Bài viết phân tích ứng xử chịu cắt của nút khung liên hợp giữa dầm thép với cột bê tông cốt thép (BTCT) chịu đồng thời lực nén dọc trục cột và tải trọng tĩnh tác dụng ở dầm. Dầm thép được liên kết với cột BTCT bằng thanh thép hình đặt trong cột. Các tấm thép được sử dụng ở vùng nút để tăng cường khả năng chịu cắt cho nút. Kết quả thí nghiệm so sánh trên các mẫu có sử dụng và không sử dụng thép tấm. Hình dạng cốt đai vòng kín và cốt đai hở chịu cắt ở vùng nút cũng được xem xét đến trong nghiên cứu.
Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (MM/YYYY), 418-427 Transport and Communications Science Journal EXPERIMENTAL STUDY ON SHEAR BEHAVIOR OF HYBRID JOINT SUBMITTED STATIC LOADING Le Dang Dung*, Nguyen Thanh Tam, Dang Viet Tuan University of Transport and Communications, No Cau Giay Street, Hanoi, Vietnam ARTICLE INFO TYPE: Research Article Received: 4/11/2019 Revised: 10/12/2019 Accepted: 24/12/2019 Published online: 16/1/2020 https://doi.org/10.25073/tcsj.70.5.6 * Corresponding author Email: ledangdung@utc.edu.vn; Tel: 0986354689 Abstract This paper deals with experimental investigation of the static behavior of a novel RCS beam-column exterior joint The studied joint detail is a through-column type in which an H steel profile totally embedded inside RC column is directly welded to the steel beam The H steel profile was covered by two supplementary plates in the joint area in order to avoid the stirrups resisting shear in the joint area Two full-scale through-column-type RCS joints were tested under static loading The objectives of the tests were to examine the connection performance and to highlight the contribution of two supplementary plates on the shear resistance of the joint Keywords: composite-frame structures, beam-column connection, RCS joint © 2019 University of Transport and Communications 418 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 70, Số (12/2019), 418-427 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CHỊU CẮT CỦA NÚT KHUNG LIÊN HỢP CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH Lê Đăng Dũng*, Nguyễn Thành Tâm, Đặng Việt Tuấn Trường Đại học Giao thông vận tải, Số Cầu Giấy, Hà Nội THÔNG TIN BÀI BÁO CHUYÊN MỤC: Cơng trình khoa học Ngày nhận bài: 4/11/2019 Ngày nhận sửa: 10/12/2019 Ngày chấp nhận đăng: 24/12/2019 Ngày xuất Online: 16/1/2020 https://doi.org/10.25073/tcsj.70.5.6 * Tác giả liên hệ Email: ledangdung@utc.edu.vn; Tel: 0986354689 Tóm tắt Bài báo phân tích ứng xử chịu cắt nút khung liên hợp dầm thép với cột bê tông cốt thép (BTCT) chịu đồng thời lực nén dọc trục cột tải trọng tĩnh tác dụng dầm Dầm thép liên kết với cột BTCT thép hình đặt cột Các thép sử dụng vùng nút để tăng cường khả chịu cắt cho nút Kết thí nghiệm so sánh mẫu có sử dụng khơng sử dụng thép Hình dạng cốt đai vòng kín cốt đai hở chịu cắt vùng nút xem xét đến nghiên cứu Từ khóa: Khung liên hợp, nút khung, nút RCS © 2019 Trường Đại học Giao thông vận tải ĐẶT VẤN ĐỀ Kết cấu khung liên hợp có cột bê tơng cốt thép dầm thép (Khung RCS - Reinforced Concrete colum- Steel beam) bắt đầu sử dụng Mỹ từ đầu thập kỷ 80 biến thể kết cấu khung thép truyền thống cơng trình từ trung bình đến cao tầng Ở giai đoạn đầu việc áp dụng, nút khung RCS có cấu tạo tương tự với khung thép thông thường trừ kết cấu cột thép thay cột bê tông cường độ cao nhằm giảm chi phí vật liệu [1] Ở Nhật Bản, kết cấu khung RCS sử dụng giải pháp thay cho kết cấu bê tông cốt thép thơng thường cơng trình nhà ở, nhà văn phòng vùng có động đất thấp [3] Dầm thép sử dụng để tăng tăng khả vượt nhịp, giảm khối lượng nhân công mà đảm bảo tiết kiệm chi phí vật liệu việc sử dụng cột bê tông cốt thép Nhiều giải pháp liên kết dầm thép với cột BTCT giới thiệu hướng dẫn thiết kế Hội kỹ sư Mỹ Viện kiến trúc Nhật Bản [2, 3] Một số nghiên cứu năm gần kết 419 Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (MM/YYYY), 418-427 cấu khung RCS mang tính kiểm chứng cải tiến đề xuất hướng dẫn thiết kế Mỹ Nhật [4, 5, 6] Năm 2013, dự án SmartCoCo đề xuất giải pháp liên kết dầm thép với cột BTCT cách sử dụng thép hình đặt cột BTCT, dầm thép liên kết trực tiếp với thép hình thơng qua liên kết hàn [7] Kết nghiên cứu mơ hình lý thuyết, thực nghiệm mơ số cho thấy dạng cấu tạo có nhiều ưu điểm sức kháng, độ dẻo cách thức truyền lực [8, 9, 11] Tuy nhiên, việc sử dụng cốt đai vòng kín chịu lực vùng nút gây nhiều khó khăn q trình thi công chế tạo Từ giải pháp đề xuất SmartCoCo, báo đề xuất cải tiến dạng nút SmartCoCo cách bổ sung thép chịu cắt vùng nút Thêm vào đó, cốt đai vòng kín thay cốt đai hở Kết thí nghiệm mẫu thiết kế theo đề xuất SmartCoCo mẫu cải tiến trình bày, so sánh để làm rõ ứng xử ưu điểm nút cải tiến so với dạng nút đề xuất trước THÍ NGHIỆM 2.1 Mẫu thí nghiệm Các mẫu nghiên cứu nút biên khung liên hợp dầm thép-cột BTCT Các mẫu thiết kế theo Tiêu chuẩn Eurocode 2, và đề xuất tính tốn theo [7, 10] Cả hai mẫu có chung kích thước tổng thể, đó: cột BTCT dài 3,4m; kích thước mặt cắt ngang cột 400 400mm Cốt thép dọc cốt thép đai sử dụng cho cột có đường kính 25 nhóm CB300 10 nhóm CB400 Phần thép kết cấu thép tổ hợp hàn loại SS400 gồm: dầm thép dài 2m với tiết diện ngang có kích thước I400 180 20 25 ; phần thép hình cột có tiết diện H200 180 20 20 Sự khác cấu tạo mẫu mẫu việc sử dụng thêm hai thép hàn vào cánh thép hình Cốt đai vùng trung tâm nút hai mẫu khác Mẫu có cốt đai thuộc dạng đai liền Mẫu có cốt đai đai hở Chi tiết cấu tạo mẫu kích thước mẫu thể Hình D10s50 C C ( LE ) D25 Thép hình Thép hình 400 400 D D A A-A LE 400 400 I400 180 20 25 A 3400 A C-C I400 180 20 25 A B B LP LE Tấm gia cường 200 L P t Thép hình neo D25 400 Tấm gia cường 5D10 (D10s100) 200 180 20 20 ( LP ) Thép hình neo 200 180 20 20 D25 D-D 400 Mẫu 1800 Mẫu B-B 1800 400 Hình Cấu tạo chi tiết mẫu thí nghiệm 420 400 (D10s100) 1500 5D10 1500 3400 (D10s100) ( LE ) Cột BTCT 400 C D25 1500 C (D10s100) Cột BTCT 400 1500 D10s50 