NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG LIÊN HỢP DẦM THÉP CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG LẶP_ThS. Lê Đăng Dũng, ThS. Đặng Việt Tuấn, TS. Nguyễn Xuân Huy

Bài báo trình bày về nghiên cứu thực nghiệm đối với nút khung biên liên hợp liên kết giữa dầm thép với cột bê tông cốt thép (BTCT). Một mô hình mẫu tỉ lệ 11 được tiến hành thí nghiệm chịu tải trọng lặp trên hệ thống tường phản lực tại Trường Đại học Giao thông vận tải. Cấu tạo nút khung gồm một đoạn thép hình đặt trong cột BTCT và hàn với dầm thép được thiết kế dựa theo các Tiêu chuẩn Eurocode 3, Eurocode 4. Chi tiết về kết quả thí nghiệm được trình bày cụ thể giúp hiểu hơn về ứng xử của nút khung liên hợp chịu tải trọng lặp trên các phương diện khác nhau.

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG LIÊN HỢP DẦM THÉPCỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG LẶP EXPERIMENTAL STUDY ON THE BEHAVIOUR OF REINFORCED CONCRETE COLUMN- STEEL BEAM JOINT SUBJECTED CYCLIC LOADING ThS Lê Đăng Dũng, ThS Đặng Việt Tuấn, TS Nguyễn Xuân Huy ABSTRACT In this paper, experimental investigations on exterior RCS (Reinforced concrete- steel) specimen are presented The experimental research consisting of a full-scale RCS joint was carried out at University of Transport and Communication to study the cyclic behavior The specimen in which a steel profile totally embedded inside RC column is directly welded to the steel beam was designed according Eurocode Standards Details of the test results are discussed to understand the specimens’ seismic performance in terms of general behavior, hysteresis loops response, and strain profiles of long-itudinal reinforcement ThS Lê Đăng Dũng Giảng viên, Viện Kỹ Thuật Xây Dựng , Trường Đại h ọc Giao thông Vận tải Email: ledangdung@utc.edu.vn Điện thoại: 0986 354 689 Ths Đặng Việt Tuấn Giảng viên, Viện Kỹ Thuật Xây Dựng , Trường Đại h ọc Giao thông Vận tải Email: dangviettuan@utc.edu.vn Điện thoại: 0963 291 163 TS Nguyễn Xuân Huy Giảng viên, Viện Kỹ Thuật Xây Dựng , Trường Đại h ọc Giao thông Vận tải Email: nguyenxuanhuy@utc.edu.vn Điện thoại: 0973 223 400 Giải pháp đưa báo sử dụng đoạn thép hình đặt cột BTCT Dầm thép liên kết với đoạn thép hình truyền lực từ dầm vào cột thông qua đoạn thép hình Do không tập trung khu vực nút mà đoạn thép hình kéo dài phía cột nên ứng suất không tập trung nút mà phân tán vùng xung quanh Điều giúp cải thiện khả làm việc thay đổi dạng phá hoại nút khung Nút khung thiết kế tiến hành thí nghiệm chịu tải trọng lặp hệ thống tường phản lực Trường Đại học Giao thông vận tải Các kết minh chứng hiệu đề xuất làm rõ ứng xử cục nút khung liên hợp chịu tải trọng lặp Thí nghiệm nút khung chịu tải trọng lặp 2.1 Giới thiệu chi tiết mẫu thí nghiệm Mẫu thí nghiệm nút biên khung liên hợp dầm thépcột BTCT Mẫu