Ứng xử kháng chọc thủng của liên kết cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép

Tuy nhiên, dạng liên kết hiệu quả giữa cột CFT và sàn phẳng BTCT cùng ứng xử kháng nén thủng của nó, là một yếu tố then chốt trong việc đảm bảo khả năng chịu lực của hệ, vẫn chưa được ng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS.TS Ngô Hữu Cường

Vào lúc 8 giờ 30 ngày 15 tháng 6 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận án tại:

− Thư viện Quốc gia Việt Nam

− Trung tâm Thông tin − Học liệu và Truyền thông, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Trong những thập niên qua, kết cấu thép – bê tông liên hợp đã được

sử dụng ngày càng rộng rãi trong các công trình xây dựng dân dụng và công nghiệp do có các ưu điểm nổi trội về mặt kết cấu và thi công Công trình sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp có khả năng chịu lực, độ cứng và

độ dẻo dai cao, đáp ứng tốt công năng sử dụng, có hiệu quả về kinh tế và đảm bảo tính thẩm mỹ, đồng thời tăng cường khả năng chống cháy so với kết cấu thép truyền thống

Trong nhà nhiều tầng, chiều cao tầng, kích thước cột và nhịp của cấu kiện là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế và công năng sử dụng của công trình Do đó, nhu cầu cần có một hệ kết cấu mới có thể giảm chiều cao tầng, giảm kích thước cột, tăng nhịp cấu kiện, rút ngắn thời gian thi công và tiết kiệm chi phí xây dựng là một điều hết sức cần thiết Hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFT - Concrete Filled steel Tube) và sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) là hệ kết cấu tương đối mới, phù hợp với các tiêu chí trên và được mong đợi sẽ được áp dụng rộng rãi trên thế giới trong tương lai gần Tuy nhiên, dạng liên kết hiệu quả giữa cột CFT và sàn phẳng BTCT cùng ứng xử kháng nén thủng của nó, là một yếu tố then chốt trong việc đảm bảo khả năng chịu lực của hệ, vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ và đang thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà

nghiên cứu Đây cũng là lý do để tác giả chọn đề tài “Ứng xử kháng chọc thủng của liên kết cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép” để nghiên cứu

Luận án đề xuất một chi tiết liên kết mới giữa sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo và phù hợp với điều kiện thi công ở Việt Nam Thông qua tính toán và mô phỏng sơ bộ, kích thước và cấu tạo của các chi tiết liên kết sẽ được đề xuất Ứng xử chịu cắt và khả năng kháng nén thủng của liên kết kích thước thật sẽ được khảo sát thông qua nghiên cứu thực nghiệm Liên kết cũng sẽ được mô phỏng bằng phần mềm phần tử hữu hạn ba chiều ABAQUS và độ tin cậy của kỹ thuật mô phỏng sẽ được kiểm chứng qua việc so sánh với kết quả thực nghiệm

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu đề xuất loại liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT phù hợp và hiệu quả với điều kiện thi công của Việt Nam

- Nghiên cứu ứng xử và khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT được đề xuất bằng thực nghiệm và mô phỏng

Ý nghĩa thực tiễn

Hiện nay liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT đã được nhiều tác giả đề xuất và khảo sát để tìm hiểu ứng xử kết cấu và sự hiệu quả nhằm phục vụ cho việc ứng dụng vào thực tiễn Việc đề xuất một chi tiết liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT có cấu tạo đơn giản nhưng hiệu quả, phù hợp với điều kiện thi công tại Việt Nam sẽ là bước khởi đầu cho việc nghiên cứu thêm các dạng liên kết khác để có thể phát triển giải pháp kết cấu cột CFT – sàn phẳng BTCT cho công trình xây dựng Đặc biệt, việc xây dựng một mô hình số cho phép dự đoán khả năng chịu lực của liên kết phù hợp với kết quả thực nghiệm là một điều cần thiết để có được kết quả tin cậy trong việc áp dụng cho công tác thiết kế loại liên kết này trong thực tiễn mà không cần thực hiện các thí nghiệm tốn kém và mất thời gian

4 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài

- Đề xuất chi tiết liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT

- Chế tạo liên kết và tiến hành đúc mẫu thí nghiệm

- Thiết lập quy trình thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm

- Xử lý, phân tích số liệu và đánh giá kết quả thí nghiệm

- Mô phỏng số ứng xử của liên kết bằng phần mềm PTHH ba chiều ABAQUS có xét tác động phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu

