Mô phỏng ứng xử liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông cốt thép

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT GIỮA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP Học viên: Tạ Quang Tài Chuyên ngành: Kỹ thu t xây dựng công trình DD& CN Mã số: 60.58.02.08 Khóa: K31

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2017

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công

trình nào khác

Tác giả luận văn

Tạ Quang Tài

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài: 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết quả dự kiến 2

6 Bố cục đề tài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFST, DẦM BẸT BTCT, LIÊN KẾT CỘT CFST VỚI HỆ DẦM BTCT 3

1.1 T ng an ề c t FST 3

1.1.1 ấ tạ c t FST 3

1.1.2 Đ c đi ch ực của c t FST 4

1.1.3 L nh ực áp ụng c t CFST 7

1.1.4 Tiêu chuẩn t nh t án ết cấ c t ống th p nh i ê t ng 9

1.2 T ng an ề h ết cấ t 11

1.2.1 H ết cấ n ph ng: 11

1.2.2 Sàn ph ng có d m b t: 13

1.2.3 ng ụng n ph ng có d m b t 14

1.3 T ng an các giải pháp iên ết c t FST i h 15

1.3.1 Liên kết c t CFST v i d m thép hình: 15

1.3.2 Liên kết c t CFST v i d m BTCT 19

1.3.3 Các vấn đề còn t n tại của các liên kết 24

1.4 Các nghiên cứu về mô phỏng liên kết giữa c t CFST v i d m BTCT 24

1.5 Kết n chương 1 25

CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG LIÊN KẾT BẰNG PHẦN MỀM ABAQUS 26

2.1 Mô tả liên kết 26

2.2 Mô phỏng liên kết bằng ABAQUS 26

2.2.1 Gi i thi u về ph n mềm ABAQUS 26

2.2.2 Xây dựng mô hình hình học cho liên kết 27

2.2.3 Mô hình v t li u trong ABAQUS 28

2.2.4 Tương tác giữa các ph n tử 35

2.2.5 ác ư c mô hình hóa trên ph n mềm ABAQUS 36

2.3 Kết lu n chương 2 56

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 57

3.1 So sánh kết quả mô phỏng v i kết quả thí nghi m 57

3.1.1 Mô tả thí nghi m thực hi n bởi nhóm tác giả 57

3.1.2 S ánh đường cong tải trọng- chuy n v tại đ u d m 59

3.1.3 So sánh ứng xử của d m khi làm vi c 59

3.1.4 So sánh quan h ứng suất- biến dạng của các thanh thép ở các v trí 61

3.2 Khảo sát khả năng ch u mô men của tấm thép ch u cắt 63

3.3 Khảo sát sự phân bố ứng suất tr ng các thanh th p the phương ề r ng d m 64

3.4 Kết lu n chương 3 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69

TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

PHỤ LỤC

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT GIỮA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

VỚI DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP

Học viên: Tạ Quang Tài Chuyên ngành: Kỹ thu t xây dựng công trình DD& CN

Mã số: 60.58.02.08 Khóa: K31 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Trong các công trình nhà cao t ng, kết cấu c t ống thép nh i bê tông (CFST) ngày

c ng được sử dụng r ng rãi bởi những ư đi ượt tr i so v i c t bê tông cốt thép (BTCT) truyền thống D đó, ự kết hợp giữa c t CFST v i d m BTCT hay sàn ph ng BTCT sẽ tạo ra các h kết cấu có tính ứng dụng cao cho nhà cao t ng Tr ng trường hợp nhà có nh p khung

l n mà kết cấu sàn ph ng h ng đáp ứng được đ cứng ngang cho công trình thì giải pháp sàn

có d m b t được xem là hi u quả (tăng đ cứng ngang và hạn chế tăng chiều cao t ng so v i

d m cao) Tuy nhiên, vi c liên kết giữa c t CFST v i d m BTCT khá phức tạp, các nghiên cứu về liên kết m i chỉ dừng lại ở vi c đề xuất liên kết và tiến hành thí nghi đánh giá đ tin

c y của liên kết Lu n ăn n y trình y á trình phỏng liên kết giữa c t CFST v i d m BTCT sử dụng ph n mềm ABAQUS Kết quả mô phỏng được so sánh v i kết quả thí nghi m

v i mục đ ch i m chứng sự chính xác của vi c mô phỏng liên kết sử dụng ABAQUS

Từ khóa – C t ống thép nh i bê tông; CFST; d m b t BTCT; liên kết; mô phỏng; ABAQUS

MODELING CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMN WITH REINFORCED CONCRETE BAND BEAM CONNECTIONS USING ABAQUS SOFTWARE Abstract - In the high rise buildings, concrete filled steel tube (CFST) column structure are

more widely used due to the advantages compared to the traditional reinforced concrete column Therefore, the combination of CFST column with reinforced concrete beam or reinforced concrete plate slab will create highly effective structural systems for high rise buildings In cases where the buildings have a large frame span but the plate slab structure does not provide enough horizontal stiffness for the building, the band beam solution is considered effective (increasing the horizontal stiffness and reducing the height of the floor compared to the beam high) However, the connection between the CFST column and the reinforced concrete beams is quite complex, most of current studies only foccus on proposing connection and carrying out the test This thesis presents the simulation of CFST column and reinforced concrete beam connecction using ABAQUS software The simulation results are then compared with the results of the experiment with the aim of verifying the accuracy of the simulation using ABAQUS

Keywords – Concrete filled steel tube column; CFST; reinforced concrete band beam;

connection; simulation; ABAQUS

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

S : Mô men t nh của m t nữa tiết di n chữ nh t tấm thép

Ix : Mô men án t nh đối v i trục x của tiết di n chữ nh t tấm thép

3.1 So sánh ứng xử mô hình thí nghi m v i mô hình ABAQUS 60

1.13 Liên kết mô men bằng tấm cứng ngoài c t giữa 17 1.14 Liên kếtmô men bằng tấm cứng ngoài c t góc 18

1.18 Hình dạng liên kết đề xuất bởi Nie and Bai 20 1.19 Thí nghi xác đ nh khả năng ch u lực dọc của liên kết 20 1.20 Thí nghi xác đ nh khả năng ch đ ng đất đối v i c t giữa 21 1.21 Thí nghi xác đ nh khả năng ch đ ng đất đối v i c t biên 21

1.23 Thí nghi m mẫu nguyên hình và ki m tra riêng vùng liên kết 22 1.24 Cấu tạo của liên kết và thí nghi m ki m tra 23 1.25 Hình dạng phá hoại tại liên kết và tại d m vòng 23 1.26 Hình dạng vết nứt khi b phá hoại tại vùng liên kết và d m vòng 24

2.2 Quan h ứng suất –biến dạng khi ch u kéo của bê tông 29 2.3 Quan h ứng suất –biến dạng khi ch u nén của bê tông 30

2.5 Quan h biến dạng nén vỡ và h số phá hủy do nén 31

2.7 Quan h biến dạng nứt và h số phá hoại do kéo 32

2.11 Đường cong quan h ứng suất – biến dạng cốt thép thanh 34

2.27 Cửa s đ nh ngh a th c tính m t cắt d m bê tông 45 2.28 Cửa s đ nh ngh a thu c tính m t cắt cốt thép dọc l p trên 45 2.29 Cửa s gán thu c tính cho cấu ki n d m bê tông 46

2.37 Ràng bu c “Tie” giữa ống thép v i các tấm thép ch u cắt 51 2.38 Ràng bu c “Tie” giữa các tấ th p đ t lực và d m bê tông 52

Số hiệu

2.41 M hình a hi gán điều ki n biên và tải trọng 54

3.2 Cấu tạo liên kết và bố trí cốt thép d m thí nghi m 58

3.4 Đường cong quan h tải trọng- chuy n v đ u d m 59

3.15 V trí các thanh thép khảo sát trong mẫu số 2 66 3.16 Phân bố ứng suất trong các thanh thép mẫu số 2 67

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài:

Kết cấu c t ống thép nh i ê t ng ( FST) ng y c ng được sử dụng r ng rãi làm kết cấu ch u lực trong các công trình xây dựng như c u, nhà cao t ng… nó có nhiều