thiết kế theo [5], [6], [7] chế tạo với tỷ lệ 1-1 (Hình 1) Cột BTCT có kích thước mặt cắt ngang 400 × 400mm Cốt thép dọc sử dụng cho cột 8D25 Cốt đai sử dụng cho cột D10 Khoảng cách cốt đai chia làm hai vùng, vùng mặt cắt ngang cột có thép hình khoảng cách cốt đai 70mm , vùng cột mà mặt cắt có BTCT, cốt đai bố trí với khoảng cách 100mm (Hình 3) Riêng vùng giao dầm cột, cốt đai sử dụng 3D16 Dầm thép sử dụng cho mẫu thí nghiệm thép hình chữ I cán nóng, có kích thước tiết diện 300 × 150 × × 6, 5mm Để tăng cường độ cứng cho dầm, sườn gia cường với chiều dày t = 10 mm hàn với bụng cánh dầm với khoảng bố trí thể Hình Phần thép hình neo vào cột thép cán nóng có tiết diện 150 × 150 × 10 × 7mm Bản bụng thép hình gia cường thép có kích thước 110 × 600 × 7mm đinh chịu cắt hàn trực tiếp bố trí dọc hai bên bụng thép hình neo cột Thép dọc, D25 3600 Kết cấu khung dạng sử dụng rộng rãi dạng sơ đồ kết cấu nhà cao tầng Bên cạnh giải pháp truyền thống khung BTCT túy, việc sử dụng cấu kiện liên hợp ngày phát triển rộng rãi Một giải pháp đáng ý khung liên hợp (gọi tắt RCS) có cột kết cấu bê tông cốt thép (Reinforced concrete - RC) dầm kết cấu thép (steel - S) Khung RCS có nhiều ưu điểm khả chịu lực, thẩm mĩ kinh tế [1], [2] Vị trí nút giao dầm cột sơ đồ kết cấu khung có ứng xử phức tạp Vì vậy, nghiên cứu kết cấu khung RCS hầu hết tập trung vào nghiên cứu ứng xử nút Do có nhiều ưu điểm nên dạng kết cấu có nhiều nghiên cứu Mỹ Nhật Bản Các nghiên cứu trước đưa số dạng cấu tạo cho nút khung RCS [3] Tuy nhiên giải pháp cấu tạo đưa hầu hết chi tiết liên kết tập trung vùng nút Trong đó, phá hoại kết cấu khung thường phá 1150 Giới thiệu A A B B Đinh chịu cắt, D16 Thép đai, D10 Thép hình Mặt cắt C-C D 1300 Bài báo trình bày nghiên cứu thực nghiệm nút khung biên liên hợp liên kết dầm thép với cột bê tông cốt thép (BTCT) Một mô hình mẫu tỉ lệ 1/1 tiến hành thí nghiệm chịu tải trọng lặp hệ thống tường phản lực Trường Đại học Giao thông vận tải Cấu tạo nút khung gồm đoạn thép hình đặt cột BTCT hàn với dầm thép thiết kế dựa theo Tiêu chuẩn Eurocode 3, Eurocode Chi tiết kết thí nghiệm trình bày cụ thể giúp hiểu ứng xử nút khung liên hợp chịu tải trọng lặp phương diện khác hoại nút khung Việc chi tiết liên kết tập trung vùng nút gây ứng xử phức tạp Vấn đề phá hoại tập trung nút khung giải pháp chưa giải triệt để C C D Dầm thép I300x150x6.5x9 Mặt cắt D-D Cột BTCT 400x400 1150 TÓM TẮT Mặt cắt B-B 400 Mặt cắt A-A 1900 Hình Cấu tạo mẫu thí nghiệm Trang 150 150 450 300 150 150 Sườn gia cường, t10 400 400 600 250 Đinh chịu cắt, D16 Tấm gia cường, t7 110x600x7 Dầm thép I300x150x6.5x9 250 Đoạn neo thép hình I150x150x10x7 Hình Chi tiết cấu tạo phần thép hình Hình Các vị trí gắn đầu đo biến dạng 9D10,a100 10D10,a70 10D10,a70 9D10,a100 3D16,a80 Hình Cấu tạo cốt đai cột BTCT 2.2 Vật liệu sử dụng