Nghiên cứu sự làm việc của Shear-key trong liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng.PDF

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN DUY VIỆT NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA SHEAR-KEY TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG Chun ngành : Kỹ thuật Xây dựng cơng trình DD & CN Mã số : 8580201 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP Quảng Ngãi – Năm 2019 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC Phản biện 1: TS Nguyễn Huy Gia Phản biện 2: TS Phạm Mỹ Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp họp Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 04 tháng 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 Các cơng trình nhà cao tầng ngày sử dụng nhiều Việt Nam Một giải pháp kết cấu hợp lý kết cấu truyền thống đem lại ý nghĩa lớn mặt kĩ thuật hiệu sử dụng cho công trình Hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tơng (Concrete Filled Steel Tube - CFST) sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép sàn phẳng bê tông ứng lực trước) lựa chọn thích hợp vì: Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) sử dụng phổ biến kết cấu nhà cửa nhiều nước giới Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc giải pháp hiệu thay cho cột bê tơng cốt thép truyền thống tính vượt trội mặt kỹ thuật có độ cứng lớn, cường độ cao, độ dẻo, khả phân tán lượng tốt độ chống cháy cao Về mặt công nghệ cột ống thép nhồi bê tông dễ thi công, không cần hệ thống coffa nên rút ngắn thời gian thi cơng xây dựng cơng trình, đặc biệt loại cột phát huy hiệu thi công tầng hầm phương pháp top – down Do đó, kết cấu cột ống thép nhồi bê tơng có tiềm lớn cho việc thay cột bê tông cốt thép truyền thống kết cấu nhà cao tầng Kết cấu sàn phẳng xem giải pháp sàn hiệu làm giảm chiều cao tầng, tăng số tầng sử dụng thuận tiện cho thi công đẩy nhanh tiến độ xây dựng, thuận lợi cho việc bố trí đường ống thiết bị kĩ thuật, dễ dàng thơng gió linh hoạt bố trí mặt so với kết cấu sàn có dầm Như vậy, việc kết hợp hai loại kết cấu sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép sàn phẳng bê tông ứng lực trước) cột ống thép nhồi bê tông cho kết cấu nhà cao tầng đem lại hiệu cao mặt kinh tế, kĩ thuật Tuy nhiên, vấn đề lớn kết hợp hai loại kết cấu liên kết Cơ chế ứng xử liên kết cột ống thép nhồi bê tông kết cấu sàn phẳng phức tạp chưa hiểu rõ Hiện nay, nghiên cứu thực nghiên cứu tổng thể cho liên kết cột với sàn phẳng chưa có nhiều nghiên cứu đề cập đến đóng góp phận liên kết đến khả chịu cắt liên kết Đối với liên kết sàn phẳng – cột CFST, chi tiết Shear-key đóng vai trò quan trọng việc kết nối sàn cột để đảm làm việc chung hệ kết cấu Ứng xử shear-key chưa hiểu rõ cần khảo sát yếu tố ảnh hưởng shear-key tương quan độ cứng, ảnh hưởng chiều dài, phân bố mô men shear-key đến khả chịu lực liên kết để từ đưa giải pháp cấu tạo, tính tốn hợp lý nhằm áp dụng hiệu hệ kết cấu sàn phẳng cột ống thép nhồi bê tông xây dựng nhà cao tầng Đấy lý để thực luận văn với đề tài: “NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA SHEAR – KEY TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG” Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Nghiên cứu tổng quan cột CFST, sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép sàn phẳng bê tông ứng lực trước) liên kết cột