phan tử hữu hạnAl-Ta'an va Al-Saffar (2007) dùng phương pháp phan tử hữu hạn (PTHH) dé phântích ứng xử phi tuyến của nút dam-cét có sử dụng sợi thép chịu tác động của tảitrọng điều hòa Mô hình mô phỏng bê tông bằng phan tử đăng tham số tám nút, cốtthép bang phan tử hai nút Phương pháp Newton Raphson được sử dụng cho thuậtgiải phi tuyến Kết quả mô phỏng thu được phù hợp so với thực nghiệm và vì vậycó thé dùng dé dự đoán khả năng chịu lực của nút khung

Mitra (2007) thực hiện phân tích nút dầm-cột BTCT dưới tac động của tải động datbăng các phương pháp: xây dựng công thức tính toán dựa vào thông kê kết quả thựcnghiệm; mô hình PTHH (Hình 2.10a); mô hình dựa trên những thành phan của nút(Hình 2.10b); và mô hình thanh chống-giằng Kết quả cho thấy rang: (7) công thức

tính toán là phương pháp đơn giản dự đoán khả năng chịu tải của nút nhưng không

thay được quá trình ứng xử của nút cũng như quan hệ giữa lực và chuyển vị; (2?)mô hình PTHH có thể dùng để nghiên cứu ứng xử của nút nhưng khó áp dụng vàotính toán thực tế vì khối lượng tính toán khá lớn; (37) mô hình nút dựa vào các thànhcủa nút có thé sử dụng dé phân tích tính toán khung 2D BTCT; (47) mô hình thanhchống giăng dé xuất trong ACI 318 (2005) có hiệu chỉnh, có thé ứng dụng cho tínhtoán thiết kế nút đầm-cột dưới tac dụng của tải động đất

Constantaxialload

Monotonic_¥

increasing

lateral ›ad internal node

/ region zero length external node

Ị Ị ' Elastic zero length rigid external

ohne beams interface shear springs interface plane

zero width region

shown with finite width

‡ to fascilate discussion

(a) (b)

Hình 2.10 M6 hình nut trong nghiên cứu cua Mitra (2007): (a) Mô hình PTHH;

(b) Mô hình các thành phần của nútLi và Tran (2009) thực hiện khảo sát thực nghiệm và mô phỏng bằng phương phápPTHH và phương pháp thanh chống — giăng ứng xử của nút khung chịu tải trọngđộng đất (Hình 2.11) Nghiên cứu được tiến hành trên 4 nút khung giữa dam-cétBTCT với sự phân bố cốt thép dọc khác nhau trong dầm để nghiên cứu ảnh hưởngcủa chúng đến các nút vừa nêu dưới tác động của tải trong động dat Kết quả từ thựcnghiệm và theo phương pháp PTHH cho thấy tăng cường cốt dọc theo thành dầm

cải thiện khả năng kháng cắt của nút khoảng 5% đến 10% lần lượt cho ba và năm

cau cũng tang theo, tuy nhiên khả năng biên dạng dẻo của kêt câu sẽ bi suy giảm.

khung ảnh hưởng đến việc phân bố nội lực của khung được kế đến bằng việc môphỏng bang hai lò xo cho dam, riêng vùng năm ngoài dầm và cột là những phan tửđàn hồi Mô hình được xây dựng từ 45 kết quả thí nghiệm nút dam-cét Kết quả chothấy mô hình cung cấp chính xác độ cứng ban đâu, chuyển vị và sự suy giảm độ

cứng trong quá trình chịu tải trọng.