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 70, Số (12/2019), 418-427 Bê tơng sử dụng cho mẫu thí nghiệm bê tơng thường, có cường độ chịu nén theo mẫu trụ 28 ngày 45,6 MPa Bảng thể thông số vật liệu thép kết cấu cốt thép sử dụng mẫu thí nghiệm Giá trị bảng thu cách thí nghiệm kéo mẫu phòng thí nghiệm Bảng Thơng số vật liệu thép sử dụng mẫu thí nghiệm Thép dầm Thép hình Thép Cốt thép dọc Cốt thép đai Mô đun đàn hồi Es ( GPa ) 210 210 210 200 200 Cường độ kéo chảy f y ( MPa ) 305 305 305 435 520 Cường độ kéo đứt fu ( MPa ) 435 435 435 590 630 2.2 Sơ đồ thí nghiệm L Hình thể sơ bố trí thí nghiệm Sơ đồ bố trí thí nghiệm dựa sơ đồ biến dạng kết cấu khung tác dụng tải trọng đứng tải trọng ngang Vị trí cục nút khung tách gán điều kiện biên phù hợp với làm việc thực tế kết cấu Hình thể sơ đồ bố trí thí nghiệm dựa điều kiện biên sơ đồ tính Các vị trí chân cột đỡ gối cố định gối di động Lực nén dọc trục cột tạo kích thủy lực đặt đỉnh cột Giá trị lực nén dọc trục thí nghiệm giữ khơng thay đổi q trình thí nghiệm Giá trị lực nén dọc trục cột sử dụng thí nghiệm 10% khả chịu nén cột (800kN) Tải trọng ngang mô chuyển vị cưỡng đặt đầu dầm Tốc độ gia tải kiểm sốt theo chuyển vị có giá trị 0,015 mm/s Hình Sơ đồ kết cấu sơ đồ bố trí thí nghiệm thực tế mẫu thí nghiệm Kích tạo Load cell lực ngang LVDT khớp Kích tạo lực dọc Dầm thép Tường phản lực 1850 khớp LVDT LVDT LVDT Cột BTCT 3000 Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm 421 Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (MM/YYYY), 418-427 2.3 Các thiết bị đo Lực tác dụng đo loadcell Chuyển vị đo đầu đo chuyển vị (LVDT) Các vị trí đo chuyển vị gồm: vị trí tác dụng tải đầu công xôn dầm, chân cột, đỉnh cột bụng dầm Vị trí loadcell LVDT thể Hình Biến dạng cốt thép đo cảm biến điện trở gắn trực tiếp cốt thép dọc, cốt thép đai thép hình vị trí dự đốn có biến dạng lớn Vết nứt xuất mẫu thí nghiệm quan sát mắt thường đánh dấu bút q trình gia tải Vị trí cảm biến điện trở đo biến dạng thể Hình Hình Vị trí gắn cảm biến đo biến dạng thép KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 3.1 Quan sát thí nghiệm Về tổng thể, vết nứt xuất hai mẫu thí nghiệm chia thành nhóm: vết nứt xiên cắt vùng nút; vế nứt ngang thân cột uốn tác động cục bộ; vết nứt dọc theo thân cột Hình thể vết nứt hai mẫu sau kết thúc thí nghiệm Thứ tự hình thành vết nứt, số lượng độ mở rộng vết nứt hai mẫu thí nghiệm có khác Hình Hình thể thứ tự vết nứt xuất mẫu thí nghiệm Hình Vết nứt mặt bên mặt trước mẫu sau thí nghiệm Với mẫu 1, vết nứt xuất ngang mặt cánh dầm, vng góc với trục cột Vết nứt vết nứt xiên vùng trung tâm nút, hai vết nứt xuất độ lệch tầng 0,75% (độ lệch tầng xác định tỷ số chuyển vị điểm đặt lực với khoảng cách từ điểm đặt lực đến trục cột, L , xem hình 2) Vết nứt ngang thân cột vị trí cảm biến D4 xuất khoảng độ lệch tầng 1,3% Các vết nứt xuất độ lệch tầng 2% có tốc độ mở rộng chậm Ở độ lệch tầng lớn 2%, vết nứt xiên mở rộng nhanh xuất thêm nhiều vết nứt xiên khác vùng