Ứng xử của cột ống thép nhồi bê tông chịu tác dụng của tải trọng và nhiệt độ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VĂN LANH ỨNG XỬ CỦA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VĂN LANH ỨNG XỬ CỦA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình DD & CN Mã ngành: 85.80.201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN Đà Nẵng – Năm 2019 LỜI CẢM ƠN Qua trình nỗ lực phấn đấu học tập nghiên cứu thân với giúp đỡ tận tình thầy, cô giáo Trường ĐH Bách Khoa Đà Nẵng bạn bè đồng nghiệp, luận văn thạc sĩ ứng dụng “Ứng xử cột ống thép nhồi bê tông chịu tác dụng tải trọng nhiệt độ” tác giả hồn thành Để có thành này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy TS Trần Anh Thiện tận tình hướng dẫn, bảo trình thực luận văn Cuối tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tồn thể Thầy, giáo khoa Xây dựng Dân dụng Công nghiệp, Trường Đại học Bách Khoa, gia đình, bạn bè động viên, tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn Mặc dù cố gắng hạn chế thời gian, kiến thức khoa học kinh nghiệm thực tế thân tác giả cịn nên luận văn khơng thể tránh khỏi thiếu sót Tác giả mong nhận ý kiến đóng góp trao đổi chân thành giúp tác giả hoàn thiện đề tài luận văn Xin trân trọng cảm ơn! Đà Nẵng, ngày 30 tháng 10 năm 2019 Học viên thực Lê Văn Lanh LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Lê văn Lanh ỨNG XỬ CỦA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ Học viên: Lê Văn Lanh Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình DD&CN Mã số: 85.80.201 Khóa: 35 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Cột ống thép nhồi bê tông (CFST) sử dụng phổ biến công trình xây dựng Khi cháy xảy ra, bị ảnh hưởng nhiệt độ tăng cao, vật liệu bê tông thép bị giãn nở với ngoại lực tải trọng tác dụng làm kết cấu bị phân phối lại nội lực Ứng xử kết cấu trở nên phức tạp; trường hợp cần phải có phần mềm hỗ trợ để phân tích ứng xử cách chi tiết Do đó, phần mềm ABAQUS sử dụng để mô kết cấu cột CFST chịu tác dụng tải trọng nhiệt độ Luận văn dựa vào đường chuẩn ASTM E119-88 để xây dựng đường quan hệ nhiệt độ xung quanh bề mặt kết cấu thời gian cháy, sau tính tốn truyền nhiệt từ bề mặt kết cấu đến điểm bên kết cấu Từ phân tích ứng xử học kết cấu điều kiện nhiệt độ tăng cao theo thời gian Nghiên cứu phân tích so sánh làm việc cột CFST so với cột ống thép rỗng có khả chịu lực chịu tải trọng nhiệt độ, từ làm bật khả chịu lửa cột CFST Từ khóa: cột ống thép nhồi bê tông, lõi bê tông, ống thép, truyền nhiệt, lửa BEHAVIOR OF CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMNS UNDER COMBINED TEMPERATURE AND LOADING Abstract – Concrete Filled Steel Tube (CFST) columns are quite popular in construction During a fire, due to the increasing temperature, the expanding of concrete and steel materials along with external forces caused by loading makes the structure redistribute internal forces The behavior of the structure becomes complicated; in this case, it is necessary to have a supported software to analyze the structural response in details In this study, ABAQUS software is used to simulate CFST column structure under load and temperature This thesis relies on the ASTM E119-88 curve to build the temperature profile in the steel tube and concrete core with respect