Hình 2.13 M6 hình nut trong nghiên cứu cua Birely và cộng sự (2011)

2.4 Các công thức tính toán khả năng kháng cắt của nút dầm-cột2.4.1 Tiêu chuẩn Mỹ (ACI 318, 2005)

Tiêu chuẩn ACI 318 (2005) xác định cường độ khang cắt của nút phụ thuộc vaocường độ của bê tông ` mà không kể đến ảnh hưởng của cốt thép, trong đó, nútbiên và nút giữa được phân biệt thông qua hệ số thực nghiệm ÿ (= 1.7 cho nút giữa;

= 1.2 cho nút góc) Công thức có dạng như sau:

Ứ,= 8\|7' (2.2)

2.4.2 Tiêu chuẩn New Zealand (NZS 3101, 1995)Theo tiêu chuẩn NZS 3101 (1995), cường độ kháng cắt của nút được tính toán như

Sau:

f,, : giới hạn chảy của cốt thép

fy, : giới hạn chảy của sợi thép

A’ : max của diện tích thép dọc lớp trên và lớp dưới damo,=N/A, (A, là diện tích mặt cắt ngang nút)

2.4.3 Công thức đề nghị bởi Somma (2010)Dựa trên khả năng từng thành phan của bê tông, cốt thép, cốt sợi và kết quả thựcnghiệm Somma đã đưa ra công thức dự đoán khả năng kháng cắt của nút sợi thép

ty, : giới hạn chảy của sợi thép hoặc cốt đai

Ø, : hàm lượng thép đaiPy: ham luong soi thép2.5 Tinh hình nghiên cứu ứng dung sợi thép trong nướcNghiên cứu vê ứng xử nút dam-cot BTCT sử dụng sợi thép hiện chưa có nghiên cứutrong nước nào đê cập đên, tuy nhiên có một sô nghiên cứu vê ứng xử, kha nangkháng cat cua dâm, và chọc thủng của liên kêt sàn-cột chịu tai trọng tĩnh.

Trần Quốc Toản (2010) khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của ham lượng sợi thép vakích thước hình học của liên kết sàn-cột đến ứng xử và khả năng kháng chọc thủngcủa chúng Tác giả sau đó dựa vào lý thuyết cơ học rạn nứt dé phát triển một côngthức dự đoán khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn-cột bê tông sử dụng sợi

thép.

Trần Ngọc Thanh (2011) khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của hàm lượng sợi thépđến kha năng kháng chọc thủng của liên kết sàn-cột ứng lực trước Tác giả cũng déxuất mô hình tính dựa trên phương pháp cân bằng tiết diện và xây dựng công thứctính khả năng kháng chọc thủng cho liên kết san-c6t bê tông ứng lực trước

Lê Phước Thêm (2011) khảo sát thực nghiệm, phân tính ảnh hưởng của hàm lượng

sợi thép đến ứng xử nứt — chọc thủng của sàn bê tông ứng lực trước và phát triểncông thức tính bê rộng vết nứt cho loại sản này

Nguyễn-Minh và cộng sự (2012a) thực hiện khảo sát thực nghiệm về ảnh hưởng củahàm lượng sợi và kích thước mẫu đến ứng xử và khả năng kháng chọc thủng củaliên kết sàn-cột trên 12 mẫu thí nghiệm chịu tải trọng tinh Các tác giả còn dé xuấtmô hình và công thức tính khả năng kháng chọc thủng cho liên kết sàn-cột sử dụngsợi thép dựa trên lý thuyết cơ học rạn nứt Kết quả cho thay: (7) việc sử dụng sợithép cho liên kết sàn-cột làm tăng kha năng kháng choc thủng (39%), giảm bé rộngvết nứt trung bình (40%), giảm độ võng (36%), (27) Các tham số như hình dang sợi

thép, tỉ số giữa chiều dài và đường kính thép đã được ké đến trong công thức tínhkhả năng chọc thủng cho liên kết sàn-cột sử dụng sợi thép.

Nguyễn Minh và cộng sự (2012b) tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượngsợi thép đến ứng xử va kha năng kháng chọc thủng của liên kết sàn-cột ứng lựctrước (ULT) trên 6 mẫu dầm kích thước 2200x2200x150 mm Ngoài ra, các tác giảcó xây dựng một công thức xác định khả năng kháng chọc thủng cho sàn ULT Kếtquả nghiên cứu cho thấy sợi thép tăng khả năng kháng chọc thủng, khả năng hấpthụ năng lượng và độ cứng cho liên kết san-cét

Trịnh Lâm Minh Tiến (2012) thực hiện thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của hàmlượng sợi thép đến khả năng kháng cắt và dạng phá hoại của dầm cao sử dụng sợithép Đông thời khảo sát tương tác giữa hàm lượng cốt đai với hàm lượng sợi thépđến ứng xử và kha năng kháng cat của dầm cao từ đó dé xuất công thức tính khả

năng kháng căt của dâm cao sử dụng sợi thép.