trung tâm nút Các vết nứt ngang thân cột 422 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 70, Số (12/2019), 418-427 uốn mở rộng Sự ép mặt cánh dầm lên bê tông cột tạo số vết nứt dọc xiên mặt trước cột (xem Hình 5) Khi vết nứt xiên vùng nút mở rộng tương ứng đường quan hệ Lực – độ lệch tầng mẫu cho thấy độ cứng suy giảm nhanh Hình Vết nứt xuất Mẫu Với mẫu 2, vết nứt xuất ngang mặt cánh dầm Vết nứt xuất vị trí cảm biến D4 D3 Vết nứt xiên vùng trung tâm nút mẫu xuất khoảng độ lệch tầng 1,5% Quá trình tăng tải vết nứt vị trí cảm biến D2, D3 D4 mở rộng, đồng thời xuất số vết nứt dọc thân cột Vết nứt xiên mở rộng chậm độ lệch tầng khoảng 2,5% bắt đầu phát triển nối tiếp với vết nứt ép mặt cánh dầm thép mặt trước cột Hình Vết nứt xuất Mẫu Quan sát q trình thí nghiệm nhận thấy mẫu vết nứt xiên vùng nút xuất sớm nhiều Quá trình tăng tải vết nứt xiên mẫu mở rộng sớm nhanh so với mẫu Ngược lại với mẫu 1, số lượng vết nứt độ mở rộng vết nứt xiên 423 Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (MM/YYYY), 418-427 trung tâm nút mẫu số lượng độ mở rộng vết nứt ngang thân cột mẫu lại nhiều so với mẫu Ở mặt trước cột, số lượng vết nứt phá hoại ép mặt cánh dầm thép lên bê tông mẫu xảy nặng mẫu Như vậy, việc sử dụng thép chịu cắt vùng nút làm tăng độ cứng vùng nút giảm phá hoại vùng nút phân bố vùng cột 3.2 Kết đo Hình thể biểu đồ quan hệ lực tác dụng với độ lệch tầng mẫu thí nghiệm Trong đó, lực giá trị thu loadcell vị trí kích tạo lực ngang Ở độ lệch tầng nhỏ 2%, nút có ứng xử tuyến tính không khác nhiều độ cứng sức kháng Từ độ lệch tầng 2% đến kết thúc thí nghiệm, mẫu có xu hướng “biến dạng dẻo”, tăng biến dạng chưa bị suy giảm sức kháng Giá trị sức kháng giai đoạn phá hoại mẫu lớn mẫu khoảng 15% Hình Biểu đồ quan lực tác dụng với độ lệch tầng mẫu thí nghiệm Hình Biểu đồ quan ứng suất cốt thép với độ lệch tầng mẫu thí nghiệm 424 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 70, Số (12/2019), 418-427 Hình thể biểu đồ quan hệ ứng suất cốt thép vị trí gắn cảm biến với độ lệch tầng Thời điểm chảy dẻo vị trí gắn cảm biến tổng hợp Bảng Bảng Hình 10 thể thời điểm bắt đầu chảy dẻo thép kết cấu cốt thép dọc cột Vị trí (R1) hai mẫu thí nghiệm bị chảy độ lệch tầng 0,92% 1,465%, tương ứng với giá trị lực kích 218,11 kN 325,17 kN Do tác dụng hai thép gia cường nút nên thời điểm bụng thép hình đặt cột chảy dẻo tăng 59% chuyển vị tăng 49% lực tác dụng Điều dự đốn có gia cường, diện tích thép kết cấu tham gia chịu tác động kéo từ cánh thép dầm lên bụng thép hình tăng lên, giá trị lực ứng suất thép hình mẫu có giá trị nhỏ Qua thấy hiệu thép gia cường rõ rệt Trên cốt thép dọc vị trí D1 D5 (xem Hình 4) chảy dẻo mẫu xảy muộn mẫu Nguyên nhân có mặt gia cường làm tăng độ cứng cho vị trí nút, từ thành phần biến dạng cắt, biến dạng xoay nút mẫu nhỏ mẫu 1, vai trò cốt thép dọc vùng nút mẫu Ngược lại, vị trí D2, D3 D4 cốt thép dọc vùng chân cột mẫu bị chảy dẻo sớm so với mẫu Nguyên nhân giải thích thép