Mô phỏng ứng xử liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép

Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông CFST được sử dụng phổ biến trong kết cấu nhà cửa ở nhiều nước trên thế giới và tiến đến thay thế cho cột bê tông cốt thép truyền thống vì những tính năn

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THÀNH NHÂN

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC

Phản biện 1: PGS TS Phạm Thanh Tùng

Phản biện 2: TS Lê Anh Tuấn

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công

nghiệp họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 07 tháng 07

năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa

 Thư viện khoa Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và

Công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, các công trình nhà cao tầng được sử dụng nhiều ở Việt Nam Việc sử dụng hệ kết cấu hợp lý sẽ đem lại hiệu quả cao về mặt kết cấu cũng như khả năng khai thác cho công trình

Với nhà cao tầng, việc giảm chiều cao nhà sẽ giảm đáng kể tác động của tải trọng ngang cho công trình Kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) được xem là hiệu quả cho việc giảm chiều cao tầng nhưng vẫn đảm bảo khoảng thông thủy sử dụng Ngoài ra, việc sử dụng kết cấu sàn phẳng BTCT sẽ thuận lợi cho việc thi công, rút ngắn thời gian xây dựng, thuận lợi cho việc bố trí đường ống thiết bị

kỹ thuật, dễ dàng thông gió và linh hoạt bố trí mặt bằng Do đó sử dụng hệ kết cấu sàn phẳng BTCT là hợp lý cho nhà cao tầng

Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) được sử dụng phổ biến trong kết cấu nhà cửa ở nhiều nước trên thế giới và tiến đến thay thế cho cột bê tông cốt thép truyền thống vì những tính năng vượt trội về mặt kỹ thuật như có độ cứng lớn, cường độ cao, độ dẻo, khả năng phân tán năng lượng tốt và độ chống cháy cao Về mặt công nghệ cột ống thép nhồi bê tông dễ thi công, không cần hệ thống coffa nên rút ngăn được thời gian thi công xây dựng công trình, đặc biệt loại cột này sẽ phát huy hiệu quả trong thi công tầng hầm bằng phương pháp top – down Do đó kết cấu cột ống thép nhồi bê tông là giải pháp thích hợp cho việc thay thế cột bê tông cốt thép truyền thống trong kết cấu nhà cao tầng

Từ phân tích trên xét thấy việc kết hợp hai loại kết cấu sàn phẳng BTCT và cột ống thép nhồi bê tông cho kết cấu nhà cao tầng

sẽ đem lại hiệu quả cao về mặt kinh tế, kỹ thuật Tuy nhiên vấn đề lớn nhất khi kết hợp hai loại kết cấu này đấy là liên kết giữa chúng,

hiện nay các nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc đề xuất liên kết và tiến hành thí nghiệm đánh giá độ tin cậy của liên kết chứ chưa có những

mô phỏng và phân tích cụ thể về ứng xử của liên kết (trạng thái ứng suất và cơ chế phá hoại), mức độ ảnh hưởng các chi tiết cấu tạo đến

sự làm việc của liên kết Do đó việc mô phỏng liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột ống thép nhồi bê tông là cần thiết nhằm cung cấp một cơ sở lý luận chi tiết về ứng xử của liên kết giúp người thiết kế hiểu rõ bản chất làm việc để cấu tạo chi tiết liên kết hợp lý và đó là lý

do để thực hiện luận văn với đề tài “Mô phỏng ứng xử liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép”

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu tổng quan về cột CFST và sàn phẳng BTCT, liên kết giữa CFST với sàn phẳng BTCT;

Nghiên cứu mô phỏng liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT bằng phần mềm ABAQUS;

So sánh kết quả mô phỏng bằng ABAQUS với thí nghiệm; Khảo sát sự ảnh hưởng của tấm thép chịu cắt đến sự làm việc của kết cấu

3 ối tư ng ph m vi nghiên cứu

ối tượng nghiên cứu Cột CFST và sàn phẳng BTCT

hạm vi nghiên cứu ô phỏng liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông, sàn phẳng BTCT;

Nghiên cứu mô phỏng sử dụng phần mềm ABAQUS

1 Tính cấp thiết của đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

3 ối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 hương pháp nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan về kết cấu cột CFST, sàn phẳng BTCT

và liên kết giữa cột CFST với sàn phẳng BTCT

Chương 2: Mô phỏng sự làm việc của liên kết bằng ABAQUS Chương 3: hân tích, đánh giá kết quả mô phỏng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CỘT CFST, SÀN PHẲNG BTCT VÀ LIÊN KẾT

