KHẢO SÁT SỰ LÀM VIỆC CỦA ỐNG THÉP Ó ĐƢỜNG HÀN XOẮN NHỒI BÊ TÔNG

Ọ TRƢỜNG ĐẠI HỌ TẠ O O NG TRƢNG KHẢO SÁT SỰ LÀM VIỆC CỦA ỐNG THÉP Ó ĐƢỜNG HÀN XOẮN NHỒI BÊ TÔNG LUẬN VĂN T ẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP Đ N N Ọ TRƢỜNG ĐẠI HỌ TẠ O O NG TRƢNG KHẢO SÁT SỰ LÀM VIỆC CỦA ỐNG THÉP Ó ĐƢỜNG HÀN XOẮN NHỒI BÊ TÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN T ẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP N ƣời hƣớng dẫn khoa học: TS PHẠM MỸ Đ N N i LỜI M ĐO N Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình TÁC GIẢ LUẬN VĂN T T ƣ ii KHẢO SÁT SỰ LÀM VIỆC CỦA CỘT ỐNG THÉP Ó ĐƢỜNG HÀN XOẮN NHỒI BÊ TƠNG ọc viên: T ồng Trưng Chun ngành: thuật ây ựng dân dụng công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 Khóa: 32 Trường i học Bách khoa - Tó tắt - Một nh ng yếu tố quan trọng đối v i kết cấu liên hợp th p ê tông làm việc c ng gi a hai vật liệu Trong đ kết cấu cột ê tông cốt th p truyền thống cho thấy r quan trọng làm việc chung Trong luận án tập trung khảo sát làm việc cột ống th p c đường hàn xoắn nhồi ê tông c sở so sánh đánh giá khác iệt đối v i cột ống th p tr n nhồi ê tông ây c ng ch nh l o luận án tập trung khảo sát tư ng tác gi a thành ống th p l i ê tông cột ống th p nhồi ê tông Việc khảo sát tư ng tác gi a thành ống th p l i ê tông c nhiều cách tiếp cận khác o ài tốn phi tuyến hình học vật liệu o đ việc khảo ứng ứng x t i m t tiếp x c gi a hai lo i vật liệu cột không th tiếp cận ằng lời giải giải t ch Một cách tổng quan c hai cách tiếp cận ch nh thường s ụng rộng rãi v i độ tin cậy cao kết c th đáp ứng yêu cầu ài toán cách tiếp cận ài toán th o hư ng thực nghiệm cách tiếp cận c n l i th o hư ng mô số o cách tiếp cận thực nghiệm đ i hỏi đầu tư nhiều thời gian chi ph thực nghiệm l n goài cách tiếp cận thực nghiệm iến thứ cấp không th đo đ t trực tiếp o đ nghiên cứu chọn cách tiếp cận th o mơ hình phư ng phư ng pháp số đ giải ài tốn Từ khóa - ột ống th p nhồi ê tông ( FT); tư ng tác gi a hai ề m t; hiệu ứng giam gi ; ứng x c học; tải trọng n n đ ng tâm; thay đổi hệ số ma sát (6 từ kh a) Research On The Interaction Between Steel Pipe And Concrete Core Of The Press – Resistant Concrete Filled Steel Tube Abstract –One of the most critical factor to composite steel and concrete structure is the coordination between the two materials Specifically, the structure of traditional reinforced concrete tube clearly indicates the importance of this kind of coordination The thesis focuses on surveying the behaviour of the concrete filled steel tube; therefore, the coordination between the two materials plays an important role as the main determinant of force resistibility of the structure t also r mains th r ason why th th sis’s conc ntration is on th int raction tw n st l pip and concrete core of the concrete filled steel tube There are many routes to approach the survey on the interaction between steel pipe and concrete core However, it is impossible to use analytical solution to approach the survey on behaviour at the contact surface between the two materials on the ground