gia cường góp phần làm cứng vùng nút, lực tác dụng từ dầm thép truyền vào cột BTCT khơng tập trung cục nút mà phân bố vùng cột xung quanh nút Thứ tự xuất chảy dẻo vị trí D2, D3 D4 hai mẫu thí nghiệm giống Vị trí D4 bị chảy dẻo trước, vị trí D3 cuối D2 Như vậy, phần thép hình đặt cột BTCT tham mặt cắt cột chịu uốn, giúp giảm ứng suất cốt thép chân cột (vị trí D2) Bảng Thời điểm chảy thép kết cấu cốt thép dọc vị trí gắn cảm biến Vị trí cảm biến R1 D1 D2 D3 D4 D5 Độ lệch tầng [%] 0,92 2,98 2,53 2,75 1,63 5,23 Lực tác dụng [kN] 218,11 419,1 Độ lệch tầng [%] 1,47 3,98 Mẫu 403,37 413,87 326,06 446,75 1,85 1,54 1,17 5,85 Mẫu Lực tác dụng [kN] 325,17 510,89 374,69 333,94 276,38 528,95 Hình 10 Điểm chảy thép hình cốt thép dọc mẫu thí nghiệm vị trí gắn cảm biến 425 Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (MM/YYYY), 418-427 Bảng Thời điểm chảy cốt thép đai vị trí gắn cảm biến Vị trí cảm biến Độ lệch tầng [%] T1 T2 T3 T4 T5 T6 1,5 2,64 3,52 3,05 3,41 1,96 Mẫu Lực tác dụng [kN] Độ lệch tầng [%] 310,77 409,35 434,42 423,43 431,56 364,22 4,1 3,24 2,96 3,84 2,66 2,28 Mẫu Lực tác dụng [kN] 513,83 492,46 480,01 506,29 459,89 424,3 Hình 11 Điểm chảy cốt thép đai mẫu thí nghiệm vị trí cảm biến Bảng Hình 11 thể thời điểm bắt đầu chảy dẻo cốt thép đai Trên mẫu 1, vị trí cốt đai bị chảy dẻo T1 nằm vị trí chịu kéo cánh dầm thép, T6 nằm trung tâm nút Nhận thấy T6 bị chảy dẻo biểu đồ quan hệ lực-độ lệch tầng mẫu bắt đầu suy giảm độ cứng Các vị trí cốt đai khác bị chảy khoảng độ lệch tầng từ 2-4%, giai đoạn chuyển tiếp từ ứng xử tuyến tính sang ứng xử dẻo mẫu Trên mẫu 2, cốt đai bị chảy khoảng độ lệch tầng từ 2-4% Tuy nhiên thứ tự xuất chảy dẻo vị trí khác với mẫu 1, vị trí bị chảy dẻo xuất T6 Đối với vị trí T1 mẫu chảy dẻo độ lệch tầng 4,1% Thấy rằng, vị trí T1 mẫu chảy muộn mẫu ảnh hưởng thép chịu cắt vùng nút làm giảm biến dạng kéo vị trí cánh dầm thép lên bụng thép hình đặt cột KẾT LUẬN Bài báo thực nghiên cứu thực nghiệm kết cấu nút khung liên hợp liên kết dầm thép với cột BTCT Các kết thu cho thấy hiệu việc sử dụng thép vùng nút đến khả chịu cắt nút Cụ thể, việc thay cốt thép đai kín vùng nút cốt đai hở thép không làm ảnh hưởng đến sức kháng nút giới hạn sử dụng Thêm vào đó, giai đoạn phá hoại, sức kháng mẫu thí nghiệm sử dụng cốt đai hở thép chịu cắt tăng lên khoảng 15% so với nút sử dụng cốt đai kín Kết thu hình dạng vết nứt bê tông cột, tương quan lực-độ lệch tầng thời điểm số vị trí thép bị chảy cho thấy hiệu thép chịu cắt đến tăng độ 426 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 70, Số (12/2019), 418-427 cứng cho nút, giảm biến dạng cục nút Qua giảm phá hoại cục bê tông vùng nút Hơn nữa, việc sử dụng thép chịu cắt làm giảm ứng suất cốt thép đai vùng nút, giảm hàm lượng cốt thép đai nút thay dạng cốt đai vòng kín cốt đai hở mà đảm bảo sức kháng cắt nút LỜI CẢM ƠN Cảm ơn thí nghiệm viên trung tâm Khoa học Công nghệ hỗ trợ q trình thực nghiên cứu thí nghiệm Cảm ơn Trường Đại học