CFST sàn phẳng, làm việc Shear-key; - Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử Shear-key liên kết cột CFST với sàn phẳng; - Đưa lưu ý thiết kế, tính tốn, cấu tạo cho Shear key Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: Mối liên kết cột CFST sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép sàn phẳng bê tông ứng lực trước) 3 Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát làm việc Shear-key Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết; nghiên cứu thực nghiệm Kết dự kiến - Kết ứng xử thực tế Shear-key từ mơ hình thí nghiệm; - Đưa lưu ý thiết kế, tính tốn, cấu tạo cho Shear key Bố cục đề tài Mở đầu; Chương 1: Tổng quan kết cấu cột CFST, sàn phẳng bê tông cốt thép mối liên kết cột CFST với sàn phẳng; Chương 2: Sự làm việc Shear key liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng Chương 3: Thí nghiệm khảo sát làm việc Shear-key liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng Kết luận kiến nghị Danh mục tài liệu tham khảo CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỘT CFST, SÀN PHẲNG VÀ MỐI LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI SÀN PHẲNG 1.1 Tổng quan cột ống thép nhồi bê tông 1.1.1 Khái niệm cột ống thép nhồi bê tông 1.1.2 Phân loại cột ống thép nhồi bê tông 1.1.3 Ưu điểm, nhược điểm cột ống thép nhồi bê tông 1.1.4 Khả áp dụng 1.2 Tổng quan loại sàn phẳng BTCT 1.2.1 Sàn phẳng BTCT thường 1.2.2 Sàn phẳng bê tông ứng lực trước 1.2.3 Sàn Bubbledeck 1.2.4 Sàn U-boot Beton 1.3 Tổng quan liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép 1.3.1 Nghiên cứu Hiroki Satoh 1.3.2 Nghiên cứu Y Su, Y Tian 1.3.3 Nghiên cứu Cheol-Ho Lee 1.3.4 Nghiên cứu Young K.Ju 1.3.5 Nghiên cứu Jin-Won Kim 1.3.6 Alessandra L Carvalho 1.3.7 Nghiên cứu Thibault Clément 1.3.8 Nhận xét 1.4 Kết luận chương Qua tổng quan thấy ưu điểm kết cấu sàn phẳng kết cấu cột CFST hiệu mang lại kết hợp sàn phẳng cột CFST kết cấu cơng trình đặc biệt kết cấu nhà nhiều tầng Tuy nhiên, cần phải giải vấn đề liên kết sàn cột, đặc biệt làm việc Shear – key phá hoại chọc thủng sàn liên kết Trong chương luận văn trình bày vai trò Shear key liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT 6 CHƯƠNG SỰ LÀM VIỆC CỦA SHEAR KEY TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TƠNG VỚI SÀN PHẲNG 2.1 Vai trò Shear - key liên kết cột cfst với sàn phẳng BTCT Trên vị trí đầu cột nơi có lực cắt lớn ứng suất tiếp lực cắt ứng suất pháp mômen gây ứng suất kéo nghiêng với trục góc Khi ứng suất kéo vượt qua cường độ chịu kéo bê tông gây khe nứt nghiêng Theo vị trí vết nứt nghiêng hình thành xuất thành phần lực để chống lại lực cắt Các thành phần lực kháng cắt bao gồm: Sự cài khóa cốt liệu, Vagg - Aggregate interlock; Sự kháng cắt bê tông vùng nén, Vch - Concrete compressive zone; Sự kháng cắt cốt dọc, Vdow - Dowel action ; Sự làm việc cốt đai, Vsw,i - Transverse reinforcement ; Sự làm việc Shear – key, V Shear-key Sµn BTCT Sµn BTCT Cét CSFT vi vsw1 vagg vsw2 Nch Cét CSFT v hc av lv a0 v hc Ndow Nagg v vch N VÕt nøt c¾t chÝnh av lv L/2 vi vdow a0 L/2 Hình 2.1 Cơ chế truyền lực cắt qua khe nứt nghiêng Như vậy, khả chịu cắt khe nứt nghiêng tổng kháng cắt chế thể qua công thức tổng quát sau: Vtot  Vch  V  Vagg  Vdow   Vsw,i (2.1) Trong liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT, Shear key đóng vai trò