1.1.2 Phân lo i cột ống thép nhồi bê tông

Dạng tiết diện phổ biến nhất của cột CFST là tiết diện mà bê tông được nhồi vào phần rỗng bên trong ống thép có dạng hình tròn (Circular Hollow Section - CHS), hay cột có tiết diện rỗng hình vuông (Square Hollow Section - SHS) hoặc cột có tiết diện rỗng hình chữ nhật (Rectangular Hollow Section - RHS)

1.1.3 Ƣu điểm,nhƣ c điểm của cột ống thép nhồi bê tông

a) Ưu điểm

ộ bền của lõi bê tông (lớp vỏ thép với chức năng như lớp áo bọc chặt bên ngoài) đã được tăng khoảng 2 lần so với độ bền của bê tông thường [1]

Cách sắp xếp vật liệu trên trên mặt cắt ngang làm tối ưu cường

độ và độ cứng của cấu kiện Cốt thép được phân bố ở chu vi ngoài cùng của tiết diện nên phát huy hiệu quả làm việc cao nhất khi chịu mô men uốn.Bê tông tạo một lõi lý tưởng để chống lại tải trọng nén trong quá trình làm việc, trì hoãn và chống lại sự bất ổn định cục bộ của ống thép đặc biệt các cấu kiện có tiết diện hình vuông hoặc chữ nhật [2] Ngoài ra, ống thép cản trở biến dạng nở hông của lõi bê tông làm tăng cường độ chịu nén và độ dẻo dai đối với cấu kiện CFST;

Việc nhồi bê tông vào trong ống thép làm nâng cao độ chống

ăn mòn bên trong ống thép, làm giảm độ mảnh, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả năng chống móp méo của vỏ ống thép khi va đập [1];

Giá thành tổng thể của công trình làm bằng kết cấu ống thép nhồi bê tông nói chung nhỏ hơn nhiều so với giá thành của công trình tương tự làm bằng kết cấu bê tông cốt thép hay kết cấu thép thông thường Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn so với kết cấu bê tông do đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn đồng thời làm giảm tải trọng xuống móng Kết cấu ống thép nhồi bê tông kinh tế hơn so với kết cấu bê tông cốt thép vì không cần ván khuôn, giá vòm, đai kẹp và các chi tiết đặt sẵn, nó có sức chịu đựng tốt hơn

ít hư hỏng do va đập Do không có cốt chịu lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tông với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỉ lệ N/X có thể lấy nhỏ hơn) và sẽ dễ dàng đạt chất lượng bê tông cao hơn [1],[2]

dầm bê tông cốt thép hay dầm thép Các ứng xử, cơ chế làm việc, trạng thái phá hoại liên kết chưa được hiểu rõ do đó gây ra không ít những khó khăn cho tính toán thiết kế cấu tạo liên kết;

Hiện nay, các hạn chế tồn tại của loại kết cấu CFST tiếp tục được nghiên cứu để dần dần hoàn thiện các yêu cầu về mặt cấu tạo, lý thuyết tính toán cũng như nhận thức sâu hơn về ứng xử của loại kết cấu này

1.2 TỔNG QUAN CÁC LOẠI SÀN PHẲNG BTCT

1.2.1 Sàn phẳng BTCT thường

Là hệ thống chịu lực theo một hoặc hai phương được kê trực tiếp lên cột hoặc tường chịu lực Nó là một trong những dạng kết cấu sàn phổ biến nhất trong các tòa nhà iểm đặc biệt của loại sàn này là chiều dày không đổi hoặc gần như không đổi tạo ra mặt phẳng phía dưới của sàn dẫn tới sự đơn giản trong việc làm cốt pha

và thi công Sàn này cho phép linh hoạt trong việc tạo vách ngăn và

có thể không cần phải sử dụng trần giả

1.2.2 Sàn phẳng bê tông ứng suất trước

Trong cấu kiện bê tông ứng suất trước, bằng cách đặt vào một lực nén trước tạo bởi lực kéo cốt thép, nhờ tính đàn hồi, cốt thép có xu hướng co lại tạo nên lực nén trước và gây ra ứng suất trước trong bê tông.Ứng suất nén trước trong bê tông sẽ triệt tiêu hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng sử dụng gây ra Do đó, khả năng chịu kéo của bê tông được nâng cao và hạn chế sự phát triển vết nứt Ứng suất trước chính là việc tạo cho kết cấu một cách có chủ ý các ứng suất tạm thời nhằm tăng cường sự làm việc của vật liệu trong các điều kiện sử dụng khác nhau Nói cách khác trước khi cấu kiện chịu tải trọng sử dụng cốt thép đã bị căng trước còn

bê tông đã bị nén trước [3]