thí nghiệm Cốt thép dọc cột đường kính 25mm cốt thép đai vùng nút đường kính 16mm thuộc cấp độ bền AIII theo quy định Tiêu chuẩn Việt Nam, với cường độ chịu kéo tiêu chuẩn Rsn = 390 MPa Cốt thép đai cột đường kính 10mm thuộc cấp độ bền AII theo Tiêu chuẩn Việt Nam, với cường độ chịu kéo tiêu chuẩn Rsn = 295 MPa Thép hình cán nóng sử dụng làm dầm phần neo cột loại thuộc Mác CCT34 với cường độ giới hạn kẻo chảy 280MPa cường độ kéo đứt 435MPa Đinh chịu cắt (chốt hàn) sử dụng có đường kính 16mm 2.4 Sơ đồ thí nghiệm Hình thể sơ đồ tính mẫu thí nghiệm Trong đó, chân cột đỡ gối cố định; đầu mút dầm đỡ gối di động ngăn cản chuyển vị theo phương thẳng đứng; tải trọng ngang tác dụng dạng đổi chiều (tải trọng lặp) đặt đỉnh cột Để thực điều này, cấu mô tả chi tiết Hình Trong đó, chân cột đỡ cấu ngăn cản chuyển vị theo ba phương x, y, z cho phép chuyển vị xoay không giới hạn quanh trục vuông góc với mặt phẳng khung Một có độ cứng lớn nối khớp xoay dầm gối cố định mặt sàn cho phép mô lại gối di động đỡ dầm sơ đồ tính Hình Bê tông sử dụng để chế tạo mẫu bê tông thường cấp độ bền chịu nén B30 Độ sụt hỗn hợp vữa bê tông 75 ± 25mm Cường độ chịu nén trung bình mẫu thử lăng trụ ngày thí nghiệm 32MPa 2.3 Các thiết bị đo Thiết bị đo lực Lực tác dụng giá trị quan trọng cần thu thập thí nghiệm Giá trị lấy trực tiếp từ loadcell có sẵn đầu kích Tường phản lực Dầm thép I300x150x6.5x9 Khớp xoay Cột BTCT 400x400mm Thiết bị đo biến dạng cốt thép Vết nứt xuất mẫu thí nghiệm quan sát mắt thường đánh dấu bút Gối cố định 140 Để kiểm tra biến dạng cốt thép trình thí nghiệm, cảm biến điện trở dán vào cốt thép dọc, cốt thép đai thép hình vị trí dự đoán có biến dạng lớn (Hình 4) 1680 Đoạn neo thép hình I150x150x10x7 3340 Một cặp đầu đo chuyển vị LVDT đặt vị trí nút để đo biến dạng xoay biến dạng cắt nút (Hình 12a) Đồng thời, đồng hồ đo biến dạng xoay đặt mặt dầm nhằm theo dõi góc xoay dầm thân cột Kích thủy lực 1000kN 1660 Ngoài thu thập liệu chuyển vị đỉnh cột thông qua quãng đường kích, để có thêm liệu so sánh kiểm soát chuyển vị tương đối, đầu đo chuyển vị LVDT với độ dài đo – 200 mm bố trí thêm vị trí chân cột, cột 2/3 chiều cao cột 3200 Thiết bị đo chuyển vị Hình Sơ đồ tính mẫu thí nghiệm 1850 Gối cố định Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm Trang Tại độ lệch tầng 0,85%, xuất thêm vết nứt từ mép cánh dầm chạy ngang mép cột (Hình 10a) Tăng đến độ lệch tầng 1%, xuất vết nứt ngang uốn thân cột phía đối diện với mặt đặt dầm (mặt lưng cột) khoảng 1/3 chiều cao cột (Hình 10b) Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm thực tế a b Hình 10 Hình ảnh vết nứt mẫu thí nghiệm DR 1% Đến độ lệch tầng 1,5% xuất thêm vết nứt xiên nút, vết nứt vuông góc với vết nứt xiên xuất độ lệch tầng 0,75% (Hình 11a) Ngoài xuất thêm số vết nứt dọc ngang thân cột khu vực nút giao cột