quan trong việc kết nối sàn cột đảm bảo cho sàn cột liên tục làm việc đồng thời với Với cấu tạo Shear key đoạn thép hình tiết diện H hàn cứng vào thành ống thép cánh Shear - key đóng vai trò gối đỡ cho chống phát triển Trong trường hợp cụ thể, độ dài shear-key ảnh hưởng đến hình dáng chống Khi lực tác dụng tăng lên tạo ứng suất lớn chịu nén gây vết nứt nghiêng Vết nứt cắt qua shear-key phát triển bên shear-key 2.2 TÍNH TỐN SỰ ĐĨNG GĨP CỦA SHEAR KEY ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT THỦNG CHO SÀN 2.2.1 Hệ shear key làm việc cột kích thước lớn Phương thức thiết kế giả thiết hệ shear key làm việc cột kích thước lớn với kích thước cột mở rộng kích thước cột cộng với chiều dài shear key phía Điều kiện dựa sở shear key không bị phá hoại trước sàn bị phá hoại đóng vai trò chống phá hoại cắt thủng cho sàn d/2 d/2 Tiết diện cột d/2 d/2 d/2 d/2 b a Tiết diện cột Chu vi tiết diện tới hạn D D+d d/2 Chu vi tiết diện tới hạn Diện tích chòu tải thực Chu vi tiết diện tới hạn Chu vi chòu tải hiệu D D+d Hình 2.1 Xác định chu vi tiết diện tới hạn Như vậy, trường hợp shear key xem gối đỡ cho sàn khả chống cắt thủng xác định ứng suất cắt bê tơng nhân với diện tích tháp cắt thủng Quan điểm nhiều tiêu chuẩn áp dụng thực tế thiết kế Trong luận văn trình bày tiêu chuẩn ACI 318-14 8 2.2.2 Khả chịu cắt thủng sàn đóng góp bê tông shear key Theo Jin-Won Kim [5], khả chịu cắt sàn gồm đóng góp bê tông ψVc shear key Vs: Vn = ψVc + Vs (2.11) Vs = nVw = n.GγA w (2.12) 2.3 CẤU TẠO SHEAR KEY Về mặt cấu tạo, thép hình sử dụng làm mũ chịu cắt phải đảm bảo yêu cầu sau: - Mỗi cánh tay chịu cắt hàn vào cánh tay vuông góc giống hệt với đường hàn cánh tay phải liên tục tiết diện cột - Vùng cánh chịu nén thép hình phải đặt cách đáy sàn khoảng không lớn 0,3d - Chiều cao thép hình khơng lớn 70 chiều dày bụng - Các kết thí nghiệm nghiên cứu cho thấy lực cắt toàn chiều dài vươn mũ chịu cắt số Phần lực cắt phần chiều dài vươn mũ chịu cắt chịu tỷ lệ với độ cứng αv : α v = E s Is E c I c 2.4 Kết luận chương Trong chương tác giả luận văn thực vấn đề: - Vai trò Shear key liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT; - Nghiên cứu tính tốn đóng góp Shear - key đến khả chịu cắt thủng cho sàn; - Trình bày số yêu cầu cấu tạo Shear – key 9 CHƯƠNG THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT SỰ LÀM VIỆC CỦA SHEAR-KEY TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG 3.1 Chế tạo mẫu, thiết bị thiết lập thí nghiệm 3.1.1 Cấu tạo liên kết cột CFST với sàn phẳng bê tông ứng lực trước + Shear head: Để đảm bảo tính liên tục sàn cột CFST chi tiết Shear-head chọn thép hình chữ H I, phần cánh cắt bỏ để chừa lại phần bụng Phần đưa vào bên cột qua rãnh xẻ mặt cột Hình 3.1 Mặt cắt dọc bố trí liên kết cột CFST- sàn phẳng BTCT + Tấm thép liên tục bao quanh chu vi cột (Continuity plate) Chi tiết bố trí phía cánh tiết H I, hàn theo chu vi cột liên kết với thép Shear-head + Cốt đai dạng chữ C Bố trí theo suốt chiều dày sàn với móc neo tiêu chuẩn theo ACI 318 dùng để gia cường khả chịu cắt cho sàn, đảm bảo cho sàn xảy phá hoại dẻo + Cốt thép sàn (cốt thép lớp cốt thép lớp dưới) chịu mô men sàn Cốt thép xiên qua cột lổ khoan sẵn mặt cột Chú ý lổ khoan phải khác cao trình mặt cột để thuận tiện cho việc xuyên cốt thép Để thuận tiện cho đổ bê tông lõi 10 cột, cốt thép nên bố trí