ư đi ượt tr i so v i kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép ( T T) th ng thường như hả năng ch u lực ca , đ dẻo của kết cấu l n … Ng i ra, hả năng thi c ng nhanh, không tốn kém các chi phí và thời gian ch c ng tác án h n c ng t ư

đi ượt tr i của loại kết cấu này

Trong các công trình nhà cao t ng, kết cấu sàn ph ng BTCT mang lại nhiều hi u quả do giảm chiều cao t ng mà vẫn đảm bảo khoảng thông thủy sử dụng Tuy nhiên, đối v i các c ng trình có ch thư c m t bằng chênh l ch đáng the hai phương, đ cứng của n the phương n y ẽ nhỏ hơn nhiều so v i phương ia Điều này ảnh hưởng l n đến sự làm vi c chung của h kết cấ D đó, i c sử dụng sàn ph ng BTCT kết hợp d m b t là hợp lý Vì nó thỏa ãn được yêu c u về kiến trúc và kết cấu

H kết cấu ch u lực dùng kết cấu c t ống thép nh i bê tông kết hợp v i d m, sàn

T T đang trở thành m t x hư ng m i trong nhà cao t ng hi n nay Tuy nhiên, những nghiên cứu về h kết cấu này còn hạn chế, đ c bi t là giải quyết liên kết giữa

c t ống thép nh i bê tông v i d , n T T chưa được hi u rõ và c n có nhiều nghiên cứ hơn nữa đ phân tích loại liên kết này

Vi c liên kết giữa c t ống thép nh i bê tông v i d m BTCT khá phức tạp, các nghiên cứu về liên kết m i chỉ dừng lại ở vi c đề xuất liên kết và tiến hành thí nghi m đánh giá đ tin c y của liên kết chứ chưa có những khảo sát cụ th về ứng xử của liên kết (trạng thái ứng suất cơ chế phá hoại), mức đ ảnh hưởng của các chi tiết cấu tạo đến sự làm vi c của liên kết D đó, i c khảo sát liên kết giữa d m BTCT và c t ống thép nh i bê tông là c n thiết nhằm cung cấp m t cơ ở lý lu n chi tiết về ứng xử của liên kết giúp người thiết kế hi u rõ bản chất làm vi c đ cấu tạo chi tiết liên kết hợp lý,

đó ý đ thực hi n lu n ăn i đề tài : “Mô phỏng ứng xử n t ữ t

n t n t n v t n t t ”

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu t ng quan về c t CFST, d m b t, kết cấu sàn ph ng BTCT kết hợp

d m b t, liên kết giữa c t CFST v i d m BTCT, các nghiên cứu về mô phỏng liên kết giữa c t CFST v i d m BTCT

- Xây dựng mô hình liên kết giữa c t CFST v i d m BTCT bằng ph n mềm mô phỏng kết cấu ABAQUS

- So sánh kết quả mô phỏng v i kết quả thí nghi m

- Khảo sát ảnh hưởng của tấm thép ch u cắt, sự phân bố cốt th p đến sự làm vi c của kết cấu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

- Đối tượng nghiên cứu: C t CFST và d m BTCT

- Phạm vi nghiên cứu: Mô phỏng liên kết giữa c t CFST và d m BTCT

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu t ng quan

- Nghiên cứu lý thuyết

- Nghiên cứu khảo sát

- Đưa ra các nh n xét giữa mô hình số và kết quả thí nghi m

- Đánh giá ảnh hưởng của tấm thép ch u cắt, sự phân bố cốt th p đến sự làm vi c của kết cấu

6 Bố cục đề tài

Mở đầu:

1 Tính cấp thiết của đề tài

2 Mục tiê đề tài

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

Chương 1: T ng quan về kết cấu c t CFST, kết cấu d m bê tông cốt thép và mối

liên kết giữa c t CFST v i d m BTCT

Chương 2: Mô phỏng liên kết bằng ph n mềm ABAQUS

Chương 3: Phân t ch, đánh giá ết quả mô phỏng

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFST, DẦM BẸT BTCT, LIÊN KẾT CỘT CFST

Th ng thường ng ống tròn, nhưng các ống ng c ng có th được áp ụng H thống ết cấ FST có nhiề ư đi ề: đ cứng, cường đ , hả năng chống iến ạng, hả năng chống cháy Nói ch ng, ại ết cấ n y có th nghiên cứ áp ụng

ch rất nhiề ại c ng trình xây ựng nh , xưởng c

Hình 1.1 Cột ống thép nhồi bê tông CFST

Kết cấ CFST có nhiề ư thế:

- Đ ền của õi bê tông (có p ỏ th p i chức năng như p á ọc ch t bên

ng i) đã được tăng h ảng 2 n i đ ền của bê tông th ng thường

- ác nghiên cứ đã chứng tỏ rằng đúng ra có ự c ngót nhưng c ng đã có ự trương nở của bê tông tr ng ống ự trương nở đó được y trì tr ng nhiề nă tạ

th n ợi ch ự i c của bê tông Nhiề th nghi đã chứng tỏ tr ố iến ạng

c ngót the chiề ọc của ẫ cách y rất nhỏ, h ảng e = (2 - 3).10-5 Đó

ư đi của ết cấ ống th p được nh i bê tông i ết cấ bê tông cốt th p th ng thường

Ng i ết cấ ống th p t cắt đ c như trên còn có ại ống th p tròn nh i bê tông t cắt rỗng i 2 p ỏ th p ọc t ng i t tr ng, p giữa p õi bê tông

Hình 1.2 Cột ống thép nhồi bê tông CFST tiết diện rỗng

ách ắp xếp đan xen các p t i th p bê tông như y ẽ tạ ra cơ cấ

ch ực ch ng giữa õi bê tông ỏ th p nhờ hi ứng nở h ng của bê tông hi ch

n n Sự cách y của bê tông i i trường x ng anh tạ ra những điề i n tốt hơn

ch ự i c của bê tông hi ch tải trọng Nhiề th nghi ánh 2 ại ết cấ

đã ch thấy rằng tải trọng c ng tác ụng i hạn thì c ng gây ra ự phá h ại tr ng bê tông h ng cách y n hơn nhiề i bê tông cách y Trong bê tông không được cách y thì các ết nứt nhỏ ng y c ng nhiề , còn tr ng bê tông được cách y hi

ch ứng ất ở ức đ nhỏ tương tự như tr ng bê tông h ng được cách y thì chỉ a

2 đến 3 ng y đ ẽ h n t n h ng nứt thê nữa Tr ng các ẫ bê tông không được cách y thì t nh phi t yến của iến ạng từ iến có th an át được tr ng òng

20 đến 30 ng y, tr ng bê tông được cách y thì t nh phi t yến n y ẽ ất đi tr ng òng

2 đến 7 ng y đ ( i điề i n chúng ch ứng ất như nha )

Vi c nh i bê tông ống th p đã nâng ca đ ền chống ăn òn t tr ng của ống th p, giả đ ảnh của cấ i n, tăng đ n đ nh cục của th nh ống

và tăng hả năng chống óp, ( iến ạng) của ỏ ống th p hi a đ p [11]

1.1.2 u t

Khác i ống th p thường, ống th p nh i bê tông chỉ i c hi ả hi ch

n n Khi ch hả năng ch ực của nó nhỏ hơn nhiề Về t n y ống th p nh i

bê tông tương tự ết cấ bê tông cốt th p D đó, tr ng t h thống ết cấ ch ực nên ng ống th p nh i bê tông chỉ ch các cấ i n ch n n Về ng yên tắc h ng nên ng ết cấ ống th p nh i ê t ng cấ i n ch T y nhiên tr ng t ố trường hợp c ng có th ng ống th p nh i ê t ng cấ i n ch ì các ý

đ c i t như: đ chống rỉ ch ề t tr ng ống, đ tăng đ cứng chống ốn hay tăng trọng ượng ản thân

Tr ng thực tế thường có 2 cách p ơ đ ch ực:

- Thứ nhất: ử ụng ống th p nh i ê tông trong các ơ đ ết cấ tr yền thống của c ng trình có những cấ i n ch n n chủ yế , đó các c t, trụ, thanh iên

c t đi n, các thanh ch n n của gi n ò

- Thứ hai: p các ơ đ ết cấ i tr ng đó các tải trọng t nh t án chủ yế ống thép nh i ê t ng ch

Di n t ch ề t ng i của ết cấ ống th p nh i bê tông chỉ nhỏ ằng h ảng

t nửa i của ết cấ th p cán có c ng hả năng ch ực, đó chi ph ề ơn phủ ả ưỡng c ng t hơn Trên ề t của ống hình trụ ẽ đọng ại rất t ụi chất ẩn ì y ết cấ ống th p nh i bê tông có đ ền chống gỉ ca

D ết cấ các thanh hình trụ tròn nên cải thi n được t nh chất h đ ng học

t nh n đ nh Đ cứng chống x ắn của các thanh ại ống tròn n y ca hơn nhiề

i thanh t cắt hở ác ống th p nh i bê tông h ng c n ơn phủ, ạ i ại h c

t n t tr ng của ống

Giá th nh t ng th của c ng trình ằng ết cấ ống th p nh i bê tông nói

ch ng nhỏ hơn nhiề i giá th nh của c ng trình tương tự ằng ết cấ bê tông cốt th p h c ết cấ th p th ng thường

Khối ượng của ết cấ ống th p nh i bê tông nhỏ hơn i ết cấ bê tông cốt

th p đó i c n ch y n ắp ráp ễ ng hơn Kết cấ ống th p nh i bê tông inh tế hơn i ết cấ bê tông cốt th p ì h ng c n án h n, giá ò , đai p các chi tiết đ t ẵn, nó có ức ch đựng tốt hơn, t hư hỏng a đ p D h ng có cốt ch ực cốt ngang nên có th đ bê tông i cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỷ

nư c/xi ăng có th ấy nhỏ hơn) ẽ ễ ng đạt chất ượng ê t ng ca hơn

ng th p ản x ất ằng th p cán ốn tròn r i được h n nối the ọc ống thường

có đ ch nh xác ca ề ề y, đường nh, đ an đó th ả ãn các điề i n

ắp ựng hai thác L ại ống th p h n x ắn có th được chế tạ ằng cách ốn các

tấ th p h p the đường x ắn ốc r i h n ại ọc the đường nối x ắn ốc inh tế nhất ( ại ống n y đã đựơc ng cọc ống ch c nh ở Hải Phòng)

Nói ch ng đ c đi cơ ản của ại ết cấ ống th p nh i bê tông có th được

ch n n còn ch ốn ực n n đ t ch tâ Tiê ch ẩn ch ng của c t iên hợp

ph n tử th p có tác đ ng iên hợp i ph n tử bê tông, ì y cả hai ph n tử th p

bê tông đề tha gia háng ại ực n n t iên hợp g các th nh ph n ết cấ th p

ở ên tr ng được ọc ằng bê tông ở ên ng i đã t n ụng hi ả ề t cường đ của 2 ại t i đ ng thời còn tạ th nh các ết cấ i n có t nh háng cháy ca

h nh ì y, các i c t iên hợp đã phát tri n tr ng thế ỷ 20 như t cách thức ả chống cháy ê t ng ọc ên ng i th p, tạ ra p ỏ ả chống cháy

bên ngoài cho lõi thép M t i i c t iên hợp i các ạng t cắt ngang hác

nha như ở Hình 1.3

a Cột C ST thông thư ng

Cột C ST được tăng cư ng thép l i bê tông

c Cột C ST được c bê tông

Hình 1.3 C c ng cột C ST

Nhược đi của các êt cấ bê tông th ng thường c n thiết phải có án

h n h n chỉnh tr ng á trình thi c ng Kết cấ ống th p nh i bê tông (CFST) có

p ỏ ống th p ọc bê tông đó h ng c n thiết phải có án h n ì ch nh ản thân ống th p đã nhi ụ án h n tr ng ốt á trình đ bê tông t FST có

hả năng áp ụng được i nhiề trạng thái ết cấ T ỳ the cách ố tr th p bê tông tr ng t cắt ngang ẽ tạ ra được đ cứng c n thiết của t cắt Vỏ th p có tác ụng ch ch en ốn của c t

Đ cứng của c t FST rất n ởi ì t i th p được ố tr ở xa trục trọng tâ nhất, ở tr đó nó c ng góp ph n tăng en án t nh của t cắt ác ạng

lõi bê tông ý tưởng có tác ụng chống ại tải trọng n n cản trở trạng thái ằn cục của ống th p Như y, nên ử ụng các c t FST tại những tr phải ch tải trọng

n n n Sự giãn nở đ ng ở th nh ên đã được tạ ra ởi ống th p c ng cải thi n cường đ , t nh ề ẻ iến ạng của bê tông Khác h n i c t bê tông cốt

th p c t iên hợp có ê t ng ọc ên ng i th p i cốt th p ngang, tr ng ết cấ FST ỏ ống th p ngăn cản nứt của õi bê tông ự t p tr ng cốt th p nhỏ tr ng các ng iên ết

ác c t iên hợp FST ng y c ng được áp ụng nhiề trên thế gi i Dạng c t n y

có nhiề ợi thế như cường đ ca , t nh ề ẻ , hả năng ch nhi t n, giả thời gian xây ựng, tăng đ an t n, ử ụng các i iên ết đơn giản được tiê

ch ẩn h á Ng y nay, các tiến c ng ngh đã ch ph p ản x ất bê tông cường đ

ch n n ca nên ch ph p thiết ế c t ảnh hơn, ch ph p có được các n r ng hơn

ác ết ả nghiên cứ ết hợp các th nghi phân t ch ằng phương pháp

ph n tử hữ hạn (FEM) đối i các c t FST ch thấy có th ử ụng bê tông cường

đ ca ẫn đạt được t trạng thái ết cấ ề ẻ T y nhiên, ống th p y hơn

c n thiết ch bê tông cường đ ca nế ục đ ch đả ả t nh ề ẻ Hi ứng tăng cường đ bê tông ự trương nở rõ r ng nhất đối i c t ngắn ch tải trọng ch tâ Đ đả ả tác đ ng iên hợp giữa th p i bê tông, (ng i i c ợi ụng cường đ nh á tự nhiên hi tải trọng được tác ụng chỉ i ống th p h c chỉ i õi bê tông) c n phải thiết ế ng các ne iên ết Vì y, cường đ nh bám ẽ an trọng hơn Điề n y c n ư ý đ c i t hi ử ụng bê tông cường đ

ca được nh i tr ng ống th p

1.1.3 n v n c t CFST

Kết cấu ống th p nh i bê tông được áp ụng rất r ng rãi cho rất nhiều l nh vực như c u đường, nh dân ụng v công nghi p, gi n khoan d u

Tr ng nh ực c đường, vi c xây ựng c u qua các sông r ng v sâu, có nhu

c u ư thông đường th ỷ n v điều ki n đ a chất phức tạp đang đòi hỏi phải ử ụng các loại nh p n khẩu đ h ng trăm m t V i khẩu đ nh p n như y, m t

ố cấu ki n ch lực n n ch nh như vò ch nh của c u vòm, thanh mạ cong trong

c u d n, h móng cọc của kết cấu trụ, thân trụ c n có khả năng ch ực cao v đ cứng n Trong trường hợp n y ch thư c m t cắt ngang của các cấu ki n có th đạt t i v i m t V i các k ch thư c như y, cấu ki n ẽ n ng v trở th nh m t nguyên nhân l m giảm khả năng ch lực của kết cấu, l m tăng chi ph xây ựng

c ng như tạo thêm nhiều phức tạp cho vi c v n chuy n, lắp ráp, thi công kết cấu Tại Vi t Nam, trên đường Nguyễn Văn Linh th c đ th m i Nam S i Gòn –

TP H Ch Minh – c ối năm 2003 đã đưa v o ử ụng 3 c u vò chạy dư i v i khẩu đ 99m v i 3 l n xe (c u Ông L n, c u C n Gi c, c u Xó ủi ) Đây các

công trình c u đ u tiên ở Vi t Nam áp ụng loại ống th p nh i bê tông cho kết cấu

vò chủ [11]