- Kiểm chứng độ tin cậy của kỹ thuật mô phỏng qua việc so sánh kết quả phân tích với kết quả thực nghiệm

- Rút ra những kết luận, kiến nghị

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với mô phỏng số bằng phần mềm phần tử hữu hạn ba chiều ABAQUS

6 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu

Ứng xử cắt thủng của liên kết sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT

Phạm vi nghiên cứu

- Sàn phẳng BTCT thường, không có ứng suất trước, không có lỗ

mở gần liên kết;

- Cột CFT nằm ở giữa, không phải cột ở biên hoặc góc;

- Không xét đến ứng xử chịu mômen đồng thời của liên kết do tải ngang với trục cột gây ra;

- Chỉ tác động tải tĩnh đẩy dần, không phải là lực lặp lại hoặc tải động

- Thiết lập quy trình thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm để khảo sát ứng xử chịu cắt và khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT

và cột giữa CFT mới đề xuất

- Mô phỏng số phân tích ứng xử kháng nén thủng của liên kết bằng phần mềm ABAQUS và so sánh với kết quả thực nghiệm

- Đề xuất hướng dẫn tính toán để dự đoán khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT mới đề xuất theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012, Tiêu chuẩn Châu Âu EC2 và Quy phạm Hoa

Kỳ ACI 318-11

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFT VÀ LIÊN KẾT VỚI

SÀN PHẲNG BTCT 1.1 Cột ống thép nhồi bê tông

1.2 Sàn phẳng bê tông cốt thép

1.3 Liên kết của sàn phẳng BTCT và cột CFT

1.3.1 Nghiên cứu của Satoh và Shimazaki (2004)

Satoh và Shimazaki (2004) đã đề xuất một chi tiết liên kết mới giữa

sàn phẳng BTCT với cột vuông CFT và tiến hành khảo sát thực nghiệm cũng như xây dựng công thức dự đoán khả năng chịu lực của liên kết

Hình 1.22 và Hình 1.23: Chi tiết liên kết và mô hình thí nghiệm của

Satoh và Shimazaki

1.3.2 Nghiên cứu của Su và Tian (2010)

Su và Tian (2010) đề xuất chi tiết liên kết bằng tấm thép tròn hàn vào cột tròn CFT để đỡ sàn tấm phẳng BTCT cho công trình nhà nhiều tầng chịu tác dụng của động đất Kết quả thí nghiệm cho thấy liên kết được

đề xuất có cấu tạo đơn giản, dễ thi công, có khả năng chịu được tải trọng

Vành cứng

Tấm thép liên kết

đứng tốt và có độ dẻo dai đáng kể

1.3.3 Nghiên cứu của Yan (2011)

Yan (2011) đã đề xuất hai loại liên kết sàn phẳng – cột giữa CFT dùng chi tiết chịu cắt hàn vào vỏ cột thép nằm chìm trong bê tông sàn Chi tiết chịu cắt của liên kết của loại 1 có dạng chữ I trong khi của loại 2 có dạng hộp Kết quả thí nghiệm cho thấy tải trọng cắt thủng cực hạn của liên kết loại 1 có giá trị là 417 kN và của liên kết loại 2 là 569 kN

Hình 1.32: Cấu tạo liên kết loại 1

của Yan

Hình 1.34: Cấu tạo liên kết loại 2

của Yan

1.3.4 Nghiên cứu của Kim cùng cộng sự (2014)

Kim cùng cộng sự (2014) đề xuất một số sơ đồ liên kết kháng cắt dùng cốt cứng cho liên kết cột giữa CFT − sàn phẳng BTCT Kết quả thực nghiệm cho thấy khả năng kháng cắt của liên kết sử dụng liên kết thép hình kháng cắt cao hơn rất nhiều so với liên kết sàn phẳng BTCT − cột CFT không sử dụng liên kết thép hình kháng cắt

1.3.5 Các nghiên cứu trong nước

1.4 Ưu và nhược điểm của các liên kết đã công bố

1.4.1 Ưu điểm: Đều đảm bảo khả năng chịu lực và độ dai cần thiết 1.4.2 Nhược điểm: Các liên kết của Satoh và Shimazaki, Yan và Kim cùng

cộng sự: Có các chi tiết cấu tạo phức tạp, khó gia công, nằm chìm trong sàn nên cản trở việc lắp đặt cốt thép sàn; Liên kết của Satoh và Shimazaki,