với dầm Ở mặt lưng cột xuất thêm vết nứt ngang cột khu vực gần với vết nứt ngang xuất lưng cột độ lệch tầng 1% (Hình 11b) Hình Lịch sử gia tải trọng ngang Tải trọng ngang đổi chiều tác dụng lên mô hình thí nghiệm sinh từ kích thủy lực loại 1000kN , với đầu gắn vào tường phản lực đầu gắn với đỉnh cột Lịch sử vòng lặp tác dụng theo chu kỳ sử dụng thí nghiệm thể Hình với tổng số 22 vòng lặp tác dụng vào mẫu thí nghiệm Dải độ lệch tầng tăng dần từ 0,1% đến 2,34% tương đương với chuyển vị đỉnh cột từ 3, 8mm đến 74, 8mm Kết 3.1 Quá trình hình thành vết nứt Mẫu thí nghiệm gia tải đến độ lệch tầng 0,75% vết nứt xuất hiện, vết nứt vết nứt xiên nằm vùng nút giao dầm cột (Hình 9) Hình Hình ảnh vết nứt mẫu thí nghiệm DR 0,75% a b Hình 11 Hình ảnh vết nứt mẫu thí nghiệm DR 1,5% Hình 12 Thể vết nứt mẫu thí nghiệm độ lệch tầng 1,9% tương ứng với chuyển vị đỉnh cột 61,2mm Lực cắt lớn đạt mẫu thí nghiệm độ lệch tầng Ở độ lệch tầng này, mặt hông cột khu vực nút không xuất thêm vết nứt so với độ lệch tầng trước mà xu hướng mở rộng khe nứt (Hình 12d) Ngược lại với vết nứt khu vực nút, tất mặt vùng cột có xuất thêm nhiều vết nứt ngang uốn (Hình 12c, d) Khu vực tiếp giáp dầm thép cột bê tông xuất vết nứt xiên thẳng xuất phát từ mặt dầm thép Nguyên nhân xuất vết nứt thẳng mặt cánh dầm ép vào phần bê tông cột gây tượng nở ngang Đối với vết nứt nghiêng phản ánh hình ảnh vùng bê tông chịu lực nén cục mặt cánh dầm (Hình 12a, b) Hình dạng vết nứt xuất mẫu thí nghiệm phù hợp với sơ đồ chống- giằng giả thiết tính toán làm việc nút [4] Trang a b a b Hình 14 Hình ảnh vết nứt mẫu thí nghiệm DR 2,34% Mô hình thí nghiệm thiết kế theo tiêu chí cột yếu dầm khỏe nên suốt trình thí nghiệm làm việc dầm thép nằm giới hạn đàn hồi Ổn định cục bụng, cánh sườn đảm bảo thiết kế ban đầu 3.2 Quan hệ lực cắt- chuyển vị ngang mô hình thí nghiệm c d Hình 12 Hình ảnh vết nứt mẫu thí nghiệm DR 1,9% Quan hệ lực cắt (chân cột)- chuyển vị ngang (đỉnh cột) mô hình thí nghiệm thể Hình 15 Lực cắt lớn đạt trụ 83,92kN độ lệch tầng 61,2mm (1,9%) Mô hình thí nghiệm bị suy giảm 15% khả chịu lực độ lệch tầng 71,4 (2,23%) bị suy giảm tới 36% khả chịu lực độ lệch tầng 74,8 (2,34%) Tại độ lệch tầng 2,34% phần bê tông vỏ phía dầm thép bị ép vỡ, nguyên nhân khiến mô hình thí nghiệm giảm tới 36% khả chịu lực độ lệch tầng Tại độ lệch tầng 2,34%, vết nứt dọc cột gần phần dầm kéo dài phía mút thép hình cột, vết nứt nối với vết nứt xiên xuất từ mép dầm thép, hình thành mảng vỏ bê tông bị ép vỡ (Hình 13a, b) Cũng độ lệch tầng này, vết nứt ngang thân cột bốn mặt nối lại với mép giống hình ảnh mặt cắt ngang cắt qua thân cột Theo quan sát, vết nứt ngang xuất nhiều phần cột dầm phần bê tông bị ép vỡ nằm phía dầm (Hình 14a, b) Hình 15 Quan hệ lực cắt- chuyển vị ngang 3.3 Biến dạng cốt thép a b Hình 13 Hình ảnh vết nứt mẫu thí