Chương 3 MỤC TIỂU, Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Dựa vào các kết quả đã trình bảy trong phần tổng quan, đề tài nghiên cứu tập trung

vào các 2 tiêu chính như sau:

e Khao sát và phân tích ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép, cốt đai và lực dọctrục trong cột đến ứng xử nút dầm-cột BTCT sử dụng sợi thép chịu tac độngcủa tải trọng ngang bằng phương pháp phan tử hữu hạn

e Xây dựng mô hình dự đoán khả năng kháng cắt của nút dưới tác động của tảitrọng ngang theo phương pháp thanh chống-giằng

3.2 Ý nghĩa nghiên cứu3.2.1 Ý nghĩa khoa họcCác mô hình dùng để xác định khả năng chịu lực của nút khung chịu tải trọng nganghiện nay chỉ được dùng cho BTCT truyền thống Do ứng xử của vật liệu bê tông vàbê tông sợi thép có nhiều khác biệt cơ bản (bê tông sợi thép có cường độ chịu kéolớn hơn, dẽo dai và có kha năng hap thụ năng lượng tốt hơn nhiều so với bê tôngthường, cũng như sợi thép làm tăng tính bám dính của cốt thép thanh với bê tông),cho nên việc áp dụng một cách máy móc các mô hình này cho trường hợp nút dam-cột bê tông sợi thép có thể cho kết quả kém chính xác Từ đó, việc xây dựng mộtmô hình riêng để tính toán khả năng chịu lực của nút khung có sử dụng sợi thép cóthé giúp cho việc tính toán khả năng chịu lực của các nút khung loại nay trở nên

chính xác và hợp lý hơn.

3.2.2 Y nghĩa thực tiễnGiải pháp sử dung sợi thép trong nút khung dam cột trong thiết kế chịu tải trọng

ngang đã chứng tỏ được tính hiệu quả trong việc cải thiện ứng xử và khả năng chịu

lực của nút Trước thực trạng số lượng các nghiên cứu về ứng xử của nút khung bêtông sợi thép còn rat hạn chế, kết quả từ nghiên cứu này cung cấp thêm những hiểu

biệt mới vê ứng xử của nút dâm-cột bê tông sợi thép và làm tiên dé cho việc tính

toán thiết kế, ứng dụng vao thực tiễn Ngoài ra, xét về mặt thi công, tại nút khung sốlượng các thanh thép dọc và ngang giao nhau rất lớn, việc sử dụng sợi thép có thểgiúp giảm hàm lượng cốt đai tại đây, tạo thuận lợi cho thi công mà vẫn đảm bảođược yêu cau chịu lực.

3.3 Nội dung nghiên cứuDé đạt được các mục tiêu nghiên cứu đã đê xuât ở trên, dé tài tiên hành thực hiệncác nội dung chính như sau:

"Tìm hiểu mô hình vật liệu của bê tông, bê tông cốt sợi, cốt thép; mô hìnhphân tử; mô hình phá hoại của bê tông và cốt thép

=" Thuc hiện mô phỏng sô băng phan mêm Abaqus đê nghiên cứu ứng xử của

nút dầằm-cột BTCT sử dụng sợi thép chịu tải ngang:e Phan tích ứng xử của nút qua quan hệ lực ngang và chuyên vị của nút

khung, hình thái vết nứt và kiểu phá hoại của nút;

e Phân tích và đánh giá ảnh hưởng của hàm lượng thép dai và hàm

lượng cốt sợi đến khả năng chịu lực của nút, khả năng biến dạng dẻo

Chương 4 MO HÌNH PHAN TU HỮU HAN

4.1 Mô hình phan tử, ràng buộc, điều kiện biên, điều kiện tai trọng, phi

tuyên vật liệu và hình học.

Luận văn này sử dụng chương trình phan tử hữu hạn Abaqus ver 6.10.01 dé môphỏng ứng xử của nút dđầm-cột BTCT có hoặc không có sợi thép Mô hình PTHH3D được sử dụng, ứng xử phi tuyến của vật liệu và phi tuyến hình học được xétđến để đánh giá đúng ứng xử thực tế của kết câu và đảm bảo độ tin cậy của kết

quả Abaqus là công cụ mạnh mẽ trong việc mô phỏng va phân tích đa dạng các

loại kết câu Nó cung cấp nhiều loại phan tử, mô hình vật liệu và hình thức tương

tác.

Chương này sẽ mô tả một cách tổng quát về phan tử khối (continuum element),phan tử thanh (truss element); mô hình vật liệu thép và bê tông: ràng buộc dính vànhúng (tie and embedded constraints), rang buộc coupling va tương tác tiếp xúc(contact interaction); điều kiện biên, điều kiện tải trọng và các bước phân tích

(step).

4.1.1 Phần tử khốiThư viện phan tử khối (Solid) trong Abaqus/Standard gồm phan tử nội suy bậcmột, bậc hai và bậc hai hiệu chỉnh trong một, hai và ba chiều; cũng như cung cấpphan tử tích phân thu gon (reduced integration) và tích phân toàn phan (fullintegration) Phan tử khối C3D8R lấy từ thư viện phan tử được sử dung cho dam,cột bê tông và tâm đệm thép

Phan tử C3D8R (Continuum, 3D, 8-node linear brick, reduced integration,hourglass control) là dang phan tử luc diện tuyến tính, giống hình viên gach (Hình4.1) Đây là dạng phan tử tích phân thu gọn giúp làm giảm bậc của ma trận độ cứngphan tử nhưng vẫn giữ nguyên được ma trận khối lượng va véc-tơ tải lực, phan tửđược tích hợp điểm tích phân giữa phan tử vi vậy tránh được việc sử dung phan tử

bậc cao; nhờ đó vẫn đảm bảo độ chính xác tính toán và giảm được thời gian tính

toán đặc biệt trong bài toán 3D.

Ten xơ ứng suât và biên dạng của phân tử này có dạng:

01, Ơi, Ơi; &) 12 13Oo = On O73 |, €= 22 23

SYM om SYM &

4.1.2 Phần tử thanhPhan tử thanh (truss element) chỉ chịu tải kéo hoặc nén, không có khả năng khánguốn Do vậy, chúng thường được mô phỏng khung dàn, cáp hay lò xo, cũngnhư cốt thép nằm trong các phân tử khác (Abaqus, 2010)

Mô phỏng dùng phan tử T3D2 (Truss-3D-2 nodes) để mô phỏng thép thanhtrong dầm và cột Phần tử T3D2 là loại phần tử thanh dàn, có 2 nút, mỗi nút có 3bậc tự do, chỉ có thành phan biến dang doc trục Hai nút tương ứng với 2 khớp, dovậy chỉ có chuyển VỊ thăng và vec-to vị trí ban đầu tại mỗi nút được sử dụng độc

lập với nhau Phân tử chỉ có ứng suât dọc trục ø,, và biên dạng doc trục £,,.

2- node element

(a) Phan tử C3D8R (b) Phan tử T3D2

Hình 4.1 Phẩn tir Abaqus sử dung

4.1.3 Ràng buộc

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

nghiên cứu này, ràng buộc Tie và ràng buộc Coupling được sử dụng.

