Mô phỏng ứng xử liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ VĂN NHƢỢNG MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC Chun ngành : Kỹ thuật Xây dựng cơng trình DD & CN Mã số : 8580201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2019 Cơng trình hoàn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC Phản biện 1: PGS.TS Phạm Thanh Tùng Phản biện 2: PGS.TS Trần Quang Hưng Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 20 tháng 04 năm 2019 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa; - Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) ngày sử dụng rộng rãi Trong cơng trình nhà cao tầng, kết cấu sàn phẳng BTCT mang lại nhiều hiệu giảm chiều cao tầng mà đảm bảo khoảng thông thủy sử dụng Tuy nhiên, cơng trình có kích thước nhịp lớn việc sử dụng kết cấu sàn phẳng bê tơng ứng lực trước khơng hiệu quả, đồng thời không đáp ứng yêu cầu độ cứng ngang cho sàn việc sử dụng sàn phẳng BTCT kết hợp dầm bê tông ứng lực trước hợp lý Những nghiên cứu hệ kết cấu hạn chế, đặc biệt giải liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước chưa hiểu rõ cần có nhiều nghiên cứu để phân tích loại liên kết Do đó, việc khảo sát liên kết dầm bê tông ứng lực trước với cột ống thép nhồi bê tông cần thiết nhằm cung cấp sở lý luận chi tiết ứng xử liên kết giúp người thiết kế hiểu rõ chất làm việc để cấu tạo chi tiết liên kết hợp lý, lý để thực luận văn với đề tài: “Mô ứng xử tô t t h tô v ứng lự trư ” Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu tổng quan cột CFST, dầm bê tông ứng lực trước, liên kết cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước - Nghiên cứu sở lý thuyết xây dựng mơ hình theo phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm mô kết cấu ABAQUS) - Thực mơ hình mơ (lấy liên kết thí nghiệm) để khảo sát làm việc liên kết, cụ thể khảo sát chế phá hoại, trạng thái ứng suất - biến dạng, ảnh hưởng yếu tố cấu tạo đến cường độ liên kết Từ rút nhận xét mơ hình thí nghiệm mơ hình mơ Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu: - Đối tượng nghiên cứu: Cột CFST dầm bê tông ứng lực trước - Phạm vi nghiên cứu: Mối liên kết cột CFST dầm bê tông ứng lực trước Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan; - Nghiên cứu sở lý thuyết mơ hình mơ số (Phần mềm ABAQUS); - Mơ hình liên kết, khảo sát liên kết Kết dự kiến - Mô liên kết có kết thí nghiệm ABAQUS - Mô tả trạng thái ứng xử liên kết (tải trọng chuyển vị) - Xây dựng quy trình mơ liên kết cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước phần mềm ABAQUS Bố cục đề tài Mở đầu: Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Chƣơng 1: Tổng quan kết cấu cột CFST, kết cấu dầm bê tông ứng lực trước mối liên kết cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước Chƣơng 2: Mô liên kết phần mềm ABAQUS Chƣơng 3: Khảo sát liên kết, đánh giá kết mô Kết luận kiến nghị CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG, DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC, LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI HỆ DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC 1.1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFST 1.1.1 u t t 1.1.2 hu ự t 1.1.3 Ưu , hượ mc ac t thép h tô 1.1.4 ĩ h vự áp ụng c t CFST 1.