that this is a nonlinear problem of geometry and materials In general, two main approaches widely employed with high reliability and result that can meet the requirement of the problem consist of the experiment and numerical simulation The method of experiment requires a lot of time and large portion of expense Besides, the use of this method makes the secondary variable immeasurable As a result, the thesis utilizes the numerical simulation method to deal with the problem Key words - Concrete filled steel tube (CFT); interaction between two surfaces; detention effect; mechanical behaviour; central repressed counterweight; change in friction coefficient (6 keywords) iii MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI M ĐO N i MỤC LỤC iii N MỤ N ẢN v N MỤ ẢNG I U xi KÝ HIỆU V ĐƠN VỊ xii MỞ Đ U 1 T nh cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu ối tượng ph m vi nghiên cứu Phư ng pháp nghiên cứu Cấu trúc luận văn ƢƠNG TỔNG QU N V ỘT ỐNG T P N ỒI T NG 1.1 Gi i thiệu tổng quan 1.1.1 Khái niệm cột ống th p nhồi ê tông 1.1.2 Phân lo i cột ống thép nhồi bê tông 1.2 Mục đ ch/mục tiêu động c đề tài nghiên cứu 10 1.2.1 Mục đ ch/mục tiêu đề tài nghiên cứu 10 1.2.2 ộng c nghiên cứu 10 ƢƠNG Ơ SỞ T U T ẢO SÁT SỰ LÀM VIỆC CỘT ỐNG T P Ĩ ĐƢỜNG HÀN XOẮN NHỒI BÊ TƠNG TRONG ĐI U IỆN ỊU N N 12 2.1 Tổng quan 12 2.1.1 u m k thuật cột FT 12 2.1.2 u m m t kinh tế cột FT 12 2.1.3 Phát i u ài toán 13 2.1.4 T m tắt nghiên cứu thực 14 2.2 Phân t ch phần t h u h n kết cấu cột ống th p c đường hàn xoắn nhồi ê tông 14 2.2.1 Thuộc t nh vật liệu ê tông ống th p 14 2.2.2 Mơ hình hình học 17 2.3 Phân t ch phần t h u h n cột ê tông ống th p nhồi ê tông FT 18 2.3.1 Phư ng trình cân ằng phi tuyến 18 2.3.2 iải phư ng trình cân ằng phi tuyến 20 iv 2.3.3 ây ựng ma trận độ cứng 22 2.3.4 ây ựng v c t tải 23 2.3.5 iều kiện tiếp x c 24 2.3.6 Phát sinh lư i 26 2.4 ết luận hư ng 27 ƢƠNG P ƢƠNG P P SỐ P ỤNG V P N T T QỦ 28 3.1 Cột CFT: A-1-1 A-2-1 28 3.1.1 hảo sát áp lực tiếp x c 28 3.1.2 hảo sát áp lực cắt tiếp x c 30 3.1.3 Khảo sát mối quan hệ gi a lực chuy n vị 32 3.1.4 hảo sát chuy n vị ống th p 35 3.1.5 hảo sát ứng x iến ng 37 3.1.6 hảo sát ứng x ứng suất 42 3.2 Cột CFT: A-1-2 A-2-2 47 3.2.1 hảo sát áp lực tiếp x c 47 3.2.2 hảo sát chuy n vị 51 3.2.3 hảo sát ứng x iến ng ứng suất 54 3.2.4 hảo sát trượt phá ho i l i ê tông 63 3.3 ết luận hư ng 65 T UẬN V T I IỆU T QUY T ĐỊN I N NG Ị 67 M ẢO GI O Đ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) v N ình ình MỤ N ẢN : ấu t o kết cấu ống thép nhồi bê tông 2: M t cắt n hình cột ống thép nhồi bê tơng .6 ình 3: ột ống thép nhồi bê tông v i hai l p ống thép/Concrete-filled double skin tubes ình 4: ột bê tông bao CFST/Concrete-encased CFST ình ình 5: F T tăng cường th p gia cường 6: F T v i sườn tăng cứng ình 7: ự tổ hợp tiết diện cột CFST .9 ình : oncr t isplac m nt 13 ình 2: Mô hình phá ho i o ê tông 15 ình 3: Phá ho i n n ê tông v i 16 ình 4: Phá ho i k o ê tông v i 16 ình 5: Phá ho i n n ê tông v i 16 ình 6: Phá ho i k o ê tông v i 17 ình 7: uan hệ gi a ứng suất iến ng vật liệu ống