Rang buộc Tie có thé được dùng để ngăn can chuyển vị thang, chuyển vị xoay,cũng như làm cho các bậc tự do khác trên các cặp mặt tiếp xuc bang nhau Theomặc định, những nút trên hai mặt phang gan sát nhau mới được ghép “Tie” Khi đó,

một mặt sẽ là mặt chính “master surface” và mat còn lại là mặt lệ thuộc “slave

surface” Rang buộc, Tie được dùng để mô ta quan hệ tiếp xúc giữa hai loại bêtông khác nhau (bê tông cốt sợi và bê tông thường), dâm hoặc cột và tâm théptruyện tải

Rang 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 chontự động băng cách chọn bề mặt và vùng ảnh hưởng tùy chon Rang buộc couplingđể kết nối các nút trên tâm truyén tải với điểm tham chiếu mà thông qua đó tảitrọng tập trung được gan vào Khi đó lực tac dụng sé được phan phối trên một diệntích rộng hơn dé tránh ứng suất cục bộ tại vị trí đặt lực

Ngoài ràng buộc dựa vào bề mặt (surface-based constraints), kỹ thuật ràng buộcnhúng phan tử “embedded element technique” cũng được sử dung Rang buộcnay được dùng để nhúng phan tử hoặc nhóm phan tử vào trong nhóm phan tử chủ“host elements” Abaqus tìm kiếm quan hệ hình học giữa các nút của phần tử đượcnhúng (embedded element) và phan tử chủ Nếu 1 nút của phan tử nhúng năm giữa1 phan tu chu , bac tu do chuyén VỊ thăng của nút được loại bỏ và nút này trở thànhnút được nhúng (embedded node) Chuyển vị thăng của nút được nhúng ràngbuộc theo những giá trị nội suy của chuyển vị thăng tương ứng của phan tử chủ.Phân tử nhúng cũng có chuyển vị xoay, nhưng không được ràng buộc bởi kỹ thuậtnhúng này Trong nghiên cứu nay, phan tử thanh T3D2 đại diện cho cốt thép đượcnhúng vào phan tử chủ là dầm và cột bê tông C3D8R

4.1.4 Điều kiện biênĐiều kiện biên được xây dựng theo mô hình thí nghiệm Ba trục tọa độ X, Y, Z đạidiện cho 3 trục 1, 2, 3 trong mô hình Tâm đệm thép với độ cứng lớn đặt ở vi trí

các gôi tựa và vi trí đặt tải trọng dé mô tả đúng như điêu kiên biên của nút khi thínghiệm Bê mặt tiêp xúc giữa tâm đệm thép va cau kiện được gan ràng buộc Tie.

4.1.5 Điều kiện tải trọngTải trọng tập trung kết hop với ràng buộc coupling sẽ được gan vao vị trí đặt lực,thông quan tâm truyền tải với độ cứng lớn, áp lực truyền vao nút trên 1 diện tíchrộng để tránh ứng suất cục bộ Các bước đặt tải cũng được mô phỏng đúng so vớithực nghiệm: gắn điều kiện biên — gắn tải trọng đứng (nếu có) — gia tải từng bước

theo thời gian tải trọng ngang.

4.1.6 Phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình họcỨng xử phi tuyến của vật liệu (bê tông và cốt thép) được xét đến thông qua môhình vật liệu như Mục 4.2 và đường cong quan hệ ứng suất - biễn dạng của vậtliệu sẽ được khai báo xấp xỉ bằng nhiều điểm vào chương trình Abaqus ví dụ như

Hình 4.2.

Concrete Damaged Plasticity

Plasticity |, Compressive Behavior || Tensile Behavior

Use strain-rate-dependent data lv Suboptions|

Use temperature-dependent data

Number of field variables: 0°

Data

Yield Inelastic =Stress Strain

1 12.747 02 22.801 8E-0053 27.258 0.0004 74 28.338 0.00066

5 28.613 0.000856 2865 0.000967 28.313 0.001368 21.244 0.0019 x

OK Í Cancel |

Hình 4.2 Khai bdo ứng xứ nén cua bê tông trong Abaqus

Ứng xử phi tuyến hình học: xét đến hiệu ứng P-delta Hình 4.3 sẽ được Abaqus

thực hiện phân tích trong các bước phân tích khi được kích hoạt như Hình 4.4.

(This setting controls the inclusion of nonlinear effects@ On Of large displacements and affects subsequent steps.)