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC 1.2.1 K t u tô t thép ứ ự trư 1.2.2 th t sử ụ tô ứ ự trư 1.2.3 N uy ý v ệ 1.2.4 B tô ứ ự trư ă trư 1.2.5 B tô ứ ự trư ă s u 1.3 LIÊN KẾT CỘT CFST VỚI DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.3.1 N h ứu N e (2008) Bai (2008) 1.3.2 N h ứu Q Jun Chen (2015) 1.3.3 N h ứu H.Y Yu (2013) 1.4 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ MÔ PHỎNG LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI DẦM BT ƢLT 1.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG CHƢƠNG MÔ PHỎNG LIÊN KẾT GIỮA CỘT THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC BẰNG PHẦN MỀM ABAQUS 2.1 MÔ TẢ LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI DẦM BT ƢLT Cấu tạo liên kết: Căn vào phân tích chế truyền tải trọng chế phá hoại cắt liên kết dầm - cột BTCT, liên kết dầm bẹt BTCT với cột CFST cấu tạo gồm: Mũ thép chịu cắt (shear-head), sử dụng thép chữ H chữ I hàn trực tiếp lên bề mặt bên ống thép xem chốt (shear key) đảm bảo tính liên tục sàn cột CFST, làm tăng khả chịu cắt cho dầm Cánh thép hình mở rộng, xem điểm tựa cho chống nghiêng bê tông làm việc, đảm bảo chế truyền lực nén từ dầm vào cột Bên cạnh đó, cốt thép dầm xiên qua cột thông qua lổ khoan sẵn mặt cột nhằm nâng cao tính 6000 6000 liên tục cho liên kết khả chịu mô men dầm 6000 d600x350 6000 6000 6000 Hình 2.1 Chọn kích thước dầm Cét CFT 150 H200x200 350 650 150 350 (300x300) 300 1550 1550 3100 Cét CFT H200x200 600 (300x300) 150 1400 1400 150 3100 200 650 Læ 14 200 250 300 250 225 12 (300x300) 350 H200x200 200 12 Cét CFT (300x300) 225 Cét CFT Lỉ 25 600 CẤU TẠO LIÊN KẾT MẶT CẮT NGANG- BỐ TRÍ THÉP Hình 2.2 Chi tiết liên kết đề xuất 2.2 MÔ PHỎNG LIÊN KẾT BẰNG ABAQUS 2.2.1 G th ệu ph ề ABAQUS 2.2.2 Xây ự hì h hì h họ Cấu kiện Dầm BTCT Ống thép cột CFST Lõi bê tông cột Tấm thép Cốt thép dọc, cốt thép đai Tấm thép đặt lực Cáp h t Loại phần tử C3D8R C3D8R C3D8R C3D8R T3D2 C3D8R C3D8T 2.2.3 Mơ hì h vật ệu ABAQUS Bê tơng Trong luận văn này, tác giả sử dụng Mơ hình phá hoại dẻo (Concrete Damaged Plasticity Model- CDP) để mô ứng xử bê tông kết cấu Cốt thép chịu lực 2.2.4 ươ tá ữ ph tử Tương tác tiếp xúc mặt với mặt (surface to surface) Ràng buộc “Tie” Ràng buộc nhúng (Embedded) Ràng buộc “Coupling” Các tương tác cấu kiện mơ hình trình bày Bảng 2.3 Bảng 2.1 Tương tác cấu kiện mơ hình Cấu kiện Dầm BTCT Dạng tƣơng tác Surface to Surface Contact Ống thép cột Surface to Surface CFST Contact Tie Tấm thép chịu cắt Embedded Cấu kiện tƣơng tác Ống thép cột CFST Lõi bê tông cột Ống thép cột CFST Dầm BTCT, Lõi bê tông cột Dầm bẹt BTCT, Lõi bê Cốt thép dọc, cốt thép đai Embedded Tấm thép đặt lực Tie Cáp Surface to Surface Dầm BTCT tông cột Dầm BTCT Contact 2.3 CÁC BƢỚC MƠ HÌNH HĨA TRÊN PHẦN MỀM ABAQUS Xác định hệ đơn vị sử dụng ABAQUS Phần mềm ABAQUS không yêu cầu khai báo đơn vị q trình mơ mà dựa vào thứ ngun đại lượng để tính tốn Trong q trình mơ đề tài sử dụng hệ đơn vị sau: - Lực: Newton - Độ dài: milimet - Thời gian: giây - Khối lượng: Tấn 2.3.1 Xây ự u ệ : Từ u e họ Part - Cấu kiện dầm bê tông + Trên vùng công cụ chọn Create Part → cửa sổ Create Part → lựa chọn Hình 2.13 → Continue → vùng công cụ chọn Create Lines: Rectangle → chọn điểm góc vẽ hình chữ nhật → Add Dimension → New dimension: điền kích thước (600) → Enter Hình 2.14 → Select the entity to dimenson → Done → cửa sổ Edit Base Extrusion nhập kích thước Hình 2.15 → OK + Để tạo lỗ dầm sử dụng chức Create Cut: Extrude → chọn mặt phẳng tạo lỗ → chọn cạnh đứng bên phải → Create Lines: Rectangle → Add Dimension → New dimension Hình 2.16 → Cancel Procedure → Done → cửa sổ Edit Cut Extrusion nhập Hình 2.17 → OK + Các bước tạo lỗ thép hình chữ H dầm sử dụng chức Create Cut: Extrude tương tự dầm bê tơng Hình 2.18 11 Cơng thức: - Δl = α.ΔT.l - P = σ.A = E.ε.A = E A (Δl/l) = E A (α ΔT) - Suy ra: ΔT = P/(E.A.α) Định nghĩa thuộc tính mặt cắt Hình 2.40 Cửa sổ định nghĩa thuộc tính cấu kiện Gán thuộc tính mặt cắt cho cấu kiện Trong mơ đun Property sử dụng chức Assign Section vùng công cụ, chọn đối tượng cần gán tiết diện vùng đồ họa, nhấn Done, xuất cửa sổ Edit Section Assignment Trong mục Section (lựa chọn loại tiết diện), sau nhấn OK 2.3.3 Lắp hép u ệ : u e họ Assembly Trong mô đun Assembly lựa chọn chức Create Instance để gọi cấu kiện vào môi trường lắp ghép Sau gọi cấu kiện vào môi trường lắp ghép, sử dụng chức mô đun Assembly như: Translate Instance ( Di chuyển đối tượng), Linear Pattern ( Nhân đối tượng), Rotate Instance ( Xoay đối tượng) để lắp ghép cấu kiện vào mơ hình Mơ hình sau lắp ghép Hình 2.43 12 Hình 2.43 Mơ hình lắp ghép hồn chỉnh 2.3.4 phâ tí h: u e họ tep - Step-1: Create Step → Couple temp-displacement → Trên mục Basic chọn Steady-state → On → Incrementation → OK - Step-2: tương tự Step-1 - Create Field Output→ chọn Hình 2.16→ Continue → OK - Create History Output → Continue → OK 2.3.5 ươ tá ữ u ệ : ue họ Interaction - Interaction Property: - Create Interaction: - Tiếp xúc bề mặt ống thép với bề mặt dầm bê tông - Ràng buộc nhúng cốt thép chịu lực bê tông - Ràng buộc nhúng thép chịu cắt bê tông - Ràng buộc thép chịu cắt ống thép cột - Ràng buộc thép đặt lực dầm bê tông 13 h 2.3.6 họ hĩ tả trọ ều ệ : ue Load Trong mô đun Load → Create Boundary Condition xuất cửa số Create Boundary Condition để thực hồn thành Hình 2.64 → Continue Hình 2.64 Các bước khai báo điều kiện biên Thiết lập điều kiện biên Boundary Condition Manager theo bước sau: - Định nghĩa điều kiện biên BC-1 khai báo điều kiện biên đối xứng: BC-2 khai báo điều kiện biên chân cột: BC-3 khai báo gia tải nhiệt ΔT: - Định nghĩa tải trọng BC-4 khai báo gia tải gây chuyển vị: Hình 2.65 Cửa sổ khai báo điều kiện biên đối xứng 14 Hình 2.66 Cửa sổ khai báo điều kiện ngàm chân cột Hình 2.67 Cửa sổ khai báo tải nhiệt (ΔT) Hình 2.68 Cửa sổ khai báo gia tải 2.3.7 h h u ệ tr hì h: ue họ Mesh Chia khối phần tử phức tạp: ống thép, dầm bê tông ứng lực trước dùng chức Create Datum Plane: Offset From Principal Create Partition để chia Hình 2.69 15 Hình 2.69 Chia khối Trong mơ đun Mesh → Seed Part Instance để định nghĩa khoảng cách lưới chia Trong cửa sổ Global Seed khai báo kích thước lưới chia mục Approximate global size: (kích thước chia lưới), lựa chọn khác theo mặc định, nhấn OK để hồn thành định nghĩa lưới chia Hình 2.70 Mơ hình sau chia lưới Stt Bảng 2.4 Kích thước chia lưới cấu kiện Cấu kiện Kích thƣớc chia lƣới Thép đai Ø8 kích thước 220x290 25 Thép đai Ø8 kích thước 550x290 25 Thép dọc Ø12 25 Thép dọc Ø20 25 Thép dọc Ø22 25 Lõi bê tông trụ 140x280x650 20 Ống thép 150x300 dày 10 20 16 Tấm thép đế 340 x 170 dày 20 20 Tấm đở Ø180 dày 30 30 10 Tấm thép neo 150x150x30 15 11 Thép H 200x200 10 12 Ống cáp 10 13 Dầm bê tông 350x600 20 2.3.8 ô tá phâ tí h: u e họ J Hình 2.71 Cửa sổ Job Manager 2.