tothe burning time, then calculate the heat transfer from the structure surface to the inside area of the structure Analyzing the mechanical behavior of the structure under increasing temperature over time was carried out The study also investigated and compared the behavior of CFST columns with circular hollow steel columns under temperature and loading, thereby highlighting the fire-resisting capacity of CFST columns Keywords: concrete filled steel tube columns, concrete core, steel tube, heat transfer, fire MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Bố cục luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỘT CFST KHI CHỊU TÁC DỤNG TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ TĂNG Tổng quan cột CFST 1.1.1 Cấu tạo cột CFST 1.1.2 Đặc điểm cột CFST chịu lực nén tâm 1.1.3 Đặc điểm cột CFST chịu đồng thời tải trọng nhiệt độ Tính chất lý vật liệu chịu nhiệt độ 1.2.1 Tính chất lý bê tông chịu nhiệt độ tăng cao 1.2.2 Tính chất lý thép chịu nhiệt độ tăng cao Tình hình nghiên cứu 12 1.3.1 Tình hình nghiên cứu nước 12 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước 13 Kết luận chương 14 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN KẾT CẤU CỘT CFST KHI CHỊU TÁC DỤNG TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ 15 2.1 Ứng xử cháy cột CFST 15 2.1.1 Sự truyền nhiệt kết cấu 15 2.1.2 Phân tích kết cấu điều kiện cháy 20 2.1.3 Lý thuyết xác định biến dạng bê tông 23 2.1.4 Lý thuyết xác định biến dạng ống thép 29 2.2 Mô cột CFST phần mềm ABAQUS 30 2.2.1 Cơ sở lý thuyết ABAQUS truyền nhiệt 30 2.2.2 Định nghĩa phần tử Abaqus 32 2.2.3 Tương tác ràng buộc phần tử 34 2.2.4 Thuộc tính tương tác kết cấu cột CFST Abaqus 34 2.2.5 Q trình phân tích kết cấu phần mềm Abaqus 35 2.2.6 Các bước mơ hình hóa phần mềm Abaqus 36 2.3 Kết luận chương 42 CHƯƠNG MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CỦA CỘT CFST KHI CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG VÀ NHIỆT ĐỘ 43 3.1 So sánh kết mô với kết thực nghiệm 43 3.1.1 So sánh kết mô với kết thực nghiệm cột C11 [22] 43 3.1.2 So sánh kết mô với kết thực nghiệm cột C17 [22] 50 3.2 So sánh khả chịu lực cột CFST cột ống thép rỗng (CHS) 52 3.3 Kết luận chương 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59 Kết luận 59 Kiến nghị 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CFST Ống thép nhồi bê tông CHS Cột ống thép rỗng CHS C1 Cột ống thép rỗng có tiết diện 219.1x8.18 mm CHS C2 Cột ống thép rỗng tiết diện 219.1x19 mm EC1 Eurocode EC2 Eurocode EC3 Eurocode EC4 Eurocode PPPTHH Phương pháp phần tử hữu hạn QCVN Quy chuẩn Việt Nam TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam Test Kết thực nghiêm Lie,T Chabot, M năm 1922 DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng biểu Tên bảng biểu Trang 2.1 Mô tả ký hiệu yếu tố 33 2.2 Lựa chọn phần tử mô 34 2.3 Các dạng tương tác sử dụng mô 34 2.4 Hệ đơn vị phần mềm Abaqus 36 3.1 Dữ liệu đặc tính vật liệu bê tông chịu nhiệt độ 47 3.2 Dữ liệu đặc tính vật liệu thép chịu nhiệt độ 48 3.3 Dữ liệu đặc tính vật liệu thép chịu nhiệt độ 48 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hiệu Tên hình vẽ hình vẽ Trang 1.1 Độ giản nở dài bê tông nhiệt độ tăng cao 1.2 Độ giản nở bê tông nhiệt độ tăng cao 1.3 Nhiệt dung riêng bê tông nhiệt độ tăng