Nghiên cứu liên kết giữa cột góc ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN PHAN NHẬT NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT GIỮA CỘT GÓC ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN PHAN NHẬT NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT GIỮA CỘT GĨC ỐNG THÉP NHỒI BÊ TƠNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC Đà Nẵng – Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi với nhóm nghiên cứu trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Trần Phan Nhật NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT GIỮA CỘT GÓC ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Học viên: TRẦN PHAN NHẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 60.58.02.08 Khóa: 32 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt: Cột ống thép nhồi bê tơng (CFST) có ưu điểm: Cường độ cao, độ cứng lớn, độ dẻo khả phân tán lượng lớn, v.v Sàn phẳng bê tơng cốt thép có ưu điểm: Giảm chiều cao tầng, thuận tiện cho việc bố trí đường ống thiết bị kỹ thuật, dễ dàng thơng gió linh hoạt bố trí mặt Với ưu điểm việc kết hợp sàn phẳng với cột (CFST) giải pháp kết cấu hợp lý cho nhà cao tầng Tuy nhiên, nghiên cứu liên kết cột góc CFST với sàn phẳng BTCT cịn hạn chế Do đó, luận văn nghiên cứu đề xuất giải pháp liên kết cột góc CFST với sàn phẳng BTCT, thực tính tốn liên kết theo tiêu chuẩn ACI 318 thực thí nghiệm mẫu có kích thước 1,5mx1,5m để xác định khả chịu lực liên kết đề xuất Kết thí nghiệm cho thấy khả chịu lực liên kết lớn kết tính tốn theo tiêu chuẩn Điều cho thấy an toàn thiết kế mẫu theo tiêu chuẩn ACI 318 giải pháp liên kết đề xuất cột góc CFST với sàn phẳng tin cậy Từ khóa – Ống thép nhồi bê tơng; Sàn phẳng ; Bê tông cốt thép; Liên kết; Cột góc studying connectiON BETWEEN concrete filled steel tube CORNER COLUMN AND reinforced concrete flat slab Abstract: The concrete filled steel tube (CFST) column has the following advantages: High strength, high ductility and high energy dissipation, etc The reinforced concrete flat floor has the following advantages: Reducing the height of the floor, facilitating the arrangement of technical equipment, ventilation and flexible layout With the above advantages, the combination between RC flat floor with CFST column is a reasonable structural solution for tall buildings However, the current studies on the connection between the CFST column and the reinforced concrete floor are limited Therefore, this thesis proposed the solution for connection betweeen CFST column at corner and the reinforced concrete floor, performing the calculation according to ACI 318 and conducting the experiment on the 1,5x1,5 specimen to determine bearing capacity of the proposed connection The test results show that the bearing capacity of the connection is greater than the calculated result of the standard This shows that the design according to ACI 318 standard is safe and the proposed CFST column solution with flat floor is reliable Key words - Concrete filled steel tube (CFST); Floor Flat; Reinforced Concrete (RC); Connection; Corner column (CC) MỤC LỤC TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KẾT QUẢ DỰ KIẾN BỐ CỤC CỦA ĐỀ TÀI CHƯƠNG TỔNG QUAN CỘT CFST, SÀN PHẲNG BTCT VÀ LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI SÀN PHẲNG BTCT 1.1 TỔNG QUAN VỀ 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 CÁC LOẠI SÀN PHẲNG BTCT 1.2.1 Sàn phẳng BTCT thường 1.2.2 Sàn phẳng bê tông ứng suất trước 1.2.3 Sàn Bubbledeck 10 1.2.4 Sàn U-boot Beton 11 1.3 TỔNG QUAN VỀ LIÊN KẾT GIỮA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP 13 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 19 CHƯƠNG GIẢI PHÁP CẤU TẠO VÀ TÍNH TỐN LÊN KẾT CỘT GĨC CFST VỚI SÀN PHẲNG BTCT 20 2.1 GIẢI PHÁP CẤU TẠO LIÊN KẾT CỘT GÓC – SÀN PHẲNG BTCT 20 2.2 GIẢI PHÁP TÍNH TỐN LIÊN KẾT CỘT GĨC – SÀN PHẲNG BTCT 23 2.3 THIẾT KẾ LIÊN KẾT SÀN BTCT – CỘT CFST CHO CỘT GÓC 28 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 40 CHƯƠNG KHẢO SÁT LIÊN KẾT BẰNG THỰC NGHIỆM 41 3.1 CHẾ TẠO MẪU, THIẾT BỊ VÀ THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM 41 3.1.1 Đề xuất mẫu thí nghiệm 41 3.1.2 Chế tạo mẫu thí nghiệm 41 3.1.3 Thiết bị thí nghiệm 43 3.1.4 Thiết lập thí nghiệm 45 3.2 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CỦA VẬT LIỆU 45 3.2.1 Bê tông 45 3.2.2 Cốt thép 46 3.3 MÔ TẢ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO 47 3.3.1 Mơ tả kết thí nghiệm 47 3.3.2 Đánh giá kết đo 48 3.3.3 Nhận xét mô hình phá hoại qua kết thí nghiệm liên kết cột góc CFST với sàn phẳng BTCT 49 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………………………………………………… 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………………52 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CFST : Concrete filled steel tube (Ống thép nhồi bêtông) BTCT : Bê tông cốt thép f'c : Cường độ chịu nén bêtông fy : Cường độ chịu kéo cốt thép Ec : Môđun đàn hồi bêtông Es : Môđun đàn hồi cốt thép Is : Mơmen qn tính thép chịu cắt Ic : Mơmen qn tính tiết diện bê tông bao quanh mũ chịu cắt wu : Tải trọng phân bố sàn db : Đường kính cốt thép d : chiều cao làm việc sàn h : Chiều dày sàn b : Bề rộng dải sàn b0 : Chu vi tiết diện tới hạn tháp chọc thủng cách mặt cột d/2 b01 : Chu vi tiết diện tới hạn tháp chọc thủng cách mặt cột 3/4 chiều dài cánh tay vươn chịu cắt As : Tởng diện tích cốt thép chịu kéo bề rộng b dải sàn a : Chiều cao vùng nén bêtông Mp : Mômen dẻo thép chịu cắt Vu : Lực cắt tổng cột tác dụng vào cột Vn : Lực cắt danh nghĩa tiết diện d/2 gồm (BT+ thép hình H) Vc : Khả chịu cắt danh nghĩa bê tông sàn fwf : Cường độ tính tốn chịu cắt quy ước que hàn hf : Chiều cao đường hàn lw : Chiều dài đường hàn τtd : Ứng suất tiếp đường hàn tw : Chiều dày thép hw : Chiều cao thép S : Mômen tĩnh tiết diện chữ nhật thép fv : Cường độ tính tốn cắt vật liệu thép fws : Cường độ tính tốn chịu cắt quy ước thép βf : Hệ số chiều sâu nóng chảy tiết diện qua đường hàn βs : Hệ số chiều sâu nóng chảy tiết diện qua thép Awf : Diện tích tính tốn tiết diện đường hàn ứng với tiết diện Aws : Diện tích tính tốn tiết diện đường hàn ứng với tiết diện Wws : Mô men kháng tiết diện đường hàn ứng với tiết diện Wwf : Mô men kháng tiết diện đường hàn ứng với tiết diện ldb : Chiều dài neo Ab : Diện tích thép neo ldh : Chiều dài neo thép có móc neo tiêu chuẩn ld : Chiều dài neo thép thẳng Vmax : Lực cắt lớn dầm Vp : Lực cắt truyền vào thép η : Số lượng thép chịu cắt  : Hệ số độ tin cậy bê tông chịu cắt γc : Hệ số điều kiện làm việc DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng Tên bảng Trang 3.1 Kết thí nghiệm nén mẫu bê tơng 46 3.2 Số liệu thí nghiệm kéo cốt thép 47 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tông .3 Hình 1.2 Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tơng .4 Hình 1.3 Cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép Hình 1.4 Cột CFST bao bê tông (Concrete-encased CFST) Hình 1.5 Cột CFST tăng cường kết cấu thép cốt thép gia cường Hình 1.6 CFST với sườn tăng cứng Hình 1.7 Một số tiết diện tổ hợp từ cột CFST Hình 1.8 Ví dụ cầu xây dựng kết cấu CFST Hình 