Giao thông Vận tải tài trợ cho nghiên cứu khuôn khổ đề tài mã số T2019-XD-008 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] L.G Griffis, Some design considerations for composite-frame structures, Engineering Journal, 23 (1986) 59-64 [2] R Kanno, D.D Deierlein, Design Model of Joints for RCS Frames Proceeding of Composite Construction in Steel and Concrete IV, Alberta, Canada, 2002, 947-958 [3] I Nishiyama, H Kuramoto, H Noguchi, Guidelines: Seismic Design of Composite Reinforced Concrete and Steel Buildings, Journal of Constructional Steel Research, 1/2004, 336-342 https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9445(2004)130:2(336) [4] S Mirghaderi, N Eghbali, M Ahmadi, Moment connection between continuous steel beams and reinforced concrete column under cyclic loading, Journal of Constructional Steel Research., 118 (2016) 105–119 DOI:10.1016/j.jcsr.2015.11.002 [5] H Zibasokhan, F Behnamfar, K Behfarnia, The new proposed details for moment resisting connections of steel beam to continuous concrete column, Advances in Structural Engineering, 19 (2016) 156–169 https://doi.org/10.1177/1369433215618293 [6] X Zhang, Z.Jiawei, G.Xuejian, Z.Shaohua, Seismic performance of prefabricated high-strength concrete tube column-steel beam joints, Advances in Structural Engineering, 21 (2018) 658-674 https://doi.org/10.1177/1369433217726895 [7] H Somja et el., The SMARTCOCO design guide for hybrid concrete-steel structures Proceedings of the 12th International Conference on Advances in Steel-Concrete Composite Structures, Valencia, Spain, 2018 [8] X.H Nguyen, Q-H Nguyen, D.D Le, O Mirza, Experimental Study on Seismic Performance of New RCS Connection, Structures, (2018) 53-62 [9] D.D Le, X.H Nguyen, Q-H Nguyen, Numerical study on a new through column type joint for RCS frame, International Conference on Advances in Computational Mechanics, 2017, 261-272 https://doi.org/10.1007/978-981-10-7149-2_18 [10] Lê Đăng Dũng, Nguyễn Xuân Huy, Phân tích ứng xử nút khung liên hợp thép- bê tơng cốt thép, Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Số đặc biệt, tháng 11 (2015) 88-93 [11] Lê Đăng Dũng, Nguyễn Xuân Huy, Nguyễn Thành Tâm, Nghiên cứu thực nghiệm nút khung liên hợp thép- bê tơng cốt thép chịu tải trọng lặp, Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, 59 (2017) 24-29 427 ... học Giao thơng vận tải, Tập 70, Số (12/2019), 418-427 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CHỊU CẮT CỦA NÚT KHUNG LIÊN HỢP CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH Lê Đăng Dũng*,... vòng kín cốt đai hở chịu cắt vùng nút xem xét đến nghiên cứu Từ khóa: Khung liên hợp, nút khung, nút RCS © 2019 Trường Đại học Giao thông vận tải ĐẶT VẤN ĐỀ Kết cấu khung liên hợp có cột bê tơng... ảnh hưởng thép chịu cắt vùng nút làm giảm biến dạng kéo vị trí cánh dầm thép lên bụng thép hình đặt cột KẾT LUẬN Bài báo thực nghiên cứu thực nghiệm kết cấu nút khung liên hợp liên kết dầm thép