cho đủ tạo khoảng trống cho ống đổ bê tông di chuyển lõi ống thép thi công + Cột ống thép nhồi bê tơng 3.1.2 Thiết kế mẫu thí nghiệm Mẫu thí nghiệm thực mẫu với kích thước thật Cơ sở để chọn mẫu dựa vào điều kiện làm việc tương đương với khả chịu tải liên kết cho sàn có kích thước 6m × 6m 400 300 400 I I 450 400 200 Thép hình H100x100 300 50 Cột ống thép 300×300×10 50 Cột ống thép 300×300×10 Tấm đế 340×340×20 400 Tấm thép liên tục dày 10mm 450 400 50 50 50 Tấm thép đỡ dày 10mm 450 400 50 100 200 35 100 65 100 Thép hình H100x100 300 340 MẶT CẮT I-I 50 CẤU TẠO CỘT GIỮA 50 50 450 400 t = 10mm 100 300 400 450 400 300 MAËT CẮT DỌC ỐNG 50 AI 100 84 84 84 AI A-A Ghi chú: Dùng thép CT34 Đường hàn 8mm 50 300 400 50 TẤM THÉP ĐỢ Hình 3.1 Cấu tạo chi tiết liên kết 3.1.3 Chế tạo mẫu thí nghiệm Mẫu cột chế tạo từ ống thép vng kích thước 300×300mm2 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 11 hình số hiệu H100×100 xun qua cột thông qua lổ khoét sẵn mặt cột hàn bề mặt cột Chân cột hàn thép 340×340mm2 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 Hình 3.1 Chế tạo liên kết cột CFST- sàn phẳng BTCT Hình 3.2 Lắp đặt cốt thép cáp dự ứng lực 12 Hình 3.3 Đổ bê tơng sàn dưỡng hộ mẫu 3.1.4 Thiết bị thí nghiệm 13 3.2 Thí nghiệm xác định cường độ vật liệu 3.2.1 Thí nghiệm bê tơng Đúc mẫu thí nghiệm: tiến hành đúc mẫu trụ kích thước lúc thi cơng đổ bê tông sàn Mẫu dưỡng hộ điều kiện phòng thí nghiệm thực thí nghiệm 28 ngày tuổi Hình 3.2 Đúc mẫu bê tơng mẫu trụ 150×300mm dưỡng hộ 3.2.2 Cốt thép Mẫu thép lấy từ cốt thép sàn, lấy mẫ 600mm để thí nghiệm kéo thép Hình 3.3 Mẫu thép, thí nghiệm kéo thép 3.2.3 Cáp ứng lực trước 3.3 Thiết lập thí nghiệm Theo thiết kế, sàn neo giữ neo nối vào đế khung gia tải Đầu đầu cột bố trí 14 neo giữ chế tạo tròn gối tựa ổ bi nhằm đảm bảo cho cột trượt tự theo phương thẳng đướng hạn chế ma sát với thành cột Hình 3.24 Lắp đặt thiết bị thiết bị đo cho mẫu thí nghiệm Bố trí strain gauge đo biến dạng Shear key: Shear-head tiết diện H100×100 nhúng vào sàn BTCT làm việc giống xơn, cảm biến SH1-SH5 bố trí cánh Shear-head, Shear key SHW1, SHW2 bố trí bụng shear key strain gauge SHB1 bố trí cánh shear key 400 50 75 75 75 75 50 50 SH5 SH4 SH3 SH2 SH1 50 SHW1 SHW2 75 75 75 75 50 SH5 SH4 SH3 SH2 SH1 SB1 400 300 400 KÝ HIÖU SH: Strain gauge Shear - Head Hình 3.5 Strain gauge đo biến dạng bề mặt cánh Shearhead 15 3.4 Mô tả kết thí nghiệm đánh giá kết đo 3.4.1 Mơ tả kết quả thí nghiệm Thực gia tải cho mẫu với cấp tải Pi=50kN, giữ tải chuyển vị LVDT biến dạng Strain gauges ổn định, thời gian giữ tải cấp phút quan sát thấy được: Hình 3.23 Vết nứt sàn Hình 3.24 Vết nứt sàn cấp tải P=730kN cấp tải P=1530kN Hình 3.25a Sự phá hoại bê tơng Hình 3.26.b Sự phá hoại bê tông mặt P=1780kN mặt P=1780kN 3.4.2 Đánh giá kết quả thí nghiệm Kết ghi lại Strain gauge dán shear key cho đồ thị quan hệ biến dạng tải trọng sau: 16 Hình 3.7 Đồ thị tải trọng - biến dạng cánh Shear key Đồ thị Hình 3.26 mơ tả biến dạng cánh Shear key ghi lại từ Strain gauge từ SH1 đến SH5 Nhìn chung biến dạng cánh chịu kéo giảm dần từ mặt cột đầu mút shear key Biến dạng lớn thu vị trí gần mặt cột Hình 3.8 Đồ thị tải trọng - biến dạng bụng Shear key 17 Kết biến dạng bụng shear key mơ tả hình 3.17 lớn, bụng đạt đến ứng suất chảy dẻo trạng thái tới hạn Điều củng cố quan điểm bụng với bê