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG Trong chương trình bày vấn đề liên quan đến mô liên kết cột CFST với dầm BTCT ABAQUS, gồm: (1) chọn phần tử; (2) chọn liên kết phần tử; (3) mơ hình vật liệu; (4) chia lưới phần tử; (5) điều kiện biên; (6) điều kiện gia tải Đồng thời, chương trình bày bước thực chi tiết mơ ABAQUS Để xác thực độ tin cậy mơ hình mơ phỏng, chương tiến hành so sánh với kết thí nghiệm 17 CHƢƠNG PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 3.1 MƠ TẢ THÍ NGHIỆM 3.1.1 h t ẫu thí h ệ Mẫu có tiết diện là: b×h=600×350(mm), chiều dài dầm 3,1m Cột chế tạo từ ống thép vng kích thước 300mm×300mm chiều dày thành ống 10mm Trên thân ống có khoét lổ để đưa cốt thép neo vào cột Các mũ thép chịu cắt cấu tạo thép hình số hiệu H200x200 xuyên qua cột thông qua lổ khoét sẵn mặt cột hàn bề mặt cột Chân cột hàn thép 340x340 mm2 chiều dày 20mm để đặt kích gia tải sau này, đầu cột để trống để đổ bê tông Công đoạn chế tạo mẫu thực kiểm tra chất lượng xưởng Sau chế tạo mẫu ống thép, tiến hành gia công cốt thép Cốt thép dầm gồm cốt thép lớp đường kính 7Ø20 + Ø22, cốt thép lớp 7Ø12 cốt đai thép chịu cắt đường kính Ø10 Bố trí bên thành dầm cáp ứng lực trước có tiết diện As = 98,71mm2 3.1.2 hà h ổ tô ẫu: Hình 3.2 Chi tiết liên kết 18 Hình 3.3 Đổ bê tơng cho mẫu thí nghiệm 3.1.3 hí hệ xá h ườ vật ệu: Hình 3.5 Cơng tác lấy mẫu bê tơng 3.1.4 h t ập, trí th hệ Cách bố trí, xếp thí nghiệm thể sơ đồ Hình 3.3 cung cấp nhìn tổng qt thiết lập thí nghiệm 19 trơ thÐp h 350x350x18 D? M thÐp I 700x350x18 thÐp gi¸ treo 350x120x60 đệm d200 dày40 bu lông treo dầm dầm thép I 500x200x18 350 thép giá treo 350x120x60 kích thủy lực TấM ĐệM sàn cứng 150 825 1400 1400 150 3100 825 4750 Hình 3.8 Bố trí thí nghiệm Tải trọng đặt hai đầu dầm theo quy trình nén tĩnh Tải trọng gia tải Tấn với cấp tải đầu trước xuất vết nứt Sau xuất vết nứt, cấp tải giảm nhằm đạt kết xác Cấp gia tải lúc 1Tấn Sau cấp tải, đợi 20 chuyển vị biến dạng đạt ổn định tiến hành gia tải cấp Hình 3.9 Mẫu thí nghiệm phá hoại Trên Hình 3.10 đồ thị quan hệ tải trọng chuyển vị dầm thí nghiệm, cho thấy từ cấp tải P =840kN tải trọng tăng chậm biến dạng phát triển nhanh, điều phù hợp với quan sát từ mơ hình vết nứt thẳng góc cạnh cột phát triển nhanh hơn, chuyển vị đứng cột tăng nhanh vết nứt cắt khơng phát triển Mẫu dầm bị phá hoại Hình 3.9 840 kN P Hình 3.10 Đồ thị tải trọng – chuyển vị 3.2 SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM 21 3.2.1 sá h ườ tả trọ - huy v t u Mối quan hệ tải trọng chuyển vị yếu tố quan trọng để đánh giá độ cứng kết cấu Tiến hành so sánh đường cong mơ ABAQUS với đường cong thí nghiệm, kết thể 800 kN 840 kN Hình 3.11 Đường cong quan hệ tải trọng- chuyển vị đầu dầm Từ hình Hình 3.11 nhận thấy đồ thị mối quan hệ tải trọng – biến dạng từ kết mơ có xu hướng phát triển phù hợp với ứng xử mẫu thí nghiệm mặt dù chúng có chênh lệch, diễn biến giai đoạn phá hoại mẫu lại phù