cao 1.4 Tính dẫn nhiệt bê tông nhiệt độ tăng cao 1.5 Khối lượng riêng bê tông nhiệt độ tăng cao 1.6 Mối quan hệ ứng suất – biến dạng nhiệt độ khác 1.7 Độ giản nở dài thép nhiệt độ tăng cao 10 1.8 Độ giản nở thép nhiệt độ tăng cao 10 1.9 Nhiệt dung riêng thép nhiệt độ tăng cao 11 1.10 Tính dẫn nhiệt thép nhiệt độ cao 12 1.11 Đường cong ứng suất (stress) – biến dạng (strain) nhiệt độ tăng 12 cao với cường độ thép 350Mpa 2.1 Mối quan hệ nhiệt độ thời gian lò cháy hai đường chuẩn 16 ISO 834 ASTM E119 2.2 Dẫn nhiệt xảy vật liệu có chênh lệch nhiệt độ 17 2.3 Dẫn nhiệt tinh thể lan truyền dao động nhiệt phân tử 17 2.4 Sự truyền nhiệt kết cấu 19 2.5 Sơ đồ phân tích lệch tải (Lie 1994) 20 2.6 Ứng xử điển hình cột CFST chịu nhiệt độ cao 21 2.7 Vịng lặp quy trình tính tốn bước thời gian(s+1) 22 2.8 Mơ hình tốn học biểu diễn quan hệ ứng suất-biến dạng bê tông chịu nén nhiệt độ cao 24 2.9 Biến dạng giảm ứng suất mơ hình tích hợp (implicit model) mơ hình phân lập (explicite model) 25 2.10 So sánh ứng suất - biến dạng 500oC hai mơ hình với kết thí nghiệm 26 2.11 So sánh kết thí nghiệm (Schneider1988) với kết tính theo số mơ hình 28 2.12 Các thông số đặc trưng cho trạng thái làm việc vật liệu thép 29 nhiệt độ  cho trước 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Chu Thị Bình (2012), “ Nghiên cứu thực nghiệm cột ống thép nhồi bê tông điều kiện cháy”, Tạp chí khoa học cơng nghệ xây dựng số - 2012 [2] Hồng Anh Giang (2017), “Dầm Bê tơng cốt thép chịu tác động lửa-Lựa chọn mơ hình phần tử cho mơ hình nhiệt học ANSYS”, Luận văn thạc sỹ, Đại học Bách Khoa Đà nẵng [3] Phan Đình Hịa, Phạm Hữu Hiệp (2016), “Mơ cột ngắn ống thép nhồi bê tông chịu tải trọng nén tâm”, Tạp chí KHCN Xây dựng [4] Nguyễn Anh Nhật (2018), “Ảnh hưởng tăng nhiệt độ đến ổn định tổng thể dầm liên hợp thép - bê tông”, Luận văn thạc sỹ, Đại học Bách Khoa Đà nẵng [5] Nguyễn Viết Trung, Trần Việt Hùng (2016), “Kết cấu ống thép nhồi bê tông”, NXB Xây dựng [6] Trương Quang Vinh (2018), “ Phân tích kết cấu liên hợp thép – bê tông điều kiện cháy có xét đến q trình tăng nhiệt độ giảm nhiệt độ”, Luận án tiến sỹ, Đại học Kiến trúc Hà Nội [7] QCVN 03:2012/BXD, Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia ngun tắc phân loại, phân cấp cơng trình dân dụng, công nghiệp hạ tầng kỹ thuật đô thị [8] QCVN 06:2010/BXD, Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia an tồn cháy cho nhà cơng trình [9] TCVN 2622:1995, Phịng cháy, chống cháy cho nhà cơng trình – Yêu cầu thiết kế [10] TCVN 9311-2012, có quy định thí nghiệm chịu lửa để xác định giới hạn chịu lửa cấu kiện [11] TCVN 6160:1996, Phòng cháy chữa cháy nhà cao tầng – Yêu cầu thiết kế Tiếng Anh [12] Capilla, A (2012), “Numerical Analysis of the Fire Resistance Circular and Elliptical Slender Concrete Filled Tubular Columns”, Universitat Politècnica De València [13] American Society for Testing and Materials (ASTM), (1990) “PStandard Methods of Fire Test of Building Construction and Materials”, Philadelphia 61 [14] Law A, Gillie M (2008), “Load induced thermal strain: implications for structural behaviour, Proceedings of the Fifth International Conference on Structures in Fire”, Singapore, pp 448-496 [15] Varma, A., Srisa-Ard, J and Hong, S (2004), “Analytical Investigations of the Fire Behavior