Hình 1.4 Một ố c u ng ết cấu C ST

Trong nh vực xây ựng d u kh , năm 1989 tại 2 d n khoan d u ở bi n Đen v

bi n Azov của Liên Xô đã ử ụng cấu ki n m t cắt rỗng t hợp 3 loại v t li u th p

- bê tông l m các trụ đỡ ch nh của d n khoan, nhờ đó giảm được 30% lượng th p so

v i dàn khoan bằng th p c ng loại; hơn nữa, ph n rỗng còn được ng đ lắp các thiết công ngh v cáp thông tin

Trong nh vực xây ựng dân ụng, loại kết cấu n y c ng được áp ụng khá nhiều Ch ng hạn, t nh được xây dựng bằng kết cấu CFST ở Chuo - ku, th nh phố Kobe (Nh t Bản) ác công trình nh ở tại th nh phố Kobe được xây dựng nhằm chống lại ự phá hoại của đ ng đất Loại kết cấu CFST n y đáp ứng được yêu

c u chống lại đ ng đất

Hình 1.5 C c toà nhà c ng ết cấu C ST

1.1.4 u uẩn t n t n t u t n t n bê tông

Kết cấu ống thép nh i bê tông được nghiên cứ , áp ụng xuất phát từ ý tưởng

ợi ụng các đ c tính liên hợp của hai loại v t li u bê tông và thép đ cải thi n khả năng ch nén và ốn của kết cấu Kết cấu ỏ thép tạo ra hi u ứng bó hay kiềm chế bê tông (concrete confinenment) và đ ng thời tăng cường hả năng ch ốn cục của thép, tạo ra ự cùng làm vi c (liên hợp) giữa hai thành ph n v t li u này Đ tính toán hả năng làm vi c liên hợp của m t cắt ống thép nh i bê tông, các nư c trên thế gi i đã nghiên cứ biên soạn nhiều quy trình, quy phạm, tiêu chuẩn thiết kế Tuy nhiên, các công thức tính toán hả năng ch ực nén và ch ốn của kết cấu đưa

ra ởi các tiêu chuẩn này đều có các ự khác nhau Cho đến nay, Vi t nam chưa ban hành Tiêu chuẩn thiết ế chính thức cho loại kết cấ ống thép nh i ê tông này

Tại Mỹ, các quy đ nh tính toán cho kết cấu loại này được đề c p l n đ u tiên trong “Các yêu c u của tiêu chuẩn xây ựng đối i bê tông cốt thép” do Vi n bê tông Mỹ ấn hành năm 1963 (Building Code Requirements for Reinforced Concrete, ACI 1963) và sau đó trong “Tiêu chuẩn thiết ế nhà kết cấu thép theo

h ố tải trọng và h ố sức kháng” do Vi n thép xây ựng ấn hành l n thứ nhất năm

1986 (Load and resistance factor design LRFD speccification for structure steel buildings, AISC LRFD 1986)

Ở Bắc Mỹ, nhiều công trình nhà đã được thiết kế có hàng c t ống thép nh i bê tông (Viest et al 1997) Lúc đ u, các thiết ế này được tiến hành ựa trên các nguyên tắc thiết ế công trình cơ bản và có th thiên ề các phương pháp tính toán an toàn do chưa có các quy đ nh cụ th của tiêu chuẩn

Tại Canada, các yêu c u thiết ế đối i loại kết cấu này đã được đề c p trong Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép theo trạng thái gi i hạn (Limit States Design of Steel Structures, CAN/CSAS 16.1-M94)

Liên quan đến các công trình c u có ử ụng kết cấu ống thép nh i bê tông, các quy đ nh trong Tiêu chuẩn LRFD 1994 do AASHTO ấn hành năm 1994 đưa ra các

c ng thức tính toán cấu ki n nén tương tự như kiến ngh của AISC nhưng không đề

c p đến các điều ki n gi i hạn đối i v t li u hay kích thư c hình học của m t cắt như của AISC Tại Canada, cấu ki n loại này được đề c p trong Tiêu chuẩn thiết

ế c u đường ấn hành năm 1988 (CSA standard for the design of highway bridges, CAN/CSA-S6-88, CSA 1988), c ng như trong Tiêu chuẩn thiết ế c u Ontario ấn hành năm 1991

Các l n xuất bản sau này của các cơ quan trên như AISC LRFD 1999 và CAN/CSAS 16.1-M94, các công thức tính toán kết cấu ống thép nh i bê tông đã được đề c p đ y đủ Tại châu Âu, các n i dung ki m toán tương tự được quy đ nh trong Tiêu chuẩn thết ế kết cấ ống thép liên hợp EC4

Trung Q ốc, t trong ố những nư c có nhiều công trình c u vòm ống thép

nh i bê tông, đã có được những thành tự đáng trong vi c nghiên cứ thiết kế, thi công kết cấu ống thép nh i bê tông và c ng đã xây ựng được t h thống tiêu chuẩn thiết ế tương đối hoàn chỉnh tiê ch ẩn D J/13

Các c t liên hợp là dạng kết hợp giữa c t thép và bê tông cốt thép Tuy nhiên, triết lý thiết ế cho hai thành ph n kết cấu cơ bản là khác nhau Các c t thép được xét như cấu ki n ch nén “đúng tâ ” ởi vì c t thép ch tải trọng tại trọng tâm của

c t, nhưng thực ra trong khi tính toán đã giả thiết ỏ qua các ứng suất ư, tải trọng ban đ u đ t th ng và đ l ch tâm nhỏ Cơ ở của thiết ế c t thép là tính n đ nh

ho c tính cong oằn, bên cạnh đó có tính đến t ài đ c tính quan trọng mà các tác

đ ng tại hai đ u cấu ki n được kết hợp ch t chẽ bằng bi n pháp giảm tải trọng trục đi qua bi đ tương tác

Nghiên cứ c t bê tông cốt thép là hoàn toàn khác so i c t thép ởi vì tải trọng được xét l ch tâm i trọng tâm m t cắt Các hư hỏng thông thường không thường xuyên, đ c trưng cho cường đ (đ bền) m t cắt, vi c giảm các h ố đã áp ụng đ xét hi u ứng thứ cấp mà nguyên nhân là do ự khuếch đại mô men trong các

c t mảnh hơn, vì v y cường đ (đ bền) cấu ki n có th được ự báo trư c

Do có đ c đi m giống như các c t liên hợp i cả hai loại c t thép và bê tông cốt thép, các loại này đã được nghiên cứ và c ng đã được nhiều nư c áp ụng r ng rãi Các c t liên hợp ngắn ch ảnh hưởng ởi các phá hoại m t cắt ngang, c t ngắn

có khuynh hư ng chi phối ởi đ n đ nh Trong Tiêu chuẩn Châu Âu EC4 (Eurocode 4), quá trình thiết ế cho các c t iên hợp đã đề c p là ự t hợp của cả hai phương pháp Về cơ bản, nó ử ụng phương pháp tính toán tải trọng gây ra cong oằn thép, và thay đ i này hống chế mô men tại đ u c t bằng cách áp ụng phương pháp

c t liên hợp bê tông cốt thép Tuy nhiên, nếu phương pháp thiết kế này có th áp ụng cho c t CSFT, tỉ ố phân ố thép ẽ trong khoảng 0,2  0,9 M c dù tỉ ố phân ố thép đến ư i 0,2 c t ẽ được đề c p như c t bê tông và nếu nó là trên 0,9

c t ẽ được đề c p như c t thép

Như đã nói ở trên, hi n nay có t ố ượng n các tiê ch ẩn được đưa ra đ thiết ế ết cấ ống th p nh i bê tông như AIJ, ANSI/AIS 360, E 4 D J/13 Tất cả các tiê ch ẩn n y đề áp ụng ch ng ch c t ống th p nh i bê tông có tiết

i n chữ nh t hình tròn ác chi tiết rõ hơn có th được tì thấy tr ng từng tiê

ch ẩn cụ th Đối i tiê ch ẩn ANSI/AIS 360 AIJ các c ng thức ch tải trọng

ức háng được th nh p the trạng thái gi i hạn ứng ất ch ph p, đối i tiê ch ẩn E 4 D J/13 các c ng thức được th nh p the trạng thái gi i hạn