Êoseeeeee

Automatic stabilization: None x

Include adiabatic heating effects

Hình 4.4 Khai bdo xét ứng xứ phi tuyên hình hoc của két cau4.2 Mo hình vật liệu

4.2.1 Mô hình phá hoại của bề tông

Trong Abaqus có ba mô hình vật liệu mô phỏng ứng xử phi tuyến của vật liệu bêtông Mô hình bê tông vết nứt phân tán (concrete smeared cracking), mô hình vếtnứt don (brittle cracking) dựa trên phương pháp vết nứt phân tán (smeared crack

aproach) va mô hình bê tông phá hoại dẻo (concrete damaged plasticity) Mô hình

thứ 3 này được sử dụng dùng để mô phỏng trong luận văn này Mô hình bê tông pháhoại dẻo được nhiều tác giả (Obaidat, 2010; Richard, 2006 ) dùng để mô phỏngứng xử của bê tông và cho kết quả khá chính xác Mô hình sử dụng tiêu phá hoạiđược đề nghị bởi Lubliner và cộng sự (1989) được hiệu chỉnh bởi Lee và Fenves

(1998) như hàm (4.1) và Hình 4.5, và luật chảy dẻo (plastic flow) của Prager (1952) như hàm (4.2) Mô hình mô phỏng mặt phá hoại do nứt hay nén vỡ

Drucker-của bê tông dưới tác động Drucker-của các ứng suất nén / kéo ba chiều Mô hình Lubliner vàcộng sự (1989) có thể tiên đoán phá hoại của vật liệu bê tông mà cả hai kiểu pháhoại do nứt hay nén vỡ đều được xét đến Hai thông số cường độ can thiết của môhình là cường độ bê tông chịu nén và kéo một phương để xác định mặt phá hoại củabê tông do trạng thái ứng suất không gian gây ra

l-a

uniaxial tension ¡ø,

(q- 3ap +Bổ,) =f,

XÃ4 ⁄

Hình 4.5 Mat pha hoại cua bê tông theo mô hình cua Lubliner và cộng sự (1989)

G= VAGin tan )2 + g —ptanw (4.2)Các tham số trong (4.1) và (4.2) là:

a= (Fo! Soo) =! ;0<øz<05

2 foo! foo)!

_3(0-K,)72K -I

ƒ,„ / ƒ„: tỉ sô giữa ứng suât nén cực hạn đa trục và ứng suât nén cực han doc trục.7, : ứng suât kéo cực hạn dọc trục.

— T

p= = =— (2 ‡ > +0) : Ap lực thủy tinh (hydrostatic pressure stress).

q= +s 7S =3), : Ung suất hiệu quả tương đương Mises (Mises equivalent

effective stress); J, = đi + Ø2 +ءػ;

—— ~? z L4 L4

Ø,(£‹ ): là ảnh hưởng cua ứng suât nén cô kết (compressive cohesion stress)

Z(.) : là ảnh hưởng của ứng suất kéo cô kết (tensile cohesion stress)

K : tỷ lệ ứng suất lệch bat biến (deviatoric stress invariant ratio)

ự⁄/: góc giãn nở (dilation angle)

Trong trường hợp bài toán 3D, tỉ số giữa ứng suất nén cực hạn đa trục và ứng suấtnén cực hạn dọc trục lây bang 1.16, góc giãn nở (dilation angle) 30° và tỷ lệ ứngsuất lệch bat bién (deviatoric stress invariant ratio) là 2/3 theo Abaqus (2010)

4.2.2 Bê tông thường

4.2.2.1 Ứng xử nénBê tông chịu nén được xem như vật liệu đàn dẻo và có ứng xử giảm bên (strainsoftening) Quan hệ giữa ứng suất và biến dang được xem như đàn hồi khi ứng suấtbé hơn 0.4/; và phi tuyến khi ứng suất lớn hơn 0.4/ˆ (Hình 4.6)

Phương trình quan hệ ứng suất - biến dạng, các thông số về biến dạng khi nứt vàbiến dang cực hạn theo CEB FIB Model Code (2010) như sau:

om [ kxn-n: VỚI €,<€,,

f a)