th p 17 ình 8: Mơ hình hình học cột FT: -1-1, A-2-1 18 ình 9: Mơ hình hình học cột FT: -1-2, A-2-2 18 ình : Phi tuyến vật liệu 19 ình : Minh ho đường cong lực-chuy n vị ài tốn phi tuyến hình học 20 ình 2: iải thuật wton-Raphson 20 ình 3: ường cong lực-chuy n vị 22 ình 4: ịnh ngh a tham số thuật toán tiếp x c s ụng mô 25 ình 5:Phát sinh lư i n hình cột FT: -1-1, A-2-1 27 ình 16:Phát sinh lư i n hình cột FT: -1-2, A-2-2 27 ình : ng x áp lực tiếp x c phân ố ọc th o chu vi t i đ nh gi a chân ống th p cột -1-1 29 ình 2: ng x áp lực tiếp x c phân ố ọc th o chu vi t i đ nh gi a chân l i ê tông cột -1-1 29 ình 3: Phân ố ứng suất tiếp x c t i đ nh ống th p cột -1-1 30 ình 4: Phân ố ứng suất tiếp x c gi a ống th p cột -1-1 30 ình 5: Phân ố ứng suất tiếp x c t i chân ống th p cột -1-1 .30 ình 6: Phân ố áp lực tiếp x c ọc trục cột -1-1 31 vi ình 7: Phân ố áp lực cắt tiếp x c ọc trục cột -1-1 .31 ình 8: Phân ố áp lực cắt tiếp x c t i đ nh ống th p cột -1-1 32 ình 9: Phân ố áp lực cắt tiếp x c gi a ống th p cột -1-1 32 ình : Phân ố áp lực cắt tiếp x c t i chân ống th p cột -1-1 32 ình : ường cong quan hệ gi a lực hệ số ma sát cột -1-1, A-2-1 33 ình 2: ường cong quan hệ gi a lực hệ số ma sát cột -1-2, A-2-2 33 ình 3: ường cong quan hệ gi a lực chuy n vị l i ê tông đối v i hệ số ma sát ( ck MPa) cột -1-1 34 ình 4: ường cong quan hệ gi a lực chuy n vị l i đối v i cường độ ê tông (nu 4) cột -1-1 34 ình 5: ng suất tiếp x c phân ố ọc trục ống th p đối v i cường độ ê tông (nu 4) cột -1-1 34 ình 6: ường cong quan hệ lực chuy n vị t i đ nh ống th p đối v i cường độ ê tông (nu 4) cột -1-1 35 nh 7: ường cong quan hệ gi a lực chuy n vị đối v i hệ số ma sát t i đáy ống th p cột -1-1 35 ình 8: ường cong quan hệ gi a lực chuy n vị t i đáy gi a đ nh ống th p cột -1-1 35 ình 9: ng x chuy n vị ọc trục (u3) ên thành ống (nu ck MPa) cột -1-1 36 ình : ng x chuy n vị ọc trục (u3) ên thành ống (nu ck MPa) cột -1-1 36 ình : ng x chuy n vị ọc trục (u3) ên thành ống (nu ck MPa) cột -1-1 36 ình 22: ng x iến ng t i đ nh ống th p đối v i cường độ ê tông nu=0.4-A-1-1 37 ình 23: ng x iến ng 22 t i gi a ống đối v i cường độ ê tông nu cột -1-1 38 ình 24: ng x iến ng 33 t i gi a ống đối v i cường độ ê tông nu cột -1-1 38 ình 25: ng x iến ng t i chân gi a đ nh ống cột -1-1 .39 ình 26: ng x iến ng 22 t i chân gi a đ nh ống cột -1-1 .39 nh 27: ng x iến ng 33 t i chân gi a đ nh ống cột -1-1 .39 ình 28: Phân ố iến ng ọc trục ngồi ống cột -1-1 40 ình 29: Phân ố iến ng ọc trục 22 ngồi ống cột -1-1 40 ình 3 : Phân ố iến ng ọc trục 33 ngồi ống cột -1-1 40 vii ình 3 : Phân ố iến ng ọc th o chu vi ngồi ống cột -1-1 .40 ình 32: Phân ố iến ng 22 ọc th o chu vi ngồi ống cột -1-1 .40 ình 33: Phân ố iến ình 3.34: Phân ố iến ình 35: Phân ố iến ng 33 ọc th o chu vi ống cột -1-1 .40 ng ọc trục l i cột -1-1 41 ng ngang 22 l i cột -1-1 .41 ình 3.36: Phân ố iến ng ngang 33 l i cột -1-1 .41 ình3.37: Phân ố iến ng ọc trục ọc th o chu vi l i t i chân gi a đ nh cột -1-1 41 ình 38: Phân ố iến ng ọc trục 22 ọc th o chu vi l i t i chân gi a đ nh cột -1-1 41 ình 39: Phân ố iến ng ọc trục 