1.2 Tổng quan về hệ kết cấu dầm bẹt

1.2.1 t u s n ng:

Trong kết cấu nhà nhiều t ng, sàn là h kết cấu nằm ngang, toàn b kết cấu sàn được đ t lên kết cấu ch u tải trọng th ng đứng như c t, vách, lõi cứng B ph n chính cấu tạo nên sàn là bản Bản n th ng thường là ô hình chữ nh t Kết cấu sàn hình thành những đ a cứng ngang húng gia cường và liên kết các kết cấu ch u lực th ng đứng của c ng trình đ ảo cho nó làm vi c như t kết cấu hoàn chỉnh ư i tác dụng của tải trọng ngoài Sàn tiếp nh n tải trọng đứng r i truyền vào kết cấu khung, vách, õi S n c ng đóng ai trò an trọng trong vi c phân phối tải trọng ngang vào kết cấu khung, vách, lõi

Hình dạng và những kết cấu ch u lực của công trình quyết đ nh t hợp các cấu

ki n của sàn Vi c lựa chọn đúng đắn các kết cấ n có ý ngh a t n, vì rằng các kết cấu này quyết đ nh ơ đ truyền tải trọng gió, tải trọng th ng đứng và chúng ảnh hưởng đến vi c lựa chọn h ch u lực Chọn h kết cấu sàn chủ yếu do chiều cao t ng,

nh p nh điều ki n thi công quyết đ nh

Hi n nay, h u hết các phương án iến trúc của công trình nhà nhiều t ng là cố gắng hạn chế tối đa chiều cao t ng Điề n y được lý giải là v i chiều cao t ng hạn chế (nhà có t ng thấp) sẽ tiết ki được năng ượng (điều hòa, chiếu sáng) giảm tải trọng ngang tác dụng ên c ng trình, tăng được số ượng t ng từ đó tiết ki được t ng mức

đ tư

Đ đáp ứng được yêu c u trên vi c chọn ra giải pháp sàn hợp lý là cực kì c n thiết M t trong những giải pháp n được ư tiên ựa chon hi n nay là sàn ph ng hay sàn nấm

Sàn ph ng hay sàn nấm là sàn không d m, bản sàn tựa trực tiêp lên c t Dùng sàn nấm sẽ giả được chiều cao kết cấu, vi c án h n đơn giản và dễ dàng bố trí cốt thép Sàn ph ng có m t dư i ph ng nên chiế áng th ng gió tốt, thoát nhi t tốt hơn n m Ngoài ra vi c ngăn chia các phòng trên t sàn linh hoạt và rất thích hợp cho các tường ngăn i đ ng

Hình 1.6 Sàn ph ng

Khi ch u tải trọng th ng đứng, bản sàn có th b phá hoại về cắt theo ki u b c t

đâ thủng Đ tăng cường khả năng ch u cắt, có th bố tr c t ho c bản đ u c t có chiều dày l n hơn

Hình 1.7 Sàn ph ng c m cột

Bản có chiều dày l n trên đ c t còn có tác dụng tăng cường khả năng ch u

mô men vì tiết di n át đ u c t, mô men uốn trong bản đạt giá tr l n nhất hiề r ng thích hợp của sàn nấ thường là từ 4-8 đối v i cốt th p thường, khi nh p từ 7m trở lên nên có cốt thép ứng lực trư c đ giảm chiều dày bản và giả đ võng

Ư đi m: Thi công nhanh, giảm chiều cao toàn b kết cấu, hạn chế khả năng chọc thủng trong sàn

Nhược đi m: Biến dạng trong sàn l n, kết cấu bản đ u c t làm khó cho vi c cấu tạo mỹ thu t Vi c sử dụng h sàn ph ng trong kết cấu nhà cao t ng làm giả đ cứng ngang đáng của kết cấu

1.2.2 n n ó ẹt:

V i các kết cấu nh p l n có th nối các c t của sàn ph ng thành các ăng (dải) liên tục gọi là sàn dải - bản hay còn gọi là sàn ph ng có d m b t D m có chiều cao tiết di n thấp, bề r ng d m l n hơn nhiều so v i chiều cao d m D được bố trí the 1 phương hay 2 phương t y th c vào h ư i c t sàn

Hình 1.8 Sàn ph ng ết hợp m t

Ư đi m: Tiết ki m v t li , tăng được số t ng, tạ được không gian l n v i kết cấu thanh mảnh, tr n ph ng không c n làm thêm tr n treo che kết cấu, giải quyết cơ bản ư ng mắc giữa yêu c c ng năng ử dụng trong thiết kế kiến trúc và giải pháp kết cấu phù hợp

Tuy nhiên khi dùng h kết cấ n y điều quan trọng là tìm bề r ng phù hợp của

d m b t nhằm thõa mãn sự làm vi c đ ng thời của d m và sàn, nhằm hạn chế đ võng của sàn C n xét ảnh hưởng của h sàn có d m b t đến đ cứng ngang của công trình ,

đ c bi t là kết cấu nhà cao t ng

Thích hợp v i nh p sàn <= 9m, nh p d m <= 15m

Vi c nghiên cứu về d m b t c ng như ề r ng của d m b t chưa được đề c p nhiều trong các nghiên cứ trư c đây các tiê ch ẩn Theo Ed cross– Posttensionning in building structures thì bề r ng d m b t có th chọn ơ trong khoảng (0,15 - 0,25)ln trong đó n ch thư c nh p the phương ng góc i trục

d m Theo TCXDVN 375-2006, y đ nh bề r ng d m c n đảm bảo theo yêu c u kháng chấn, theo công thức:

Bw<= min (bc+hw, 2bc)

Tr ng đó:

- bc: ch thư c tiết di n ngang của c t ( ch thư c c t l n nhất)

- Bw, hw: chiều r ng và chiều cao d m

1.2.3 n n s n n ó ẹt

Như đã phân t ch ở trên, giải yết được ư ng ắc giữa yê c c ng năng

ử ụng trong thiết kế kiến trúc và kết cấu nên sàn ph ng có t đang được ử ụng ng y c ng r ng rãi M t ố c ng trình tiê i ở Đ Nẵng ử ụng h n ph ng

có t như:

 Công trình Indochina Riverside Tower

+ Đ a đi m xây dựng: Số 74 đường Bạch Đằng (tiếp giáp 3 m t tiền đường Bạch

Đằng – Phan Đình Ph ng – Tr n Phú), Qu n Hải Châu

+ Chủ đ tư: ng ty TNHH In china Ri er i e t wer

+ Đơn thiết kế: Kiến trúc ư en W c ng ty Gra ity Partner hip (thiết

kế kiến trúc)

+ ng trình h thương ại, d ch vụ, giải tr , ăn phòng ch th ê căn h ,

g m 3 khối: Khối chân đế Podium, khối office và khối Apartment

+ Khối office là nhà có 12 t ng, chiều cao 66m Móng cọc khoan nh i Kết cấu công trình là h khung kết hợp lõi cứng bê tông cốt thép ch u lực ư c c t chính 8,4 x 8,4 m Vách, lõi có chiều dày 200mm, 300mm, 450 mm Sàn thiết kế the phương án

n ườn toàn khối dày 220 mm H d m b t the phương ngang nh có ch thư c

1500 x 500 mm, 1200 x 500 mm

+ Khối Apartment là nhà có 24 t ng, chiều cao 95,3 m Móng cọc khoan nh i Kết cấu công trình là h khung kết hợp lõi cứng bê tông cốt thép ch u lực ư c c t chính 6,6 x 6,9 m Vách, lõi có chiều dày 200, 300, 450 mm Sàn thiết kế the phương

