Nghiên cứu khả năng chịu cắt tại liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bẹt bê tông cốt thép

Do đó, việc nghiên cứu liên kết cột biên CFST với sàn phẳng bê tông cốt thép là cần thiết để đưa ra các giải pháp cấu tạo, khảo sát các ứng xử, trạng thái làm việc cũng như cơ chế truyền

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

,

TRẦN QUANG KHẢI

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU CẮT TẠI LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BẸT BÊ TÔNG CỐT THÉP

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình

Dân dụng và Công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC

Phản biện 1: GS.TS PHAN QUANG MINH

Phản biện 2: TS LÊ ANH TUẤN

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng Công trình dân dụng và Công nghiệp

họp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 07 tháng 07 năm

2018

* Có thể tìm hiểu luận văn tại:

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

Bách khoa

- Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng & Công nghiệp,

Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, xu hướng xây dựng nhà cao tầng ngày càng được sử dụng nhiều ở Việt Nam Một hệ kết cấu hợp lý sẽ đem lại ý nghĩa lớn về mặt kĩ thuật và hiệu quả sử dụng cho công trình Đối với nhà nhiều tầng, khi nhà càng cao và nhịp khung lớn thì lực dọc trong cột sẽ càng lớn Do đó, việc nghiên cứu liên kết cột biên CFST với sàn phẳng bê tông cốt thép là cần thiết để đưa ra các giải pháp cấu tạo, khảo sát các ứng xử, trạng thái làm việc cũng như cơ chế truyền lực nhằm áp dụng hiệu quả hệ kết cấu sàn phẳng BTCT và cột ống thép nhồi bê tông trong xây dựng nhà cao tầng hiện nay Đấy là lý do để thực hiện luận văn với

đề tài: “Nghiên cứu khả năng chịu cắt tại liên kết cột ống thép nhồi

bê tông với dầm bẹt bê tông cốt thép”

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu tổng quan về cột CFST, dầm bẹt bê tông cốt thép; liên kết giữa cột CFST với hệ dầm;

Nghiên cứu tìm hiểu các cơ chế truyền lực cắt đóng góp vào khả năng kháng cắt của cấu kiện và công thức tính toán của từng cơ chế; Thí nghiệm xác minh khả năng làm việc của kết cấu với lý thuyết nghiên cứu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Mối liên kết giữa cột CFST và dầm bẹt BTCT

Phạm vi nghiên cứu: Khả năng chịu cắt tại liên kết giữa cột CFST với dầm bẹt BTCT

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết tính toán; nghiên cứu thực nghiệm

5 Kết quả dự kiến

Đưa ra chỉ dẫn tính toán;

Đánh giá tính hiệu quả của liên kết cột CFST với dầm bẹt BTCT bằng thực nghiệm

6 Bố cục của đề tài

Mở đầu:

1 Tính cấp thiết của đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

5 Kết quả dự kiến

Chương 1: Tổng quan về kết cấu cột CFST, dầm bẹt bê tông cốt

thép, liên kết giữa cột CFST với hệ dầm

Chương 2: Các cơ chế truyền lực cắt

Chương 3: Thí nghiệm và xác minh với lý thuyết tính toán KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CỘT CFST, DẦM BẸT BTCT, LIÊN KẾT GIỮA

CỘT CFST VỚI HỆ DẦM

1.1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFST

1.1.1 Khái niệm về cột ống thép nhồi bê tông

Cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube viết tắt CFST) là một kết cấu liên hợp bao gồm vỏ ống thép và lõi bê tông cùng làm việc chung với nhau (Hình 1.1)

1.1.2 Phân loại cột ống thép nhồi bê tông

Cột ống thép nhồi bê tông về mặt cấu tạo rất đa dạng

1.1.3 Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông

a Ưu điểm

Độ 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 Tăng tính va đập

1.2 TỔNG QUAN VỀ SÀN PHẲNG KẾT HỢP DẦM BẸT BTCT 1.2.1 Sàn phẳng có dầm bẹt

Ưu điểm: Tiết kiệm vật liệu, tăng được số tầng, tạo được không gian lớn với kết cấu thanh mảnh, trần phẳng không cần làm thêm trần treo che kết cấu, giải quyết cơ bản vướng mắc giữa yêu cầu công năng

sử dụng trong thiết kế kiến trúc và giải pháp kết cấu phù hợp

Tuy nhiên khi dùng hệ kết cấu này điều quan trọng là tìm bề rộng phù hợp của dầm bẹt nhằm thõa mãn sự làm việc đồng thời của dầm và sàn, nhằm hạn chế độ võng của sàn Cần xét ảnh hưởng của hệ sàn có dầm bẹt đến độ cứng ngang của công trình , đặc biệt là kết cấu nhà cao tầng

Công trình Indochina Riverside Tower

+ Địa điểm xây dựng: Số 74 đường Bạch Đằng (tiếp giáp 3 mặt tiền đường Bạch Đằng – Phan Đình Phùng – Trần Phú), Quận Hải Châu

Trung tâm công nghệ phần mềm Đà Nẵng

+ Địa điểm x y dựng Số 02 đường Quang Trung, Quận Hải

đã góp phần làm sáng tỏ về loại liên kết này đồng thời cung cấp các dữ liệu quý giá làm nên tảng cho các nghiên cứu s u hơn về loại liên kết này trong tương lai

1.3.1 Nghiên cứu của Nie (2008) [1] và Bai (2008) [2]

Nie (2008) [1] và Bai (2008) [2] đã phát triển một hệ thống liên kết gồm cột CFST được bọc bên trong cột bê tông cốt thép và dầm bê tông cốt thép sẽ đi xuyên qua vị trí liên kết

Trong nghiên cứu này, tại vị trí liên kết cột - dầm do ống thép bị gián đoạn, một dầm v ng gia cường ring-beam bằng bê tông cốt thép

đã được sử dụng nhằm mục đích cung cấp một hiệu ứng hạn chế nở hông cho vùng bê tông l i ì thế khả năng chịu lực dọc của cột tại vị trí liên kết được đảm bảo

Hình 1.11 Hình dạng liên kết đề xuất bởi Nie và Bai

1.3.2 Nghiên cứu của Qing Jun Chen (2015) [3]

Qing Jun Chen (2015) [3] đã giới thiệu một kiểu liên kết cột CFST với dầm bê tông cốt thép và liên kết này đã được áp dụng tại tầng hầm của một t a nhà cao tầng ở Quảng Ch u, Trung Quốc

Trong hệ thống này, ống thép bị gián đoạn tại vị trí liên kết dầm - cột, và thép dọc dầm sẽ xuyên qua vùng kết nối Dầm v ng ring-beam bằng bê tông cốt thép được sử dụng để bù đắp cho sự suy giảm khả năng chịu lực nén dọc do sự gián đoạn của ống thép

Hình 1.15 Hệ thống dầm xuyên qua liên kết

1.3.3 Nghiên cứu của H.Y.Yu (2013) [4]

Nhận thấy khả năng chịu lực của các liên kết dưới tác dụng của động đất là rất quan trọng cho toàn bộ công trình, với việc xem xét cơ chế "mạnh liên kết - yếu các thành viên" H.Y Yu (2013) [4] đề xuất một loại liên kết mới nhằm mục đích tăng cường khả năng chịu lực tại các vị trí quan trọng