33 ọc th o chu vi l i t i chân gi a đ nh cột -1-1 41 ình : Phân ố ứng suất Von Mis s ọc trục ên ống th p đối v i cường độ ê tông cột -1-1 42 ình : Phân ố ứng suất Von Mis s ọc trục ên ống th p đối v i cường độ ê tông cột -1-1 43 ình 42: Phân ố ứng suất Von Mis s ọc trục ê ống th p cột 1-1 43 ình 43: Phân ố ứng suất Von Mis s ọc trục ên ống đối v i hệ số ma sát cột -1-1 44 ình 44:Phân ố ứng suất Von Mis s ọc th o chu vi ống t i chân gi a đ nh cột -1-1 45 ình 45: Phân ố ứng suất Von Mis s ọc th o chu vi ống t i chân gi a đ nh cột -1-1 45 ình 46: Phân ố ứng suất Von Mis s ọc chu vi l i đối v i cường độ ê tông .46 cột -1-1 46 ình 47: Phân ố ứng suất Von Mis s ọc chu vi l i đối v i hệ số ma sát cột 1-1 46 ình 48: Phân ố ứng suất Von Mis s ọc chu vi l i t i chân gi a đ nh cột 1-1 47 ình 49: Phân ố áp lực tiếp x c ống th p xoắn ốc cột -1-2 48 ình : ng x áp lực tiếp x c t i khu vực ống th p cột -1-2 48 ình : ng x áp lực tiếp x c t i khu vực ống th p cột -1-2 48 ình 52: ng x áp lực tiếp x c t i khu vực ống th p cột -1-2 48 ình 53: ng x áp lực tiếp x c t i khu vực ống th p cột -1-2 48 ình 54: Phân ố áp lực tiếp x c cắt thành ống th p cột -1-2 49 viii ình 55: ng x áp lực tiếp x c trượt t i khu vực ống th p cột -1-2 49 ình 56: ng x áp lực tiếp x c trượt t i khu vực ống th p cột -1-2 49 ình 57: ng x áp lực tiếp x c trượt t i khu vực ống th p cột -1-2 49 ình 58: ng x áp lực tiếp x c trượt t i khu vực ống th p cột -1-2 49 ình 59: Phân ố ứng suất tiếp x c l i ê tông cột -1-2 50 ình : ình : ình 62: ng x áp lực tiếp x c t i khu vực l i ê tông cột -1-2 50 ng x áp lực tiếp x c t i khu vực l i ê tông cột -1-2 50 ng x áp lực tiếp x c t i khu vực l i ê tơng cột -1-2 50 ình 63: ng x áp lực tiếp x c t i khu vực l i ê tông cột -1-2 50 ình 64: Phân ố ứng suất tiếp x c cắt l i ê tông -1-2 50 ình 65: ình 66: ng x áp suất tiếp x c cắt t i khu vực l i ê tông cột -1-2 51 ng x áp suất tiếp x c cắt t i khu vực l i ê tông cột -1-2 51 ình 67: ình 68: ình 69: ống th p cột ình : ống th p cột ình : ng x áp suất tiếp x c cắt t i khu vực l i ê tông cột -1-2 51 ng x áp suất tiếp x c cắt t i khu vực l i ê tông cột -1-2 51 ường cong quan hệ lực-chuy n vị m t ống t i đ nh gi a chân -1-2 52 ường cong quan hệ lực-chuy n vị m t ống t i đ nh gi a chân -1-2 52 ường cong quan hệ lực-chuy n vị m t ống t i đ nh ống th p cột -1-2 52 ình 72: ường cong quan hệ lực-chuy n vị m t ống t i gi a ống th p cột -1-2 52 ình 73: ường cong quan hệ lực-chuy n vị m t ống t i chân ống th p cột -1-2 52 ình 74: ường cong quan hệ lực-chuy n vị t i đ nh gi a chân l i ê tông cột A-1-2 53 ình 75: ng x chuy n vị t i đ nh gi a chân l i ê tông cột -1-2 53 ình 76: o sánh quan hệ lực-chuy n vị gi a ống th p l i ê tông t i chân cột 1-2 53 ình 77: o sánh quan hệ lực-chuy n vị gi a ống th p l i ê tông t i gi a cột A-1-2 53 ình 78: o sánh quan hệ lực-chuy n vị gi a ống th p l i ê tông t i đ nh cột A-1-2 53 ình 79: Phân ổ phân bố chuy n vị lõi bê tông ống thép cột A-1-2 54 ình : ng x iến ng tư ng đối ( ) t i chân ống th p cột -1-2 55 ình : ng x iến ng tư ng đối ( ) t i gi a ống th p cột -1-2 