án n ườn toàn khối dày 220 mm; h d m b t the phương ngang nh có ch thư c

1000 x 450, 1000 x 400 mm

 Trung tâm công nghệ phần mềm Đà Nẵng

+ Đ a đi m xây dựng: Số 02 đường Quang Trung, Qu n Hải Châu

+ Chủ đ tư: Sở Khoa học Công ngh M i trường

+ Đơn thiết kế: ng ty tư ấn thiết kế xây dựng Đ Nẵng CDC

+ Công trình là nhà có 20 t ng và 1 t ng h m, chiều cao 74,2 m Móng cọc khoan

nh i Kết cấu khung kết hợp lõi thang máy bằng bê tông cốt thép ư c c t chính 8 x 9,3 m Vách, lõi cứng bê tông cốt thép có chiề y 200, 300 S n ườn toàn khối

có chiều dày 150 mm H d có các ch thư c: 1000 x 500 mm, 800 x 600 mm, 600

x 600 mm

Ngoài ra m t số công trình khác sử dụng d m b t gia cường cho sàn ứng lực trư c như N te H te , V nh Tr ng Plaza, Green Plaza Hotel…

a) Indochina Riverside Tower b) Trung tâm CN ph n m m N

Liên kết tại các m t của ống thép bao g m: hàn trực tiếp d m lên bề m t ống, sử dụng những thép góc ho c tai ch u cắt đ liên kết d m vào ống thép Liên kết v i các thành ph n chôn sẵn trong lõi bê tông bao g m: liên kết bulông xuyên d m, thép d m liên tục qua c t Phân tích các dữ li u thử nghi m cho thấy rằng vi c chôn các thành

ph n liên kết vào lõi bê tông làm giảm b t nhu c u cắt cao trên thành ống, có th cải thi n ứng xử đ ng đất của liên kết

M t số liên kết của c t CFST v i d m thép hình ph biến đang được áp ụng tại nhiề c ng trình hi n nay:

a) Liên ết ằng tấm thép:

Liên ết i tấ th p có th được ử ụng như Hình 1.10 M t đ ạn tấ th p

được h n tại xưởng i c t, ụng ch ực được ắt ng trên c ng trường ánh của ch ực h ng được iên ết i c t D ch ực c t nên được

i tra cắt ch ốn ác y đ nh thiết ế có th được đề c p ở SCI Publication P358 (2011) và Access Steel (2005)

Hình 1.10 Liên kết đơn giản bằng tấm thép

Liên ết i tấ th p x yên a ống th p như Hình 1.11 c ng có th được ng

M t ỗ ở được tạ ra trên ống th p x ng anh nó các đường h n góc ẽ được ử ụng Khả năng ch ực cục của bê tông ư i tấ th p cánh tr ng c t nên được

i tra ph hợp i EN 1994-1-1, Clause 6.7.4 (6)

Hình 1.11 Liên kết đơn giản bằng tấm thép xuyên b) Liên ết ằng thép đỡ (gi

Liên ết i th p đỡ (h c th p c ng x n) có th được ử ụng như Hình 1.12

Q y trình thiết ế đòi hỏi i tra c ng x n ch t hợp ực cắt en ốn ụng tại tr c ối nên được i tra ch ực cục ph hợp i EN 1993-1-1(2005)

Hình 1.12 Liên kết đơn giản bằng thép đỡ c) Liên ết mô men với tấm cứng ngoài

Liên ết en i tấ cứng ng i có th được ử ụng như Hình 1.13 Tấ

cứng ng i được iên ết i cánh của đ tr yền en, ngược ại ụng thường được iên ết ằng ng đ tr yền ực cắt

Hình 1.13 Liên kết mô men bằng tấm cứng ngoài cột giữa

Tr ng trường hợp tấ th p cứng ng i được ử ụng ở c t góc chi tiết được th

hi n như Hình 1.14

Hình 1.14 Liên kếtmô men bằng tấm cứng ngoài cột góc d) Liên ết mô men với tấm cứng trong

Liên ết mô men i tấ cứng ên tr ng có th được ử ụng như Hình 1.15

Tấ cứng ên tr ng có th được ng đ tr yền mô men từ c t chúng được chế tạ ằng i ề r ng của cánh

Hình 1.15 Liên kết mô men bằng tấm cứng trong e) C c iểu liên ết h c:

Liên ết mô men i tấ th p x yên có th được ử ụng như Hình 1.16 ng

th p c t gián đ ạn được h n i tấ th p x yên ằng đường h n đối đ hiề

y của tấ th p x yên nên từ 6 -10 n hơn chiề y cánh Lỗ h t ỗ thông nên được chế tạ trên tấ th p đ đ bê tông

Hình 1.16 Liên kết mô men bằng tấm thép xuyên

Liên ết i x yên có th được ng như Hình 1.17 đ tăng ức háng nh

á giữa các tấ ch n ẵn õi bê tông, các chốt ch cắt có th được h n trên cánh

Hình 1.17 Liên kết mô men trư ng hợp xuyên d m

1.3.2 n t t v B

Tr ng hi người ta thường sử dụng h kết cấu khung g m c t CFST và d m thép hình, h kết cấu khung g m có c t CFST và d m bê tông cốt th p c ng ắt đ được chú ý nghiên cứu và áp dụng Tuy nhiên vi c thiết kế nút cho những loại h ng đ c

bi t này là m t vấn đề thách thức Bởi vì thép dọc ch u lực trong d m bê tông b gián

đ ạn bởi sự liên tục của ống thép

Nghiên cứu về khung g m c t CFST và d m bê tông cốt th p chưa được nghiên cứu ph biến như h ng g m c t CFST v i d m thép hình M t số nghiên cứu g n đây

của Nie (2008) [3] và Bai (2008) [2], Qing Jun Chen (2015) [4], H.Y Yu (2013) [6] đã

góp ph n làm sáng tỏ về loại liên kết n y đ ng thời cung cấp các dữ li u quý giá làm nên tảng cho các nghiên cứ â hơn ề ại iên ết n y tr ng tương ai

a) Nghiên cứu của Nie (2008) [3] và Bai (2008) [2]

Nie (2008) [3] và Bai (2008) [2] đã phát tri n m t h thống liên kết g m c t

FST được bọc bên trong c t bê tông cốt thép và d m bê tông cốt thép sẽ đi x yên a

v trí liên kết

Trong nghiên cứu này, tại v trí liên kết c t - d ống th p gián đ ạn, t òng gia cường “ring- ea ” ằng bê tông cốt th p đã được ử ụng nhằ ục

đ ch c ng cấp t hi ứng hạn chế nở h ng ch ng bê tông õi Vì thế hả năng

ch ực ọc của c t tại tr iên ết được đả ả

Hình 1.18 Hình d ng liên kết đ xuất b i Nie and Bai

Đ đánh giá ự hi u quả và nghiên cứu ứng xử của liên kết Nie (2008) [3] và Bai

(2008) [2] đã tiến hành 2 thí nghi m ki m tra liên kết:

(1) Thí nghi xác đ nh khả năng ch u lực nén dọc của liên kết Các tham số nghiên cứu là tỉ l thép dọc trong d òng gia cường và di n tích m t cắt ngang của

d òng gia cường, di n tích của c t, chiều dày của ống thép

(2)Thí nghi xác đ nh khả năng ch u tải trọng đ ng đất của liên kết Liên kết

d m bê tông - c t FST đối v i c t tại v trí giữa nhà và c t iên đã được tiến hành nghiên cứu nhằ xác đ nh ứng xử đ ng đất và khả năng phân tán năng ượng của liên

kết

Hình 1.19 Thí nghiệm x c định khả năng chịu lực d c của liên kết

Hình 1.20 Thí nghiệm x c định khả năng chịu động đất đối với cột giữa

Hình 1.21 Thí nghiệm x c định khả năng chịu động đất đối với cột biên

b) Nghiên cứu của Qing Jun Chen (2015) [4]

Qing Jun Chen (2015) [4] đã gi i thi u m t ki u liên kết c t FST i m bê tông cốt th p iên ết n y đã được áp dụng tại t ng h m của m t tòa nhà cao t ng ở Quảng Châu, Trung Quốc

Trong h thống này, ống th p gián đ ạn tại v tr iên ết - c t, th p dọc d ẽ x yên a ng ết nối D òng “ring- ea ” ằng bê tông cốt thép được ử ụng đ đắp cho sự suy giảm khả năng ch u lực nén dọc do sự gián đ ạn của ống thép