Hình 1.17 Cấu tạo của liên kết và thí nghiệm kiểm tra

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Liên kết cột ống thép nhồi bêtông với dầm bêtông cốt thép đang được áp dụng ngày càng nhiều Tuy nhiên, số lượng nghiên cứu chưa nhiều, ứng xử của liên kết chưa được hiểu r , hầu hết các nghiên cứu hiện nay về loại liên kết này đều chủ yếu tiến hành trên thực nghiệm và kết quả ph n tích đánh giá cũng dựa vào các dữ liệu từ thực nghiệm, các công thức tính toán về loại liên kết này chưa được cụ thể hóa Đồng thời các nghiên cứu khả năng chịu cắt của tại vị trí liên kết của kết cấu này

như các cơ chế truyền lực cắt, thành phần tham gia chịu lực cắt cũng chưa được nghiên cứu cụ thể, các nghiên cứu chỉ chung chung và dựa trên kết quả ph n tích thí nghiệm là chủ yếu Trong chương 2 của luận văn các cơ chế tryền lực cắt sẽ được trình bày r ràng hơn

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CÁC CƠ CHẾ TRUYỀN LỰC CẮT

Hiện nay, các nghiên cứu về loại liên kết này chưa nhiều và hầu hết chưa có các công thức tính toán cụ thể, các nghiên cứu về vấn đề này còn rất ít Vì vậy để tạo độ tin cậy trong tính toán, Chương 2 này sẽ phân tích ảnh hưởng của các cơ chế truyền lực cắt khác nhau đến khả năng chịu cắt của dầm bẹt tại vị trí liên kết từ đó xác định khả năng chịu cắt cho dầm

2.1 CÁC CƠ CHẾ TRUYỀN LỰC CẮT QUA VẾT NỨT NGHIÊNG:

Đối với kết cấu bê tông cốt thép thông thường và kết cấu bê tông cốt thép hỗn hợp khi chịu tác dụng của lực cắt thì trong dầm sẽ xuất hiện các vết nứt nghiêng.Các thành phần lực kháng cắt bao gồm:

Sự cài khóa của các cốt liệu, Vagg - Aggregate interlock;

Sự kháng cắt của bê tông vùng nén, Vch - Concrete compressive zone;

Sự kháng cắt của cốt dọc, Vdow - Dowel action ;

Sự làm việc của cốt đai, sw,i - Transverse reinforcement ;

Sự làm việc của Shear – key, V

Hình 2.1 Cơ chế truyền lực cắt qua vết nứt nghiêng

Như vậy, khả năng chịu cắt của dầm là tổng các sự kháng cắt

trong từng cơ chế được thể hiện qua công thức tổng quát sau:

2.2 SỰ CÀI KHÓA CỦA CÁC CỐT LIỆU:

Khi chịu tác dụng của lực cắt trong dầm sẽ xuất hiện các vết nứt nghiêng gây ra sự kéo và tách trượt của hai phần dầm ì cường độ viên

đá lớn hơn so với bê tông nên vết nứt sẽ phá hoại các mạch vữa làm cho các cạnh viên đá th ra trên các mặt đối diện của bề mặt vết nứt tạo nên

sự cài khóa lẫn nhau của các cốt liệu (Hình 2.2) Cụ thể là các cốt liệu của bê tông (hạt xi măng, cát, đá) sẽ trượt lên nhau tạo ra sự cài khóa và lực ma sát từ đó tạo ra lực kháng cắt do việc cài khóa giữa các cốt liệu Ứng suất của cơ chế này phụ thuộc hình dáng vết nứt, bề rộng vết nứt,

độ bao phủ của hạt xi măng với cốt liệu, độ sắc cạnh của cốt liệu, mô đun độ lớn của các cốt liệu, v.v

Khi đó trên bề mặt vết nứt xuất hiện 02 ứng suất chính là ứng

suất tiếp agg và ứng suất pháp agg Ứng suất tiếp agg xuất hiện khi các cốt liệu trượt lên nhau tạo ra lực ma sát để kháng cắt Các ứng suất này được tính theo công thức (2.2) và (2.3)

Hình 2.2 Cơ chế cài khóa của các cốt liệu

Công thức tính toán cho cơ chế trên được đề xuất bởi Walraven [6] [7] như sau

agg pu As Aw (2.2) agg pu Aw As (2.3)

Cường độ chịu nén của vữa pu phụ thuộc vào khả năng chịu nén của bê tông fc và hệ số mà sát (Hình 2.2) xác định theo biểu

thức (2.4)

pu 5,83 fc0,63 (2.4)