1.9 Sàn phẳng bê tông cốt thép Hình 1.10 Sàn bê tông ứng suất trước 10 Hình 1.11 Sàn Bubbledeck 10 Hình 1.12 Sàn U-Boot Beton 12 Hình 1.13 Thí nghiệm liên kết cột CFST-sàn BTCT Jin-Won Kim(2014)[6] 13 Hình 1.14 Sự phá hoại sàn BTCT - thí nghiệm Jin-Won Kim (2014)[6] 14 Hình 1.15 Mẫu liên kết Y Su, Y Tian (2010)[12] 15 Hình 1.16 Mơ q trình thí nghiệm - Y Su, Y Tian (2010) [12] 15 Hình 1.17 Liên kết đề xuất Cheol-Ho Lee (2007) [4] 16 Hình 1.18 Liên kết đề xuất Young K Ju (2013)[13] 17 Hình 1.19 Liên kết cột CFST - sàn BTCT đề xuất Hiroki Satoh (2004)[2] .18 Hình 2.1 Thép mũ chịu cắt sàn phẳng .20 Hình 2.2 Dầm tích hợp sàn .21 Hình 2.3 Chốt thép chịu cắt bố trí sàn 21 Hình 2.4 Chốt thép chịu cắt bố trí sàn 22 Hình 2.5 Cấu tạo liên kết cột góc CFST – sàn phẳng BTCT 22 Hình 2.6 Cấu tạo chi tiết liên kết cột góc CFST – sàn phẳng BTCT 23 Hình 2.7 Mặt phá hoại theo kiểu cắt thủng .24 Hình 2.8 Xác định chu vi tiết diện tới hạn khơng có Shear-head 24 Hình 2.9 Xác định chu vi tiết diện tới hạn sử dụng Shear-head 25 Hình 2.10 Tiết diện tới hạn nội lực thép mũ chịu cắt 26 Hình 2.11 Các tiết diện làm việc đường hàn 28 Hình 2.12 Sơ đồ gia tải .30 Hình 2.13 Kiểm tra ứng suất cắt tiết diện thứ .32 Hình 2.14 Bố trí thép Shear-head; Chu vi chịu cắt b02=1149mm với lv=750mm 34 Hình 2.15 Tiết diện tính tốn ảnh hưởng thép 35 Hình 2.16 Xác định trục vị trí trục trung hòa 35 Hình 2.17 Xác định chiều cao đường hàn thép vào cột .37 Hình 2.18 Bố trí cốt thép lớp (hàm lượng thép ρ = 0,91 %) .38 Hình 2.19 Bố trí cốt thép lớp .38 Hình 2.20 Bố trí cốt thép đai C 39 49 Hình 3.19 Đồ thị tải trọng – chuyển vị đứng sàn Qua kết thí nghiệm so sánh với kết qua tính tốn để chọn mẫu thí nghiệm theo tiêu chuẩn ACI 318-11 thấy khác mô hình phá hoại kết thí nghiệm cho kết an tồn so với tính tốn theo tiêu chuẩn mà cụ thể Ptest/PACI 318 = 226/90 = 2,5 Hình 3.20 Hình 3.20 Đồ thị tải trọng – chuyển vị đứng sàn so sánh với ACI 318-11 3.3.3 Nhận xét mơ hình phá hoại qua kết quả thí nghiệm liên kết cột góc CFST với sàn phẳng BTCT Qua quan sát thí nghiệm liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT, ta nhận thấy chế ứng xử mơ hình phá hoại cột góc phá hoại uốn Vết nứt vùng bê tông chịu kéo phát triển gần mặt cột chủ yếu vết nứt uốn, vùng góc cột khơng bố trí Shear –head vết nứt mở rộng Ở thời điểm phá hoại sàn võng lớn ứng xử dẻo, khơng có chuyển vị lớn đột ngột 50 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương thực nội dung sau: Tiến hành 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 đo cảm biến điện ghi lại kết chương trình máy tính Kết thí nghiệm cho thấy khả chịu lực sàn theo thí nghiệm lớn khả chịu cắt thiết kế theo công thức đề xuất khoản 2,5 lần, kết cho thấy an toàn thiết kế mẫu theo tiêu chuẩn ACI318 điều chứng tỏ giải pháp liên kết đề xuất cột góc CFST với sàn phẳng tin cậy Kết thí nghiệm cho thấy phá hoại mẫu phá hoại uốn không xảy phá hoại cắt thủng 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Luận văn thực nghiên cứu đề xuất liên kết cột góc CFST với sàn phẳng BTCT (gồm giải pháp cấu tạo tính tốn) nhằm áp dụng hệ kết cấu vào thực tế xây dựng cơng trình Liên kết đề xuất kiểm tra thực nghiệm để đánh giá hiệu giải pháp cấu tạo tính tốn Dưới kết luận nhận được: - Luận văn phân tích đề xuất giải pháp cấu tạo cho liên kết cột góc CFST với sàn phẳng BTCT gồm: (1) Bố trí shear-head dạng thép hình chữ H chịu cắt: (2) Tấm thép đệm bên shear head: (3) Bố trí cốt thép vịng: (4) Cốt thép chịu mơ men từ sàn vào cột gần mặt bên cột để tạo không gian đổ bê tông vào ống