Su và Tian và liên kết loại 1 của Yan: Cốt thép sàn bị gián đoạn bởi cột CFT; Liên kết của Su và Tian: Bản gối có khả năng chịu uốn và độ cứng thấp; Các liên kết của Satoh và Shimazaki, Su và Tian, Yan và Kim cùng cộng sự: Sự truyền lực từ sàn vào vỏ ống thép của cột CFT thông qua chi tiết chịu cắt, không truyền trực tiếp vào lõi bê tông ngay vị trí liên kết

1.5 Khả năng kháng nén thủng của sàn phẳng BTCT theo các tiêu chuẩn hiện hành

1.5.1 Tiêu chuẩn Việt Nam 5574:2012

1.5.2 Tiêu chuẩn Châu Âu EC2

1.5.3 Quy phạm Hoa Kỳ ACI 318-11

1.6 Kết luận

Chương 1 đã trình bày các ưu điểm của cấu kiện kết cấu cột CFT và sàn phẳng BTCT cũng như giải pháp kết cấu cột CFT – sàn phẳng BTCT, tổng quan tình hình nghiên cứu về các liên kết đã được công bố Qua đó nêu lên sự cần thiết trong việc đề xuất một chi tiết liên kết mới và từ đó tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số sự làm việc của liên kết này để làm rõ ứng xử chịu cắt thủng và sự hiệu quả của liên kết đề xuất

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

LIÊN KẾT SÀN PHẲNG BTCT VÀ CỘT CFT

2.1 Mô hình thí nghiệm

2.1.1 Mở đầu

Liên kết mới được đề xuất giữa sàn phẳng BTCT − cột CFT được

ký hiệu là S-02-M-V và liên kết sàn phẳng − cột BTCT đối chứng có cùng đường kính cột và thông số sàn BTCT được ký hiệu là S-C-V

2.1.2 Đặc điểm và cấu tạo của liên kết đề xuất

2.1.2.1 Cấu tạo của liên kết đề xuất

Cấu tạo liên kết gồm (Hình 2.1 và Hình 2.2):

Hình 2.1 và Hình 2.2: Cấu tạo chi tiết của liên kết

2.1.2.2 Ưu và nhược điểm của liên kết mới đề xuất

– Ưu điểm

650

400 125 125

Cột thép D=400mm Bản thép dày 16mm

+ Cốt thép chịu lực của sàn phẳng BTCT có cấu tạo liên tục

+ Cấu tạo của hệ sườn thép và bản gối có tác dụng nhận tải trọng từ sàn phẳng BTCT truyền vào cả vỏ thép và lõi bê tông và làm tăng tính toàn khối của liên kết

+ Thêm nữa, với việc dùng hệ sườn và bản gối nằm hẳn ở dưới sàn, việc lắp đặt cốt thép sàn trở nên dễ dàng như với sàn BTCT thông thường

– Nhược điểm

Do hệ sườn cứng nằm hẳn dưới sàn phẳng BTCT nên tính thẩm mỹ không được đảm bảo

2.1.3 Kích thước và cấu tạo mẫu thí nghiệm

2.1.3.1 Cấu tạo chi tiết mẫu S-C-V

Hình 2.5: Mặt cắt A-A mẫu S-C-V

2.1.3.2 Cấu tạo chi tiết mẫu S-02-M-V

Hình 2.6: Mặt bằng bố

trí lớp thép trên

mẫu S-02-M-V

Hình 2.7: Mặt bằng bố trí lớp thép dưới mẫu S-02-M-V

Hình 2.8: Mặt cắt A-A mẫu S-02-M-V

8d16 d6a150 d14a120

Hình 2.10: Giai đoạn 1 − Cho

liên kết chịu chuyển vị cưỡng bức

2.2.1 Khung gia tải

2.2.2 Danh mục các thiết bị và vật tư thí nghiệm

2.3 Tiến hành thí nghiệm và xử lý kết quả

Hình 2.13: Thí nghiệm nén và kéo chẻ mẫu bê tông

Kết quả cường độ nén trung bình mẫu hình trụ f cm = 40.4 MPa và

cường độ kéo trung bình của bê tông f ctm = 0.9f sp = 3.16 MPa được thể hiện trong Bảng 2.4 và Bảng 2.5