Diện tích tiếp xúc Aw và As phụ thuộc vào bề rộng vế nứt w,

độ trượt vết nứt s, đường kính cốt liệu lớn nhất dg và tỷ lệ cốt Mối liên hệ giữa Aw và As phụ thuộc vào bề rộng vết nứt, độ trượt vết nứt, đường kính cốt liệu và tỷ lệ cốt liệu trên một đơn vị thể tích bê tông ρk

Từ mô hình mô phỏng vết nứt cắt (Hình 2.2) diện tích tiếp xúc Aw và As

xác định theo công thức tổng quát (2.5)

D

Sự đóng góp của cơ chế này vào khả năng kháng cắt giảm dần

từ giai đoạn bắt đầu gia tải đến giai đoạn cực hạn

2.3 KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA BÊ TÔNG VÙNG NÉN

Cơ chế này nói về khả năng chịu cắt của cấu kiện tại vùng bê tông chịu nén

Khả năng kháng cắt bởi bê tông chịu nén phụ thuộc vào cường

độ chịu nén của bê tông, kích thước cấu kiện, vị trí trục trung hòa và sự phân bố của lực nén

Hình 2.5 Cơ chế chịu cắt của vùng nén bê tông

.

ch ch

l

2.4 KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA CỐT ĐAI:

Đối với cấu kiện bê tông cốt thép, cốt đai không chỉ đóng vai trò trong việc tạo hình cho cấu kiện mà c n đóng vai tr quan trọng trong việc tham gia vào khả năng chịu cắt của cấu kiện Khi dầm chịu cắt, trên dầm xuất hiện nhiều vết nứt nghiêng với chiều dài và bề rộng khác nhau Khả năng đóng góp của cơ chế này vào khả năng kháng cắt của cấu kiện phụ thuộc lớn vào mô đun đàn hồi của cốt đai, đường kính cốt đai, chiều dài, bề rộng vết nứt chính, chiều dài neo của cốt đai và được xác định theo công thức (2.12)

Hình 2.3 Cơ chế chịu cắt của cốt đai

Công thức tính toán cho cơ chế:

2.5 ĐÓNG GÓP CỦA CỐT DỌC VÀO KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA DẦM

Đối với cơ chế truyền lực cắt này cốt dọc đóng vai tr như một cốt (dowel) để ngăn cản sự tách bê tông theo phương ngang khi vết nứt nghiêng cắt qua Sự hoạt động chịu cắt của cốt dọc có thể tóm tắt qua

Hình 2.4 Cơ chế chịu cắt của cốt dọc

Khả năng kháng cắt của cơ chế này phụ thuộc vào đường kính cốt dọc, cách bố trí cốt dọc, bề rộng mặt tiếp xúc giữa bê tông và cốt thép tại vị trí phá hoại và cường độ chịu cắt của bê tông

Công thức tính toán đề xuất

Vdow Vdow,u Vdow,br Vdow,u (2.13)

2.6 HOẠT ĐỘNG CỦA SHEAR - KEY

Shear key là đoạn thép hình tiết diện H được hàn cứng vào thành ống thép dùng để kết nối dầm và cột đảm bảo sự làm việc liên tục tại nút Cánh dưới của Shear - key đóng vai tr như gối đỡ cho thanh chống phát triển Trong từng trường hợp cụ thể, độ dài shear-key ảnh hưởng đến hình dáng của thanh chống Khi lực tác dụng tăng lên tạo ra ứng suất lớn trong thanh chịu nén sẽ gây ra vết nứt nghiêng Vết nứt này

có thểcắt qua shear-key hoặc phát triển bên dưới shear-key Độ lớn của

lực cắt tính theo công thức (2.18)