Qing Jun Chen (2014) [5] đã thực hi n nghiên cứu thực nghi m và phân tích nghiên cứu cho ứng xử đ ng đất của loại liên kết này Lợi ích của ki u kết nối này khi ứng xử đ ng đất đã được chứng minh trong các ki m tra Tuy nhiên vi c điều tra ứng

xử của liên kết ch u ảnh hưởng của lực dọc c ng rất c n thiết Ví dụ như iên ết này

đ t tại t ng h m của m t tòa nhà cao t ng, nó ch u m t lực nén dọc rất l n

Hình 1.22 Hệ thống d m xuyên qua kết nối

Thí nghi của Qing Jun Chen (2015) [4] t p trung vào nghiên cứu ứng xử của kết nối ư i tác dụng của lực dọc trục Hai t p hợp mẫ đã được nghiên cứu Trong

t p hợp mẫ đ u tiên g m 5 mẫu v i tỉ l ng yên hình ng đ ki m tra chính xác khả năng ch u lực ọc của ki u kết nối này Trong t p hợp mẫu thứ 2 bao g m 27 mẫu v i chỉ riêng vùng kết nối, đ điề tra cường đ gi i hạn của kết nối, xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng ch u lực của kết nối M t công thức đ dự đ án cường đ

ch u nén gi i hạn của kết nối được đề xuất được tiến hành so sánh v i các dữ li u thực nghi m

Hình 1.23 Thí nghiệm mẫu nguyên hình và kiểm tra riêng vùng liên kết

c) Nghiên cứu của H.Y Yu (2013 [6]

Nh n thấy khả năng ch u lực của các liên kết ư i tác ụng của đ ng đất là rất quan trọng cho toàn b c ng trình, i vi c xe x t cơ chế "mạnh liên kết - yếu các

thành viên" H.Y Yu (2013) [6] đề xuất m t loại liên kết m i nhằ ục đ ch tăng

cường khả năng ch u lực tại các v trí quan trọng

Trong liên kết này, theo chiều dọc, liên kết g m l p bê tông cốt th p ên ng i

ọc c t FST ên tr ng (R FSTL), the chiều ngang, liên kết ử ụng m vòng bê tông cốt th p “ring - bea ” ở r ng tại cuối d h ng đ tr yền ứng ất từ

h ng c t đ ne cốt th p h ng

Liên ết có ạng chữ T ( iên ết của c t iên tr ng h ng), 5 i tải trọng the

ch ì đã được tiến h nh đ i tra ự an t n của iên ết th th p các chế đ thất

ại, ự phát tri n ết nứt… ư i các tha ố hả át hác nha

Hình 1.24 Cấu t o của liên kết và thí nghiệm kiểm tra

Nă ẫu v i tỉ l thu nhỏ 1 / 2,5 đã được thử nghi ư i tải trọng the ch ì

đ khả át ứng xử đ a chấn của các liên kết ác nghiên cứ đã chỉ ra rằng tỷ l bán kính v i bề r ng (tỷ l bán kính v i bề r ng của d m vòng) và tỷ l cốt thép (tỷ l của cốt thép của các thanh dọc của d m vòng v i thép của d h ng) các tha ố có ảnh hưởng n nhất đến iên ết của òng

Hình 1.25 Hình d ng phá ho i t i liên kết và t i d m vòng

dựa vào các dữ li u từ thực nghi Như đã trình y ở trên, trong các liên kết của c t

CFST v i d m bê tông cốt thép, d òng “ring- ea ” gia cường có ai trò quyết

đ nh đến sự làm vi c của liên kết Nó đã giải quyết được i t án đảm bảo khả năng

ch u nén dọc cho c t tại v trí liên kết tr ng trường hợp ống thép b gián đ ạn theo Nie (2008) [3] và Bai (2008) [2], QingJun Chen (2015) [4], hay đảm bảo truyền ứng suất

từ d m khung vào c t c ng như ne cốt thép d h ng tr ng trường hợp ống thép liên tục theo H.Y Yu (2013) [6]

T y nhiên, các hình thức iên ết trên ẫn còn những t n tại:

+ Vi c sử dụng d òng “ring-bea ” ảnh hưởng l n đến công tác ván khuôn,

tạ hình điề n y gây hó hăn ch thi c ng, c t ống thép không liên tục Nie (2008) [3] và Bai (2008) [2], QingJun Chen (2015) [4], không hi u quả vi c hai thác ư

đi m của c t CFST

+ Các liên kết còn phức tạp, đó i c nghiên cứu ứng xử của liên kết hó hăn

Ví dụ như iên ết của H.Y Yu (2013)[6], bê tông cốt th p ên ng i ống th p hiến

t ph n của bê tông th c “ring- ea ” ở trạng thái ứng ất 3 trục, điề n y ẫn chưa được nghiên cứu rõ ràng

1.4 Các nghiên cứu về mô phỏng liên kết giữa cột CFST với dầm BTCT

Có th thấy, nghiên cứu bằng phương pháp phỏng rất phát tri n đ nghiên cứu ứng xử của cấu ki n CFST và cấu ki n d m BTCT Phương pháp n y có nhiều ư

đi như khả năng hảo sát ứng xử cấu ki n: tiết ki m thời gian nghiên cứu, có th ứng dụng trên nhiều cấu ki n, thay đ i thông số hình tương đối nhanh, có th nghiên cứu trên cấu ki n có ch thư c không th thực nghi m Tuy nhiên, các nghiên cứu về mô phỏng m i chỉ dừng lại ở nghiên cứu mô phỏng riêng lẻ kết cấu c t CFST hay kết cấu d m BTCT, ho c chỉ nghiên cứu liên kết giữa c t ống thép v i sàn, d m BTCT chứ chưa có nghiên cứu về mô phỏng liên kết giữa c t CFST v i d m BTCT

Vì thế c n thiết đ thực hi n mô phỏng ứng xử của liên kết giữa c t CFST v i

d m BTCT, nhằm hi rõ hơn ản chất sự làm vi c của liên kết, khắc phục các hạn chế của mô hình thí nghi m

+ T ng quan về mô phỏng liên kết giữa c t CFST v i d m BTCT

Qua t ng quan nh n thấy h u hết các nghiên cứ về liên kết giữa c t ống thép

nh i bê tông v i d m bê tông cốt thép đều dựa trên đề xuất cấu tạo liên kết và tiến hành trên thực nghi , chưa có nghiên cứu về mô phỏng số Các liên kết đề xuất đều đảm bảo các yêu c u về khả năng ch u lực đ cứng Tuy nhiên cấu tạo liên kết còn phức tạp, cơ chế làm vi c chưa được hi u rõ D đó, i c nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng là c n thiết đ khảo sát chi tiết hơn ứng xử của từng b ph n trong liên kết

CHƯƠNG 2

MƠ PHỎNG LIÊN KẾT BẰNG PHẦN MỀM ABAQUS

hương 2 thực hi n mơ phỏng cho liên kết giữa c t CFST v i d m BTCT Liên kết được chọn mơ phỏng the đề xuất của các tác giả [1] do liên kết là hợp ý đã khắc phục được các vấn đề cịn t n tại c ng như những hạn chế của các liên kết đề xuất bởi các tác giả trư c đĩ như:

- Khơng phải sử dụng d ịng “ring- ea ” nên th n lợi cho thi cơng

- Đảm bảo sự liên tục cho ống thép, phát h y được hi u quả của c t CFST

2.1 Mơ tả liên kết

Liên kết giữa c t CFST v i d m BTCT g m c t FST được khoan lỗ sẵn trên

m t c t đ neo cốt thép vào c t và xuyên thép dọc của d m qua c t Các tấm thép ch u cắt được xuyên qua c t thơng qua các lỗ được khoét sẵn trên m t c t được hàn tại

m t ngồi của c t Chi tiết liên kết được th hi n trên Hình 2.1

Hình 2.1 Chi tiết liên kết đ xuất

2.2 Mơ phỏng liên kết bằng ABAQUS

3

1- Cột ống thép nhồi bê tông (CFST) 2- Cốt thép dầm chịu mô men liên tục qua cột 3- Cốt thép dầm chịu mô men được neo vào cột 4- Tấm thép chịu cắt xuyên cột

