Khảo sát thực nghiệm ứng xử của cột ống thép nhồi bê tông (CFST) chịu động đất

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ TRUNG CƢỜNG KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CỦA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG (CFST) CHỊU ĐỘNG ĐẤT Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng công nghiệp Mã số: 60 58 02 08 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HCM tháng 06 năm 2018 Công trình hồn thành tại: Trƣờng Đại học Bách Khoa-ĐHQGTP.HCM Cán hướng dẫn 1: TS Cao Văn Vui Cán hướng dẫn 2: Cán chấm nhận xét 1: Huỳnh Minh Phước Cán chấm nhận xét 2: Lê Văn Phước Nhân Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa-ĐHQG-Tp HCM ngày 23 Tháng 08 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS TS Ngô Hữu Cường TS Huỳnh Minh Phước TS Lê Văn Phước Nhân PGS TS Trần Văn Miền TS Trần Cao Thanh Ngọc CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập-Tự do-Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VÕ TRUNG CƯỜNG MSHV: 1570132 Ngày tháng năm sinh: 20/12/1988 Nơi sinh: Quảng Trị Chuyên nghành: Kỹ thuật xây dựng dân dụng công nghiệp.Mã số: 60 58 02 08 I.TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CỦA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG (CFST) CHỊU ĐỘNG ĐẤT NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: o Khảo sát thực nghiệm khả chịu lực ứng xử cột ống thép nhồi bê tông (CFST) chịu tải trọng ngang tuần hồn nhằm mơ tải động đất o Đánh giá ảnh hưởng bê tông đến mức độ tăng khả chịu tải cột CFST chịu động đất o Xem xét dạng phá hoại cột CFST tác dụng tải động đất II.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04 – 09 – 2017 III.NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 22 – 06 – 2018 IV.CÁN BỘ HƢỚNG DẪN : TS Cao Văn Vui Tp HCM ngày……tháng……năm 2018 CÁN BỘ HƢỚNG DẨN CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG NGÀNH TS Cao Văn Vui TRƢỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ Xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp nằm hệ thống luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả tự nghiên cứu, biết cách giải vấn đề cụ thể đặt thực tế xây dựng… Đó trách nhiệm niềm tự hào học viên cao học Để hoàn thành luận văn này, cố gắng nỗ lực thân, nhận giúp đỡ nhiều từ tập thể cá nhân Tôi xin ghi nhận tỏ lòng biết ơn đến tập thể cá nhân dành cho giúp đỡ q báu Đầu tiên tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS Cao Văn Vui Thầy đưa gợi ý để hình thành nên ý tưởng đề tài góp ý cho tơi nhiều cách nhận định đắn vấn đề nghiên cứu, cách tiếp cận nghiên cứu hiệu Xin chân thành cảm ơn Cán Phịng thí nghiệm kết cấu cơng trình - Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng (BKsel) - Trường Đại học Bách khoa TP.HCM tạo điều kiện giúp đỡ q trình thực luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ Thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM truyền dạy kiến thức q giá cho tơi, kiến thức thiếu đường nghiên cứu khoa học nghiệp sau Luận văn thạc sĩ hoàn thành thời gian quy định với nỗ lực thân, nhiên khơng thể khơng có thiếu sót Kính mong q Thầy Cơ dẫn thêm để tơi bổ sung kiến thức hoàn thiện thân Xin trân trọng cảm ơn TP HCM ngày 22 tháng năm 2018 Võ Trung Cường TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu thực nghiệm ứng xử cột ống thép nhồi bê tông (CFST) chịu tải dọc trục cố định tải ngang tuần hồn, mơ tải động đất Thí nghiệm thực 24 mẫu ống thép với loại đường kính 90mm 114mm phá hoại Trong đó, đường kính có độ dày khác 2.5mm, 3mm 3.5mm Sau tiến hành so sánh kết thí nghiệm ống thép có bê tơng Column Filled Steel Tube (CSFT) ống thép khơng có bê tơng Steel tube (ST) vấn đề: o Dạng phá hoại o Quan hệ lực - chuyển vị o Quan hệ moment - biến dạng o Số vòng lặp o Độ cứng Kết nghiên cứu thực nghiệm góp phần đánh giá khả chịu động đất cột tròn CFST tính tốn cơng trình chịu động đất Ngồi ra, kết thí nghiệm ứng xử cột CFST chịu tải trọng ngang tuần hồn có ích cho nghiên cứu tương lai để kiểm chứng mơ hình phần tử hửu hạn hay mơ hình khác ABSTRACT This thesis