55 69 B Một số ị h hƣớng phát triển tài ây ựng mơ hình thực nghiệm đ ki m tra v i mơ hình phân t ch số từ đ phát tri n mơ hình phân t ch số thành quy trình thiết kế cho cột FT ụng cách tiếp cận khảo sát tham số đ đánh giá toàn iện hiệu làm việc cột FT s ụng ống th p c đường hàn xoắn o sánh đánh giá m t kinh tế k thuật v i cột s ụng ống th p c liên kết kháng trượt đ t ên thành ống ng ụng cột FT s ụng ống th p c đường hàn xoắn vào cơng trình xây ựng cụ th đ phân t ch đánh giá hiệu s ụng lo i cột [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] T I IỆU T M ẢO Tao, Z., L.-H Han, and D.-Y Wang, Strength and ductility of stiffened thinwalled hollow steel structural stub columns filled with concrete Thin-Walled Structures, 2008 46(10): p 1113-1128 Gourley, B.C., et al., A synopsis of studies of the monotonic and cyclic behavior of concrete-filled steel tube members, connections, and frames 2008, Newmark Structural Engineering Laboratory University of Illinois at Urbana-Champaign Shanmugam, N.E and B Lakshmi, State of the art report on steel–concrete composite columns Journal of Constructional Steel Research, 2001 57(10): p 1041-1080 Uy, B., Strength of short concrete filled high strength steel box columns Journal of Constructional Steel Research, 2001 57(2): p 113-134 Hajjar, J.F., Composite steel and concrete structural systems for seismic engineering Journal of Constructional Steel Research, 2002 58(5): p 703-723 Liu, D., Behaviour of high strength rectangular concrete-filled steel hollow section columns under eccentric loading Thin-Walled Structures, 2004 42(12): p 1631-1644 Jun Kawaguchi, S.M., Toshikazu Sugimoto, Elasto-Plastic Behavior of Concrete-Filled Steel Tubular Frames Composite Construction in Steel and Concrete III, Buckner, C.D and Shahrooz, B M (eds.), Proceedings of the Engineering Foundation Conference, Irsee, Germany, June 9-14, 1996, American Society of Civil Engineers, New York, New York, 1996: p 272-281 U T TRUNG, T.N.V.T.H.N., T C U T BÊTÔNG hà xuất ản xây ựng Ge, H., and Usami,, Strength of concrete-filled thin-walled steel box columnsexperiment Journal of Structural Engineering, 1992(11): p 3036-3054, Bình, C.T., Nghiên cứu thực nghiệm cột ống thép nhồi t g t g điều kiện cháy i học kiến tr c ội Uy, B., Concrete‐ filled fabricated steel box columns for multistorey buildings: behaviour and design Progress in Structural Engineering and Materials, 1998 1(2): p 150-158 Han, L.-H., Flexural behaviour of concrete-filled steel tubes Journal of Constructional Steel Research, 2004 60(2): p 313-337 Fujimoto, T., et al., Behavior of eccentrically loaded concrete-filled steel tubular columns Journal of Structural Engineering, 2004 130(2): p 203-212 Trung, N.V., Kết Cấu ng Thép Nhồi Bê Tông hà xuất ản xây ựng Roeder, C.W., B Cameron, and C.B Brown, Composite Action in Concrete Filled Tubes Journal of Structural Engineering, 1999 125(5): p 477-484 [16] BASU, A.K and W.F HILL, COMPUTATION OF FAILURE LOADS OF COMPOSITE COLUMNS Proceedings of the Institution of Civil Engineers, 1968 40(1): p 37-60 [17] Hunaiti, Y.M., Bond Strength in Battened Composite Columns Journal of Structural Engineering, 1991 117(3): p 699-714 [18] Virdi, K., Bond strength in concrete filled steel tubes 1980: Int Assoc for Bridge & Structural Eng [19] Mouli, M and H Khelafi, Strength of short composite rectangular hollow section columns filled with lightweight aggregate concrete Engineering Structures, 2007 29(8): p 1791-1797 [20] Shakir-Khalil, H., Tests on Concrete-Filled Hollow Section Columns Proceedings of the Third International Conference on Steel-Concrete Composite Structures, Wakabayashi, M (ed.), Fukuoka, Japan, September 2629, 1991, Association for International Cooperation and Research in SteelConcrete Composite Structures, 1991: p 89-94 [21] Petrus, C., et al., Bond strength in concrete filled built-up steel tube columns with tab stiffeners Canadian Journal of Civil Engineering, 2011 38(6): p 627637 [22] Tao, Z., L.-H Han, and Z.-B Wang, Experimental behaviour of stiffened concrete-filled thin-walled hollow steel structural (HSS) stub columns Journal of Constructional Steel Research, 2005 61(7): p 962-983 [23] Tao, Z., L.-H Han, and D.-Y Wang, Experimental behaviour of concrete-filled stiffened thin-walled steel tubular columns Thin-Walled Structures, 2007 45(5): p 517-527 [24] Lubliner, J., et al., A plastic-damage model for concrete International Journal of Solids and Structures, 1989 25(3): p 299-326 [25] Lee, J and G.L Fenves, Plastic-Damage Model for Cyclic Loading of Concrete Structures Journal of Engineering Mechanics, 1998 124(8): p 892-900 [26] du beton, f.-f.i., fib Model Code for Concrete Structures 2010 2013: Wiley [27] Krätzig, W.B and R Pölling, An elasto-plastic damage model for reinforced concrete with minimum number of material parameters Computers & Structures, 2004 82(15): p 1201-1215 [28] Vonk, R.A., A Micromechanical Investigation of Softening of Concrete Loaded in Compression 1993: Delft University of Technology [29] van Mier, J.G.M., Strain-softening of Concrete Under Multiaxial Loading Conditions 1984: Technische Hogeschool Eindhoven [30] Francavilla, A and O Zienkiewicz, A note on numerical computation of elastic contact problems International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1975 9(4): p 913-924 [31] Chan, S.K and I.S Tuba, A finite element method for contact problems of solid bodies—Part I Theory and validation International Journal of Mechanical Sciences, 1971 13(7): p 615-625 [32] Hughes, T.J.R., et al., A finite element method for a class of contact-impact problems Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 1976 8(3): p 249-276 [33] Kikuchi, N and J.T Oden, Contact Problems in Elasticity: A Study of Variational Inequalities and Finite Element Methods 1988: Society for Industrial and Applied Mathematics [34] Rothbart, H.A., Mechanical design and systems handbook 1985: McGraw-Hill [35] Brach, R.M., Mechanical impact dynamics: rigid body collisions 2007: Raymond M Brach [36] Hallquist, C.b.J.O., LS-DYNA theoretical manual Livemore software technology corporation, 2005