2.3.1.2 Thép tấm

Các thép tấm và vỏ thép của cột CFT mẫu S-02-M-V sử dụng thép Q345B Thí nghiệm kéo cho thấy thép tấm có giới hạn chảy nhỏ nhất là

351 MPa, giới hạn bền là 489 MPa

Tải lặp tăng dần

Khoảng trống

Liên kết

đã chịu chuyển

vị cưỡng bức

Hình 2.14: Quan hệ ứng suất – biến dạng của thép tấm

2.3.1.3 Cốt thép sàn

Cốt thép chịu lực sử dụng trong sàn phẳng BTCT là thép Việt Nhật, đường kính 14 − SD390 Thí nghiệm kéo cho thấy cốt thép có giới hạn chảy nhỏ nhất là 532.5 MPa và giới hạn bền là 614.0 MPa

Hình 2.15: Quan hệ ứng suất – biến dạng của cốt thép sàn 14

2.3.2 Sơ đồ lắp đặt chuyển vị kế và cảm biến đo biến dạng

2.3.2.1 Sơ đồ lắp đặt chuyển vị kế cho mẫu S-C-V và S-02-M-V

Các chuyển vị kế được gắn phía trên sàn sau khi mẫu đã được lắp vào giá

gia tải với các ký hiệu D1, D2, D3, D4, D5, D6 (Hình 2.16 và Hình 2.17)

Hình 2.16: Mặt bằng lắp chuyển vị kế

cho mẫu S-C-V và S-02-M-V

Hình 2.17: Mặt đứng lắp chuyển vị kế cho mẫu S-C-V và S-02-M-V

D1 D3

475 100

400

D1 D3 H

475 100

0 100 200 300 400 500

2.3.2.2 Sơ đồ lắp đặt cảm biến cho mẫu S-C-V và S-02-M-V

Cảm biến đo biến dạng cốt thép có ký hiệu S1, S2, S3, S4, S5, S6 (Hình 2.18 và Hình 2.20) Cảm biến đo biến dạng của bê tông có ký hiệu C1, C2, C3, C3, C5 (Hình 2.5 và Hình 2.6)

Hình 2.18: Sơ đồ lắp đặt cảm biến đo

biến dạng của cốt thép lớp trên mẫu

2.3.3 Tiến hành quá trình thực nghiệm

2.3.3.1 Tạo mẫu thí nghiệm

Hình 2.23: Lắp đặt ván khuôn và cốt thép cho mẫu S-02-M-V

Hình 2.24: Đổ bê tông cho mẫu S-02-M-V 2.3.3.2 Vận chuyển mẫu, lắp mẫu vào vị trí

Hình 2.25: Lắp đặt mẫu S-C-V vào

giá gia tải

Hình 2.26: Lắp đặt mẫu S-02-M-V

vào giá gia tải

2.3.3.3 Lắp đặt thiết bị gia tải

Hình 2.27: Lắp đặt thiết bị gia tải cho mẫu S-C-V và S-02-M-V

Hình 2.31: Kết nối các dây cảm biến và chuyển vị kế vào data logger

2.3.4 Tiến hành gia tải – Kết quả thực nghiệm mẫu S-C-V

2.3.4.1 Gia tải thí nghiệm

Bắt đầu gia tải đứng khoảng 5% tổng lực phá hoại theo tính toán, khoảng 30 kN/cấp tải

2.3.4.2 Kết quả thí nghiệm của mẫu S-C-V

2.3.4.3 Hình dạng tháp nén thủng của mẫu S-C-V

Sàn bị phá hoại do nén thủng với giá trị lực là 827.3 kN (Hình 2.36)

Hình 2.35: Đường quan hệ lực - biến

dạng của bê tông sàn mẫu S-C-V

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

0 10 20 30 40 50 60 70 80

2.3.5 Tiến hành gia tải – Kết quả thực nghiệm mẫu S-02-M-V

2.3.5.1 Thí nghiệm giai đoạn 1

Dùng kích thủy lực động gắn tại đầu để tiến hành gia tải ngang theo phương pháp gia tải bằng điều khiển chuyển vị Giá trị lực kích đo được ứng với cấp chuyển vị đỉnh cột 17 mm là 74 kN