Hình 2.6 Hoạt động chịu cắt của shear - key

Trong một vài trường hợp vết nứt cắt ngang qua shear – key nhưng chỉ ở phần bên dưới thanh chịu nén Ở giai đoạn cực hạn, điểm xoay xuất hiện ở phía dưới cánh dưới của thanh shear – key đồng thời làm trượt phần bê tông chịu kéo ra khỏi shear – key Tổng lực tạo ra sự trượt của phần bê tông có liên quan đến bề rộng vết nứt Sau khi sự trượt xuất hiện, phát sinh một ứng suất dư giữa hai mặt bị tách rời của cấu kiện

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT LIÊN KẾT BẰNG THỰC NGHIỆM

Như đã ph n tích ở chương 2, khả năng chịu cắt tại liên kết giữa cột CFST và dầm bẹt BTCT đã được cấu tạo và đưa ra quy trình tính, tuy nhiên để kiểm tra liên kết đề xuất có đảm bảo các yêu cầu về mặt kĩ thuật thì cần phải thực hiện thí nghiệm để xác nhận tính hợp lý của giải pháp cấu tạo và độ tin cậy của quy trình tính toán liên kết Trong chương này sẽ tiến hành chế tạo mẫu và thí nghiệm mẫu liên kết cột CFST với dầm bẹt BTCT

3.1 CHẾ TẠO MẪU, THIẾT BỊ VÀ THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM 3.1.1 Cấu tạo liên kết cột CFST – dầm bẹt BTCT và thiết kế mẫu thí nghiệm

Cấu tạo liên kết Căn cứ vào ph n tích cơ chế truyền tải trọng và

cơ chế phá hoại do cắt trong liên kết giữa dầm - cột BTCT, liên kết dầm bẹt BTCT với cột CFST được cấu tạo gồm Mũ thép chịu cắt (shear-head), sử dụng thép chữ H được hàn trực tiếp lên bề mặt bên ngoài của ống thép (Hình 3.1) xem như một cái chốt (shear key) đảm bảo tính liên tục giữa sàn và cột CFST, làm tăng khả năng chịu cắt cho dầm Cánh dưới của thép hình mở rộng, xem như điểm tựa cho các thanh chống nghiêng bê tông làm việc, đảm bảo cơ chế truyền lực nén từ dầm vào cột Bên cạnh đó, cốt thép dầm được xiên qua cột thông qua các lổ khoan sẵn trên mặt cột nhằm nâng cao tính liên tục cho liên kết và khả năng chịu mô men của dầm

Hình 3.1 Cấu tạo liên kết

Để đảm bảo độ tin cậy và tính kết nối với công trình thực tế, mẫu thí nghiệm được chọn dựa trên việc phân tích một mặt bằng sàn có kích thước như Hình 2 Sử dụng phương án dầm bẹt, cột ống thép nhồi bê tông Kích thước dầm được chọn b×h=600×350(mm) Cột sử dụng ống thép hộp vuông 300×300×10(mm) Shear-head chọn thép hình tiết diện chữ H, với chiều cao tiết diện dầm h=350mm, chọn H200×200, đoạn vươn của shear-head lấy lv=250mm Shear-head được hàn vào mặt cột bằng đường hàn dọc theo chu vi tiết diện và lệch xuống phía dưới so với trục tiết diện

Tải trọng trên sàn được tính theo TCVN 2737-1995 với trọng lượng bản thân và hoạt tải sử dụng phân bố đều trên sàn là q =15kN/m2

Ph n tích mô men xác định chiều dài của dầm thí nghiệm tại vị trí mô men đạt giá trị bằng 0 (Hình 3.2.)

7 Ø 22

Ø 8 a150

Ø 8 a150

Ø 8 a50

Cét CFT (300 x 300)

3.1.2 Chế tạo mẫu thí nghiệm

Cốt thép dầm được xuyên qua các lổ khoan sẵn trên mặt cột sau

đó lắp đặt cốt đai chịu cắt Sau đó tiến hành đóng ván khuôn Các cốt thép này được buộc thành khối với nhau

Hình 3.6 Bố trí cốt thép cho mẫu và vị trí, kí hiệu Strain gauge