hợp Điều khẳng định độ tin cậy quy trình mơ hình mơ phỏng, hợp lý mơ hình vật liệu sử dụng cho mô phần mềm ABAQUS 3.2.2 sá h ứ xử h vệ Quan sát ứng xử dầm qua cấp tải, so sánh với ứng xử dầm theo thí nghiệm, ta thấy: 22 - Tại cấp tải P = 250 kN, dầm làm việc bình thường, chưa có tượng nứt - Vết nứt bắt đầu xuất cấp tải P = 300 kN vị trí mép cột, với bề rộng vết nứt lớn 45.75 mm Vết nứt thể Hình 3.7 Hình 3.12 Vết nứt xuất cấp tải 300 kN Với bề rộng vết nứt chưa thể quan sát mắt thường nên thí nghiệm chưa quan sát thấy vết nứt dầm cấp tải 300 kN Từ cấp tải P=400kN, Trạng thái ứng xử dầm thể qua cấp tải trọng ứng với kết thí nghiệm so sánh qua Bảng 3.3 Bảng 3.3 So sánh ứng xử mơ hình thí nghiệm với mơ hình ABAQUS Cấp tải 400 kN 450 kN 500 kN Mô hình ABAQUS Mơ hình thí nghiệm 23 550 kN 600 kN 650 kN 700 kN 750 kN 800 kN Quan sát trạng thái ứng xử bề mặt kết cấu, hình thành phát triển vết nứt qua cấp tải trọng phản ánh, nhận thấy mơ hình mơ phù hợp với ứng xử thí nghiệm Tiếp tục tăng tải trọng nhiều vết nứt hình thành, với vị trí xuất vết nứt phát triển vết nứt mơ mơ hình thí nghiệm phù hợp 3.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG Trong chương thực nội dung sau: 24 So sánh kết mơ hình mơ với mơ hình thí nghiệm Đường cong quan hệ tải trọng- chuyển vị đầu dầm mô đường cong thực nghiệm phù hợp Ngoài ra, so sánh ứng xử dầm làm việc cho thấy phù hợp mô thực nghiệm cấp tải xảy vết nứt, vị trí nứt, phát triển vết nứt qua cấp tải, điều khẳng định độ tin cậy mơ hình mơ ABAQUS KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn hoàn thành mục tiêu đề là: Tổng quan cột CFST, dầm bẹt BTCT, liên kết cột CFST với dầm BTCT, tổng quan mơ liên kết Mơ tả q trình thí nghiệm chi tiết cấu tạo cột CFST với dầm bê tơng ứng lực trước Đề xuất quy trình mơ liên kết cột CFST với dầm BTCT phần mềm ABAQUS đồng thời trình bày bước thực chi tiết mô Đề xuất giải pháp tạo ứng lực trước cáp phần mềm mô ABAQUS Đối chiếu kết mô phần mềm ABAQUS tương đồng với thí nghiệm chuyển vị, ứng xử vết nứt từ đánh giá đủ độ tin cậy để sử dụng cho liên kết tương tự Kiến nghị Cần thực phân tích chi tiết để đánh giá mơ hình phá hoại dầm ứng lực trước 25 Cần thí nghiệm thêm để khảo sát nhiều tham số ảnh hưởng đến cường độ liên kết ảnh hưởng shear-head đến phân bố độ cứng liên kết ảnh hưởng đến mơ hình phá hoại liên kết cột CFST với dầm ứng lực trước Cần nghiên cứu liên kết cho cột biên, cột góc ... kết cấu cột CFST, kết cấu dầm bê tông ứng lực trước mối liên kết cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước 3 Chƣơng 2: Mô liên kết phần mềm ABAQUS Chƣơng 3: Khảo sát liên kết, đánh giá kết mô Kết. .. kiến nghị CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG, DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC, LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI HỆ DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC 1.1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFST 1.1.1 u t t 1.1.2... DẦM BT ƢLT 1.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG CHƢƠNG MÔ PHỎNG LIÊN KẾT GIỮA CỘT THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƢỚC BẰNG PHẦN MỀM ABAQUS 2.1 MÔ TẢ LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI DẦM BT ƢLT Cấu tạo liên