5- Khoan lỗ sắn trên mặt cột để neo cốt thép vào cột hoặc để xuyên thép liên tục qua cột

tuyến t nh tương đối đơn giản đến vấn đề mô phỏng phi tuyến phức tạp ABAQUS có kho ph n tử phong phú, có th mô phỏng hình dạng bất kỳ Đ ng thời kho mô hình v t

li u có th mô phỏng đại đa ố t nh năng t li u kết cấ đi n hình, tr ng đó a g m kim loại, cao su, v t li u cao phân tử, v t li u phúc hợp, bê tông cốt th p,… ABAQUS không chỉ giải quyết vấn đề trong phân tích kết cấu (ứng suất , chuy n v ) mà còn có khả năng phỏng và nghiên cứu vấn đề tr ng nh ực hác như tr yền dẫn nhi t, phân

t ch â thanh,đi n tử, phân t ch cơ học i trường đi n áp Vì v y tr ng chương 2 của

lu n ăn n y ẽ sử dụng ph n mềm ABAQUS đ mô phỏng và phân tích sự làm vi c của liên kết

2.2.2 Xây n ìn ìn ọ n t

Trong nghiên cứu này, ph n tử 3D8R tr ng thư i n v t li u của ph n mềm ABAQUS được sử dụng đ rời rạc mô hình Ph n tử C3D8R là ph n tử dạng khối 3 chiều, 8 nút tuyến tính Ph n tử 3D8R được dùng mô phỏng ph n tử d m bê tông, lõi

bê tông c t, ống thép c t, các tấm thép ch u cắt và các tấ đ m thép v tr đ t lực Các thanh cốt thép (cốt thép dọc và cốt th p đai) có th được mô hình hóa bằng

mô hình dạng khối,dạng d m ho c dạng thanh Vi c sử dụng mô hình ph n tử dạng khối h ng được chọn trong nghiên cứ n y nó tăng hối ượng tính toán và có

th máy tính không th xử ý được Hơn nửa, thanh cốt th p có đ uốn ngoài trục khá thanh khá nhỏ, vì v y ph n tử dạng thanh T3D2 được sử dụng đ mô phỏng cốt thép

ch u lực Trong nghiên cứu này lực chọn ph n tử dạng thanh T3D2 đ mô phỏng cốt thép Cụ th hơn, ựa chọn ph n tử dây (wire) trong ABAQUS đ mô phỏng cho cốt thép ch u lực ác thanh th p n y được nhúng tr ng ê t ng, tăng đ cứng kết cấu

v i giả thiết bám dính bề m t bê tông cốt thép là tuy t đối Số li đ u vào của dạng

ph n tử này là di n tích m t cắt ngang và không c n đ nh ngh a cụ th tiết di n hình học của m t cắt Vi c lựa chọn các loại ph n tử trong mô hình mô phỏng được th hi n

2.2.3 Mô hình vật u trong ABAQUS

a) Bê tông

Có rất nhiều mô hình có th sử dụng đ mô phỏng v t li ê t ng, tr ng đó thường g p 3 mô hình: Mô hình phá hoại dẻo, Mô hình vết nứt rời rạc, Mô hình vết nứt giòn…

Mô hình vết nứt giòn: Được sử dụng khi v t li u có tính chất cơ học thay đ i

khi xuất hi n vết nứt do kéo ng xử của v t li ư i tác dụng ch n n úc n y được giả đ nh đ n h i tuyến t nh M hình n y được lựa chọn cách thức xuất hi n vết nứt rời rạc đ đại di n cho ứng xử giòn không liên tục (vết nứt rời rạc xuất hi n ở những v trí khác nhau) trong v t li u Vì v y mô hình này phù hợp cho các loại v t li u có tính chất giòn như đất t, đá…

Mô hình vết nứt rời rạc: Thường được sử dụng đ tính toán phi tuyến ư i tác

dụng của tải trọng t nh Mô hình này chủ yếu sử dụng cho kết cấu bê tông và cốt thép thường M hình ch ph p xác đ nh được phản ứng kết cấ ư i tác dụng các tác

đ ng Sự phá hoại bê tông trong mô hình vết nứt rời rạc là xuất hi n vết nứt ở vùng

ch u kéo bê tông ho c vở bê tông ở vùng ch u nén M hình được xây dựng bao g m

cả những ứng xử quan trọng như ết nứt, biến dạng dẻ … Vết nứt đã x ất hi n v trí

hư ng của nó được ư ại đ xét cho các tính toán tiếp theo, nói cách khác tiết di n xuất hi n vết nứt sẽ được tính toán v i đ cứng cường đ tương ứng v i tiết di n thu h p do vết nứt

Mô hình phá hoại dẻo: Kết hợp cả t nh đ n h i đ ng hư ng và ứng xử

dẻ hi n n đ th hi n tính phi tuyến của v t li ê t ng Đ nh ngh a n y trái ngược lại v i vết nứt giòn Mô hình phá hoại dẻ người dùng có th hai á được giai đ ạn cứng hóa và mềm hóa khi ch n n như ứng xử phi tuyến trong thực tế của v t li u bê tông Vì v y, mô hình phá hoại dẻ thường được sử dụng trong mô phỏng tính toán cấu ki n bê tông cốt thép Mô hình phá hoại dẻo có những ư nhược riêng:

+ Ư đi m mô hình này: Có th sử dụng cho nhiều loại v t li u khác nhau và cho nhiều loại tải trọng khác nhau (tải trọng t nh, tải trọng đ ng, tải trọng theo chu kỳ) + Nhược đi m mô hình: Mô hình mô phỏng ứng xử v t li u bê tông cốt thép thông qua ứng xử v t li u bê tông, cốt thép và các h số mô hình phá hoại dẻo Nếu chúng ta không ki m soát thông số đ u vào m t cách chính xác rất dễ xảy ra sự sai

l ch về kết quả mô phỏng tính toán

Trong lu n ăn n y, tác giả sử dụng Mô hình phá hoại dẻo (Concrete Damaged Plasticity Model- CDP) đ mô phỏng ứng xử của bê tông trong kết cấu

Mô hình phá hoại dẻ được bi u diễn qua hai loại phá hoại chính trong bê tông : vết nứt phát tri n tại vùng kéo và v t li u b ép vỡ trong vùng nén Trong mô hình, ứng

xử nén dọc trục và kéo dọc trục bê tông là hai tính chất quan trọng trong mô hình phá hoại dẻo

• Quan hệ ứng suất - biến d ng trong mi n kéo:

Đ nh ngh a an h ứng suất – biến dạng của bê tông trong miền kéo qua các thông số đ u vào mô hình: M đ n đ n h i (E0), ứng suất kéo(t), biến dạng vết nứt (

ck

t

 ) phụ thu c cấp đ bền của bê tông Biến dạng vết nứt (t ck) được tính toán dựa vào

t ng biến dạng theo công thức: ck 0el

  : biến dạng kéo trong miền đ n h i của bê tông

- t: t ng biến dạng kéo của bê tông

Đường c ng cơ ản quan h ứng suất và biến dạng của bê tông ch u kéo được

minh họa trong Hình 2.2:

Hình 2.2 Quan hệ ứng uất – iến ng hi chịu éo của ê tông

Khi dỡ tải, ABAQUS tự đ ng tính toán giá tr biến dạng dẻo do kéo của bê tông dựa vào quan h :

- dt : H số phá hoại do kéo của ê t ng Được khai báo bằng đường cong quan

h biến dạng nứt và h số phá hoại trong dữ li đ u vào của mô hình

• Quan hệ ứng suất - biến d ng trong mi n nén:

Đ nh ngh a an h ứng suất – biến dạng của bê tông trong miền nén qua các thông số đ u vào: ng suất nén(c), biến dạng do nén vỡ ( ch

c

 ) được xác đ nh dựa trên t ng biến dạng và biến dạng trong miền đ n h i theo công thức: c ch    c 0el c