of Concrete Filled Steel Tube (CFT) Columns”, ASCE, Journal of Structure Engineering, ISSN 1793-6764 [16] Emad AL-Wsabi, Nabil Falah (2015), “Behavior of Concrete – Filled steel Tube Columns under Fire”, Journal of Science & Technlogy [17] Eurocode (EC1) (2002), Actions on Structures, Part 1.2: General Actions Actions on Structures Exposed to Fire Brussels, Belgium: Comité Européen De Normalisation [18] EN 1992-1-2 (2004), Eurocode 2- Design of concrete structures - Part 1.2:General rules- Structural fire design, European committee for Standardization [19] EN 1993-1-2 (2005), Eurocode 3- Design of steel structures - Part 1.2: General rules- Structural fire design, European committee for Standardization [20] EN 1994-1-2 (2005), Eurocode 4- Design of composite steel and concrete structures- Part 1-2: General rules-structural fire design, European committee for Standardization [21] ENV 1992-1-2 (1995), Eurocode 2- Design of concrete structures - Part 1.2: 62 General rules- Structural fire design, Pre Standard European committee for Standardization [22] Lie, T and Chabot, M (1992), “Experimental Studies on the Fire Resistance of Hollow Steel Columns Filled With Plain Concrete”, National Research Council Canada, Internal Report No 611 [24] Gernay T (2012), “Effect of Transient Creep Strain Model on the Behavior of Concrete Columns Subjected to Heating and Cooling”, Fire Technology, Volume 48, Number 2, 313-329 [25] ISO 834 (1999), Fire-resistance tests – Elements of building construction Part 1: general requirements [26] ABAQUS 2016 Analysis Users Guide [27] ANSYS https://www.ansys.com/ DAr Hec pa NANc TRUONG DAI HQC rACH KHOA ceNG HoA xA ugt cHU Ncnia vIT,T NAM DQc lflp - Tq - HSnh phfc ?@w HO So HQr DONG UANH GrA LUAN VAN THAC Si Hgc vi6n: LO Vin Lanh Bi6n bin HQi d6ng BAng di6m cfia hgc vi6n cao hgc Lf lfch khoa hgc ctra hgc vi6n Bi6n bin ki6m phi6u Nhpn x6t TT HO VA TEN EI E tr E rnAcn NHrEM TRONG HQI DONG PGS.TS TrAn Quang Hung Chil tich HQi dong PGS.TS EEng C6ng Thu{t Thu lry HQi d6ng J a GS"TS Phan Quang Minh TS Phpm TS LC Quang TuAn Uy viAn TS TrAn Anh ThiQn Ngudi hudng ddn M! Phdn bisn NHAN XET Brtn nhQn xdt PhiAu -.; arcm V I V Phdn bi€n V / ) Utha"g lord* 201g Dd NEng, ngdy Thu kf HQi ddng aca,,-v cgNG HoA xA ugr cHU Ncui.q vIET NAM DQc l$p - Tg - HSnh phfc EAr Hec oa NANc TRUoNG DAr Hec sAcu KHoA BIf,,N NAX HQP HQr DoNG oANn GrA LUAN VAN rHAC Si Ngity/3,Ahfung l.o ndm 2011 ., Hgi d6ng dugc thdnh lpp theo Quytit dinh s6 ctra HiQu truong trudng Dai hqc B6ch khoa, gdm c6c thenh vi6n: rA HO VA TEN TT cUoNG vI rRoNG HeI DONG PGS.TS TrAn Quang Hung Chri tich HQi tl6ng PGS.TS Ding C6ng Thuflt Thu ky HQi d6ng a GS"TS Phan Quang Minh TS Pham TS LC Quang Tu6n dd hgp (c6 - IJy vi6n Phin biQn M! Uy vi6n Phin biQn2 Uy vi6n mit:f, v ilng mgt'%henh vi6n) dO d6nh gi5 lupn vdn thpc si: TOn dA tdi: Ung x* ctia cQt 6ng thdp nhd Ae t6ng chlu tdc &tmg cila tdi trpng vd nhi€t d0 - Chuydn ngdnh: K! thuAt x6y dpg c6ng trinh ddn dpng vd c6ng nghiQp (Kss.XDD) l Cria hgc vi6n cao hgc: L6 Vin Lanh NQi dung Uu6i hgp tl6nh gi6 gdm cric phAn chfnh sau tl6y: a Thu $f HQi d6ng b6o c6o qu6 trinh hgc tQp, nghiCn criu vd dqc ly lich khoa b c d e f hqc cria hgc vi6n (c6 vdn bin kdm theo); Hgc vi6n trinh bdy 1u4n vdn; C6c phin biQn