Hình 2.38: Quan hệ lực – chuyển vị ngang đầu cột

2.3.5.2 Thí nghiệm giai đoạn 2

Gia tải đứng đến khi liên kết sàn phẳng BTCT - cột CFT bị phá hoại hoàn

toàn do nén thủng với lực nén thủng là 1024.00 kN

2.3.5.3 Kết quả thí nghiệm giai đoạn 2 của mẫu S-02-M-V

Hình 2.39: Đường quan hệ lực −

chuyển vị mẫu S-02-M-V

Hình 2.40: Đường quan hệ lực − biến dạng của cốt thép sàn mẫu S-02-M-V

Hình 2.41: Đường quan hệ lực − biến

dạng của bê tông sàn mẫu S-02-M-V

Hình 2.42: Hình dạng tháp nén thủng của của mẫu S-02-M-V

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100

2.3.5.4 Hình dạng tháp nén thủng của mẫu S-02-M-V

Giai đoạn 1: Gia tải chuyển vị ngang đầu cột đạt giá trị 17 mm

ứng với lực đo là 74 kN, trên sàn không xuất hiện vết nứt

Giai đoạn 2: Kết quả thí nghiệm cho thấy sàn bị phá hoại do nén

thủng Lực nén thủng phá hoại hoàn toàn cho liên kết sàn phẳng BTCT - cột CFT là P = 1024.00 kN Hình 2.42

2.4 Kết luận

Chương 2 đã trình bày cấu tạo liên kết sàn phẳng – cột BTCT toàn khối và sàn phẳng BTCT - cột CFT được đề xuất mới, các kết quả thí nghiệm vật liệu bê tông, thép tấm và cốt thép của sàn phẳng và quy trình thực nghiệm xác định ứng xử cắt thủng của mẫu S-C-V và mẫu S-02-M-

V Kết quả thí nghiệm được thể hiện qua các biểu đồ quan hệ giữa lực nén thủng và các đại lượng như chuyển vị, ứng suất, biến dạng trong bê tông

và cốt thép của mẫu S-C-V và S-02-M-V Kết quả hình dạng của tháp nén thủng và ứng xử chịu lực khá tương đồng với các nghiên cứu của các tác giả trên thế giới

Chương 3 PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT SÀN PHẲNG BTCT VÀ CỘT CFT BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ 3.1 Đặt vấn đề

3.2 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS

3.2.1 Một số loại phần tử trong thư viện của ABAQUS

3.2.2 Các loại phần tử được sử dụng trong mô phỏng

3.2.3 Mô hình vật liệu bê tông

3.2.3.1 Ứng xử của bê tông khi chịu nén

3.2.3.2 Ứng xử của bê tông khi chịu kéo

3.2.3.3 Mô hình phá hoại dẻo của bê tông

3.2.3.4 Khái niệm bề mặt chảy dẻo trong mô hình phá hoại dẻo

3.2.4 Các loại tương tác giữa các mặt tiếp xúc của phần tử

3.2.4.1 Tương tác “tie”

3.2.4.2 Tương tác “embedded”

3.2.4.3 Tương tác “coupling”

3.2.4.4 Tương tác “hard contact”

3.3 Các bài toán mô phỏng số của tác giả đã thí nghiệm

3.3.1 Các thông số đặc trưng vật liệu

Hình 3.16: Quan hệ ứng suất – biến

dạng của bê tông khi chịu nén

Hình 3.17: Quan hệ ứng suất – bề rộng vết nứt của bê tông khi chịu kéo

Đường cong ứng xử quan hệ biến dạng và ứng suất kéo của thép tấm và cốt thép sàn d = 14 mm của mẫu S-C-V và S-02-M-V đã được trình bày trong Hình 2.14 và Hình 2.15

3.3.2 Mô phỏng ứng xử chịu nén thủng của liên kết sàn phẳng − cột giữa BTCT S-C-V

3.3.2.1 Các bộ phận của mẫu S-C-V

Hình 3.18: Hình

dạng mô phỏng

Hình 3.19: Mô phỏng sàn cột bê tông

Hình 3.20: Mô phỏng cốt thép sàn và cột

Hình 3.21: Mô phỏng gối đệm trên, dưới

3.3.2.2 Các dạng tương tác khi mô phỏng mẫu S-C-V

Bảng 3.3: Các dạng tương tác khi mô phỏng mẫu S-C-V

Cấu kiện Dạng tương tác Cấu kiện được tương tác

Sàn BTCT Hard contact − Bản thép đệm biên

trên và biên dưới Cốt thép sàn