thép: (5) Bố trí hệ cốt đai dạng C - Thực giải pháp tính tốn cho liên kết đề xuất theo tiêu chuẩn ACI318 Từ tính tốn cấu tạo cụ thể cho liên kết cột góc CFST- sàn phẳng BTCT - Thực thí nghiệm mẫu có kích thước (1,5m x1,5m) Kết thí nghiệm cho thấy khả chịu lực sàn theo thí nghiệm lớn khả chịu cắt thiết kế theo công thức đề xuất khoản 2,5 lần Kết cho thấy an toàn thiết kế mẫu theo tiêu chuẩn ACI318 điều chứng tỏ giải pháp liên kết đề xuất cột góc CFST với sàn phẳng tin cậy KIẾN NGHỊ Cần thực mơ thí nghiệm để phân tích sâu làm việc liên kết yếu tố ảnh hưởng Từ cải tiến liên kết hiệu Nghiên cứu liên kết cho cột CFST với sàn bê tông ứng suất trước… 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.A.Elgabry, A G (1990), "Design of stud - Shear Reinforcement for Slabs", ACI Struct J., Vol 87, No 3, pp 350-361 [2] AHiroki Satoh and Kazushi Shimazaki (2004 ), Experimental research on load resistance performance of CFT column/flat plate connection, 13 th World Conference on Earthquake Engineering Vancouver, B.C., Canada [3] Braestrup MW, N M., Jensen BC, Bach F (1976), " Axisymetric punching of plain and reinforced concrete", Structural Research Laboratory, Technical University of Denmark, 1976, Report No 75,, pp 33 [4] Cheol-Ho Leea, Jin-Won Kima and Jin-Gyu Song (2007), "Punching shear strength and post-punching behavior of CFT column to RC flat plate connections", Journal of Constructional Steel Research 64 (2008) 418–428 [5] Hòa, T N T (2011), Kết cấu bê tông cốt thép theo quy phạm Hoa Kỳ, Nhà xuất xây dựng Hà Nội 2011 [6] Jin-Won Kim, Cheol-Ho Lee and Thomas H.-K Kang (2014), "Shearhead Reinforcement for Concrete Slab to Concrete-Filled Tube Column Connections", ACI Structural Journal, Vol 111, No 3, pp 629-638 [7] KS Lê Xuân Dũng (2015) Nghiên cứu thực nghiệm khả chịu lực cột ống thép nhồi bê tông Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp sở, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng [8] Kypros Pilakoutas, X L (2003), "Alternative Shear Reinforcement for Reinforced Concrete Flat Slabs", Journal of Structural Engineering, 129 pp 11641172 [9] Moe.J (1961), "Shearing Strength of Reinforced Concrete Slabs and Footings Under Concentrated Loads ", Portland Cement Association [10] Nguyễn Viết Trung, T V H (2006), Kết cấu ống thép nhồi bê tông, Nhà xuất xây dựng Hà Nội - 2006 [11] Phan Quang Minh, Ngơ Thế Phong and Nguyễn Đình Cống (2011), Kết cấu bê tông cốt thép - phần cấu kiện bản, Nhà xuất khoa học kĩ thuật 2011 [12] Y Su and Y Tian (2010), "Experimental study of RC slab-CFT column connections under seismic deformations", Challenges, Opportunities and Solutions in Structural Engineering and Construction, pp 315-320 [13] Young K Ju, Yong Chul Kim and Jaeho Ryu (2013), "Finite element analysis of concrete fi lled tube column to fl at plate slab joint", Journal of Constructional Steel Research 64 (2008) 418–428 ... Ống thép Lõi b? ?tông a Lõi b? ?tông Ống thép Lõi b? ?tông a D Ống thép Lõi b? ?tông a Ống thép b Ống thép Lõi b? ?tông Ống thép Lõi b? ?tông Hình 1.2 Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tông Một dạng... thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép” MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu tổng quan cột ống thép nhồi bê tông, sàn phẳng bê tông cốt thép, liên kết cột ống thép nhồi bê tông với... bê tông bên bên ngồi đở sau Việc nhồi bê tông vào ống làm tăng tối đa khả giam hãm bê tông nâng cao cường độ tới hạn tiết diện Bê tông cốt thép bao bọc bên tạo thành lớp chống cháy cho lõi bên