nghiệm DR 2,34% Các giá trị biến dạng cốt thép thu thập thông qua cảm biến điện trở gắn vào cốt thép mô hình thí nghiệm theo sơ đồ Hình Theo đó, phần thép hình đặt cột thép dọc cột làm việc giới hạn đàn hồi Biến dạng lớn cốt thép dọc đạt vị trí đặt BDIII, điều giải thích ảnh hưởng độ cứng phần thép hình đặt cột Với cốt đai, tượng chảy dẻo xuất cốt đai đặt BD5 BD6 độ lệch tầng 1,5%, điều phù hợp với sơ đồ tính theo [4] Trang 4 Kết luận Bài báo mô tả chi tiết ứng xử dạng nút khung theo kết thực nghiệm Các kết thực nghiệm mẫu với tỉ lệ 1/1 lần tiến hành Việt Nam cho thấy giải pháp đáng ý cấu tạo đem lại nhiều ưu điểm, cụ thể: Với dạng nút khung BTCT thông thường dạng nút khung liên hợp dầm thép – cột BTCT nghiên cứu trước đây, hình dạng phá hoại nút khung tập trung chủ yếu vùng giao dầm cột Ngược lại, với cách thức cấu tạo nút khung nghiên cứu này, hình ảnh phá hoại nút không tập trung nút mà phân tán vùng xung quanh Điều thể thông qua hình ảnh vết nứt xuất mẫu thí nghiệm không tập trung vùng nút mà phân tán vùng cột phía dầm khu vực đặt đoạn thép hình neo Việc giúp cấu tạo nút khung đơn giản hơn, tránh tập trung hàm lượng lớn cốt thép nút Đồng thời kiểm soát tốt làm việc nút phá hoại nút có xu hướng chuyển phía cột Với dạng cấu tạo mới, vết nứt xuất độ lệch tầng 0,75% thông thường dạng nút khung xuất vết nứt độ lệch tầng 0,5%, minh chứng cho khả làm việc hiệu dạng nút đề xuất báo Mô hình thí nghiệm nghiên cứu thiết kế với tiêu chí cột yếu dầm khỏe nhằm mục tiêu xem xét hình ảnh phá hoại cột BTCT từ có biện pháp cấu tạo phù hợp với yêu cầu chịu lực Vì việc đánh giá độ dẻo, khả tiêu hao lượng suy giảm độ cứng chưa xem xét tới báo Tài liệu tham khảo Griffis, L.G (1986), Some design consideration for composite-frame structure, Engineering Journal 23 Issue 2, 59-64 Sheikh, T.M., Yura, J.A., and Jirsa, J.O (1987), Moment Conections between Steel Beam and Concerete Columns, PMFSEL Report No 87-4, University of Texas at Austin, Austin, Tex Deierlein, D.D., Noguchi, H (2004), Overview of U.S – Japan reseach on seismiec design of composite reinforced concrete and steel moment frame, Journal of Structure Engineering, ASCE 130 Issue 2, 361-367 Nguyễn Huy Cường, Nguyễn Quang Huy, Nguyễn Xuân Huy (2014), Nghiên cứu ứng xử nút khung liên hợp thép – bê tông cốt thép, Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học Kỹ thuật toàn quốc 4/2014, Tập 2, Tr 97-102 EN1992-1-1 (2004), Design of concrete structures-Part 1: General rules and rules for buildings, European Committee for Standardization EN1993-1-8 (2005), Design of steel structures-Part 1.8: Design of joint, European Committee for Standardization EN1994-1-1 (2004), Design of composite steel and concrete structures-Part 1.1: General rules and rules for buildings, European Committee for Standardization Trang