tông tham gia chịu cắt thủng cho sàn Hình 3.9 Mặt phá hoại sàn có bố trí shear key Hình 3.10 Mặt cắt sàn 18 a) Mặt cắt A-A b) Mặt cắt B-B Hình 3.11 Kết quan sát phá hoại bên sàn Hình 3.30 cho thấy chi tiết vết nứt phá hoại Các vết nứt phá hoại xa khỏi mặt cột hay chu vi tháp cắt thủng lớn so với không sử dụng shear key Trong trường hợp shear key xem gối đỡ cho sàn khả chống cắt thủng xác định ứng suất cắt bê tông nhân với diện tích tháp cắt thủng Quan điểm nhiều tiêu chuẩn áp dụng thực tế thiết kế Với shear key, xem làm việc xơn, nên đoạn vươn phải đảm bảo đủ cứng để phát huy vai trò làm gối tựa Đoạn vươn yêu cầu theo ACI 318 không vượt lần chiều cao làm việc sàn 3.5 Kết luận chương Trong chương thực nội dung sau: 19 - Tiến hành mô tả cấu tạo liên kết cột CFST với sàn phẳng bê tông cốt thép Chi tiết liên kết gồm: Shear head tiết diện H, liên tục, shear head, cốt đai cốt thép dọc xuyên cột - Chế tạo mẫu thí nghiệm với kích thước thật để kết thu từ thí nghiệm phản ánh với thực tế làm việc liên kết - Thiết lập thí nghiệm, tham số đo biến dạng shear key đo cảm biến Strain gauge ghi lại kết chương trình máy tính - Kết thí nghiệm cho thấy, có mặt shear key làm tăng khả chịu cắt thủng cho sàn Đồ thị tải trọng biến dạng cánh shear key phản ánh làm việc shear key qua giai đoạn thí nghiệm KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn thực nghiên cứu ảnh hưởng shear key đến làm việc sàn liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng BTCT Kết nghiên cứu nhận sau: - Luận văn nghiên cứu chế chịu cắt shear head vết nứt nghiêng lực cắt, từ trình bày quan điểm tính tốn sức kháng cắt thủng cho sàn trường hợp sử dụng shear key - Nghiên cứu thực nghiệm liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT ứng lực trước mẫu với kích thước thật có bố trí cốt đai Kết thí nghiệm cho thấy sàn bị phá hoại cắt thủng Tải trọng phá hoại đạt 1780kN - Sự có mặt Shear key làm tăng khả chịu cắt thủng sàn, xem hệ shear key làm việc cột lớn với kích thước cột lớn kích thước ống thép cộng với chiều dài shear key theo phương Trong trường hợp shear key xem gối đỡ 20 cho sàn khả chống cắt thủng xác định ứng suất cắt bê tơng nhân với diện tích tháp cắt thủng - Để hệ Shear key xem gối đỡ để truyền tải trọng vào cột độ cứng phải đảm bảo αv> 0.15 đoạn vươn shear key khỏi mặt cột không vượt lần chiều cao làm việc sàn - Cánh Shear key đạt trạng thái chảy dẻo Như shear key tham gia chịu mô men với cốt thép Tuy nhiên, thiên an tồn khả chịu mơ men shear Key không dùng để giảm cốt thép chịu mô men mặt cột Kiến nghị Cần thực mô để khảo sát chi tiết khía cạnh khác shear key (ảnh hưởng kích thước tiết diện, chiều dài đoạn vươn…) đến khả chịu cắt thủng sàn  ... CFST VỚI SÀN PHẲNG 1.1 Tổng quan cột ống thép nhồi bê tông 1.1.1 Khái niệm cột ống thép nhồi bê tông 1.1.2 Phân loại cột ống thép nhồi bê tông 1.1.3 Ưu điểm, nhược điểm cột ống thép nhồi bê tông. .. Chương 1: Tổng quan kết cấu cột CFST, sàn phẳng bê tông cốt thép mối liên kết cột CFST với sàn phẳng; Chương 2: Sự làm việc Shear key liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng Chương 3:... ống thép nhồi bê tông xây dựng nhà cao tầng Đấy lý để thực luận văn với đề tài: “NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA SHEAR – KEY TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG” Mục tiêu nghiên cứu