1.2.3 Sàn Bubbledeck

Sàn Bubbledeck là loại sàn sử dụng các quả bóng rỗng từ nhựa tái chế để thay thế phần bê tông không hoặc ít chịu lực ở giữa chiều cao tiết diện sàn Ở bên trên và bên dưới của quả bóng được gia cường bằng các lớp lưới thép được tính toán cụ thể Các quả bóng nhựa có vai trò giảm thiểu phần bê tông không cần thiết đối với khả năng chịu lực của kết cấu sàn, giảm nhẹ trọng lượng của sàn, cải thiện các khả năng cách âm, cách nhiệt

1.2.4 Sàn U-boot Beton

U-boot Beton là sản phẩm công nghệ sàn nhẹ của hai tập đoàn Daliform Group (Italy) và eikko Group ( hần Lan) sử dụng các khối nhựa tái chế polypropylen để thay thế phần bê tông không hoặc ít tham gia chịu lực ở thớ giữa của bản sàn, giúp giảm trọng lượng kết cấu, giảm kích thước hệ cột, vách, móng, tường, vách chịu lực và tăng khoảng cách lưới cột Bản sàn U-boot Beton

là loại kết cấu rỗng, phẳng, không dầm, liên kết trực tiếp với hệ cột, vách chịu lực nên có nhiều ưu điểm về mặt kỹ thuật và kinh

tế Ngoài ra bản sàn U-boot Beton còn là một sản phẩm cải tiến của BubbleDeck

1.3 TỔNG QUAN VỀ LIÊN KẾT GIỮA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

Jin-Won Kim (2014) [5] tiến hành nghiên cứu thực nghiệm liên kết cột CFST và sàn phẳng BTCT dựa trên các điều khoản thiết

kế của tiêu chuẩn ACI 318-11[6]

Cheol-Ho Lee (2007) [7] đã nghiên cứu cường độ chịu cắt thủng và ứng xử sau chọc thủng của liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT

Tại hội nghị thế giới về kĩ thuật động đất lần thứ 13 tại Vancouver B.C, Canada, Hiroki Satoh (2004) [8] đã công bố kết quả

về nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu tải của liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT

1.4 TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI SÀN PHẲNG BTCT

P.Y Yan, Y.C Wang (2016) [9] đề xuất liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT, tiến hành thí nghiệm, và xác thực kết quả thí nghiệm bằng mô phỏng sử dụng phần mềm ABAQUS

Young K Ju (2013) [10]dựa trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm các liên kết giữa cột CFST và sàn BTCT mà các tác giả trước

đó đã nghiên cứu và thí nghiệm Tác giả đã đề xuất một liên kết mới với tấm thép được hàn vào cột và có chừa các lổ ren để nối với thép chờ, các thép chờ này được nối ren với cốt thép thường của sàn và sau đó đổ bê tông ồng thời tác giả sử dụng phần mềm ANSYS để phân tích sự làm việc của kết cấu

Y Su, Y.Tian (2010) [11] nghiên cứu thực nghiệm liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép dưới tác dụng của tải trọng động và xác thực kết quả thí nghiệm bằng mô phỏng sử dụng phần mềm DIANA v9.3

+ Tổng quan về mối liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT

+ Tổng quan về mô phỏng liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT;

Qua tổng quan nhận thấy các nghiên cứu hiện nay về liên kết giữa cột CFST với sàn phẳng BTCT chủ yếu là các thực nghiệm, chưa có nhiều nghiên cứu về việc mô phỏng sự làm việc của liên kết Nhìn chung các liên kết đề xuất đều đảm bảo yêu cầu đặt ra cho một liên kết(độ bền, độ cứng và tính thi công thuận lợi), tuy nhiên cấu tạo vẫn còn phức tạp.Vì vậy, việc sử dụng phần mềm ABQUS để mô phỏng cấu tạo và khảo sát chi tiết hơn ứng xử của từng bộ phần trong liên kết là cần thiết

bê tông, (2) Cốt thép sàn neo vào cột, (3) Tấm thép chịu cắt xuyên cột, (4) Cốt thép đai bọc tấm thép, (5) khoan lỗ sẵn trên mặt cột để neo cốt thép vào cột

Hình 2.1 Cấu tạo liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT[4]

2.2 MÔ PHỎNG LIÊN KẾT BẰNG ABAQUS

2.2.1 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS

2.2.2 Xây dựng mô hìnhcho liên kết

ABAQUS sẽ mô phỏng các bộ phận này dưới dạng các phần tử phản ánh phù hợp nhất với trạng thái làm việc thực của nó

Bảng 2.1 Các loại phần tử mô phỏng trong liên kết

mô phỏng Sàn bê tông 2.800 x 2.800 mm

2

dày

Cột thép hộp CFST 300 x 300 mm2 dày 9 mm C3D8R Lõi Bê tông cột

2

C3D8R Tấm sườn thép 100 x 400 mm2 dày 15 mm C3D8R

Cốt thép Ø10, Ø12

Dài 2800 mm (riêng cốt thép neo dài 1.250mm, đoạn neo thép dài

300 mm)

T3D2

Trong ABAQUS mỗi cấu kiện được xây dựng trong hệ tọa độ cục

bộ của nó ( art), độc lập trong mô hình Chức năng (Assembly) sử dụng để lắp ghép các cấu kiện rời rạc tạo thành một mô hình hoàn chỉnh như Hình 2.2

Hình 2.2 Mô phỏng 1/4 liên kết đề xuất giữa cột CFST và sàn phẳng

BTCT [4]

2.2.3 Mô hình vật liệu trong Abaqus

Trong ABAQUS miền đàn hồi của bê tông được khai báo bởi

mô đun đàn hồi E và hệ số Poisson μC cho trong Bảng 2.2

Bảng 2.2 Thông số miền đàn hồi của bê tông

Bảng 2.3 Thông số mô hình phá hoại dẻo

a) Mối quan hệ ứng suất – biến dạng b) Mối quan hệ phá hoại – biến dạng Hình 2.3 Các đường cong quan hệ bê tông vùng chịu kéo

a) Mối quan hệ ứng suất – biến dạng b) Mối quan hệ phá hoại – biến dạng Hình 2.4 Các đường cong quan hệ bê tông vùng chịu nén

Vật liệu thép sử dụng là mô hình đàn hồi - dẻo để mô tả ứng xử,

mô đun đàn hồi của thép là Es= 2,1.105 MPa, hệ số Poisson là 0,3 Ống thép và tấm thép chịu cắt chọn thép có cường độ giới hạn chảy tương

ứng là fy = 220 MPa Thép dọc chịu lực và cốt thép đai trong dầm có cường độ giới hạn chảy tương ứng là fy = 350 MPa

Trong mô phỏng, để kết cấu làm việc đồng thời, các bộ phận của kết cấu phải liên kết với nhau Có nhiều hình thức liên kết được ABAQUS cung cấp như tương tác bề mặt (Contact Surface to surface), liên kết nhúng (Embedded element), liên kết ràng buộc (Tie) Như vậy, việc lựa chọn liên kết sẽ quyết định nhiều đến kết quả mô phỏng Trong Bảng 2.4 là các hình thức tương tác sử dụng cho kiên kết giữa cột CFST- sàn phẳng BTCT

Bảng 2.4 Các dạng tương tác sử dụng trong mô phỏng

Cấu kiện Dạng tương tác Cấu kiện tương tác Sàn BTCT Surface to surface Cột CFST

Cột thép hộp CFST Surface to surface Lõi Bê tông

Cốt thép Ø10, Ø12 Embedded element Sàn BTCT

Cốt đai Ø10 Embedded element Sàn BTCT

ể có được kết quả đạt độ chính xác cao, việc chia nhỏ phần tử

là cần thiết Do liên kết được tạo nên bởi các phần tử khác nhau nên kích thước phần tử được lấy sao cho phù hợp nhất để kết quả phân tích được hợp lý và không làm tốn nhiều tài nguyên máy tính

Bảng 2.5 Kích thước chia nhỏ phần tử

Kích

thước

Sàn BTCT

Cột thép CFST

Lõi

Bê tông

Cốt thép

Cốt thép đai

Tấm sườn thép

2.2.4 Gán điều kiện biên cho kết cấu

Sau khi chia lưới, tiến hành điều kiện biên và gán tải trọng cho mô hình Trong mô hình này, gán điều kiện biên là tựa khớp xung quanh chu vi sàn Tải trọng được áp dụng theo phương pháp gia tải bằng cách tăng dần chuyển vị tại chân cột như Hình 2.6

Hình 2.6 Điều kiện biên, điều kiện chuyển vị cho kết cấu

2.3 TRÌNH TỰ THỰC HIỆN CÁC BƯỚC MÔ PHỎNG TRONG ABAQUS

2.3.1 Xây dựng cấu kiện

2.3.2 ịnh nghĩa vật liệu và thuộc tính mặt cắt

theo phương đứng U3=0)

( ối xứng hệ kết cấu qua trục

X XSYMM (U1=UR2=UR3=0)

( ối xứng hệ kết cấu qua trục Y YSYMM (U1=UR2=UR3=0)