presents the experimental results on the behaviour of concrete filled steel tube (CFST) subjected to constant axial and lateral cyclic loading, simulated earthquake excitations The experiment was conducted for 24 steel tube specimens with diameters of 90 mm and 114 mm to failure For each diameter, three thickness are 2.5mm, 3mm and 3.5mm The results of CSFTs are then compared with those of STs on the following aspects: o Failure mode o Force – displacement relationships o Flexural moment – strain relationships o Number of cycles o Stiffness Experimental results contribute to the assessment of CFST columns subjected to earthquakes In addition, the experimental results on the behavior of CFST columns with lateral cyclic loading will be useful for future studies such as validation of finite element models or other models LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công việc tơi thực hướng dẫn thầy TS Cao Văn Vui Các kết luận văn thật chưa công bố nghiên cứu khác Tôi xin chịu trách nhiệm cơng việc thực TPHCM ngày 22 tháng 06 năm 2018 Võ Trung Cường MỤC LỤC Chƣơng MỞ ĐẦU 1.1 Lý chọn đề tài 1.2 Mục đích nghiên cứu 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa nghiên cứu Chƣơng TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu chung 2.1.1 Đặc điểm chung cột CFST liên hợp 2.1.2 Đặc điểm cột CFST thực nghiên cứu 2.2 Tổng quan nghiên cứu nước 2.2.1 Ở nước 2.2.2 Ở nước 10 Chƣơng CHƢƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM 13 3.1 Vật liệu 13 3.1.1 Bê tông 13 3.1.2 Ống thép hình 14 3.2 Chế tạo mẫu 15 3.2.1 Mẫu thí nghiệm 15 i|P age 3.2.2 Quy trình thi cơng mẫu 19 3.3 Mô hình cơng thức tính tốn tải trọng lặp (cyclic loading) 22 3.3.1 Độ mảnh cột 22 3.3.2 Cơng thức tính tốn tải trọng lặp (cyclic loading) 23 3.4 Quy trình thực nghiệm 26 3.4.1 Dụng cụ thí nghiệm 26 3.4.2 Sơ đồ thí nghiệm 26 3.4.3 Bố trí thiết bị đo đạt 27 Chƣơng KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN 29 4.1 Dạng phá hoại 29 4.2 Quan hệ lực ngang - chuyển vị ngang 35 4.2.1 Quan hệ lực ngang - chuyển vị ngang mẫu D90x2.5 35 4.2.1.1 Quan hệ lực ngang - chuyển vị ngang 35 4.2.1.2 So sánh nhận xét 37 4.2.2 Quan hệ lực ngang - chuyển vị mẫu D90x3.0 39 4.2.2.1 Quan hệ lực ngang - chuyển vị 39 4.2.2.2 So sánh nhận xét 41 4.2.3 Quan hệ lực ngang - chuyển vị mẫu D90x3.5 43 4.2.3.1 Quan hệ lực ngang - chuyển vị 43 4.2.3.2 So sánh nhận xét 45 ii | P a g e 4.5.2 Nhóm D90x3.0 Độ cứng D90x3.0 (N/mm) D90x3.0-0 D90x3.0-1 -1 D90x3.0-2 D90x3.0-3 -2 -3 -4 -5 -6 -100 -50 Displacemnt (mm) 50 100 Hình 4.37 Biểu đồ độ cứng nhóm mẫu D90x3.0 Độ cứng D90x3.0 180 153.00 160 137.50 140 Stiffness (N/mm) Force (KN) 120 100 105.00 94.70 80 60 40 20 D90x3.0-0 D90x3.0-1 D90x3.0-2 D90x3.0-3 Hình 4.38 Biểu so sánh đồ độ cứng nhóm mẫu D90x3.0 71 | P a g e Độ cứng trung bình D90x3.0 180 160 131.83 Stiffness (N/mm) 140 120 94.70 100 80 60 40 20 CT CFST Hình 4.39 Biểu so sánh độ cứng trung bình nhóm mẫu D90x3.0 Từ biểu đồ hình 4.38, Ta thấy độ cứng trung bình ống thép khơng bê tơng D90x3.0-0(ST-Steel tube) thấp 39% so với ống có đổ đầy bê tông D90x3.0(CFST: Concrete Fill Steel Tube) 4.5.3 Nhóm D90x3.5 Độ cứng D90x3.5 (N/mm) Force (KN) D90x3.5-0 D90x3.5-1 -1 D90x3.5-2 -2 D90x3.5-3 -3 -4 -5 -6 -100 -50 50 100 Displacemnt (mm) Hình 4.40 Biểu đồ độ cứng nhóm mẫu D90x3.5 72 | P a g e Độ cứng D90x3.5 180 158.38 160 140.54 Stiffness (N/mm) 140 122.78 120 100 80 60 52.41 40 20 D90x3.5-0 D90x3.5-1 D90x3.5-2 D90x3.5-3 Hình 4.41 Biểu so sánh độ cứng nhóm mẫu D90x3.5 Độ cứng trung bình D90x3.5 180 Stiffness (N/mm) 160 140.57 140 120 100 80 60 52.41 40 20 - ST CFST Hình 4.42 Biểu so sánh độ cứng trung bình nhóm mẫu D90x3.5 Từ biểu đồ hình 4.41, Ta thấy độ cứng trung bình ống thép khơng bê tơng D90x3.5-0(ST-Steel tube) thấp 168% so với ống có đổ đầy bê tông D90x3.5(CFST: Concrete Fill Steel Tube) 73 | P a g e 4.5.4 Nhóm D114x2.5 Độ cứng D114x2.5 (N/mm) 10 D114x2.5-0 D114x2.5-1 -2 D114x2.5-2 -4 D114x2.5-3 -6 -8 -10 -150 -100 -50 50 100 150 Displacemnts (mm) Hình 4.43 Biểu độ cứng nhóm mẫu D114x2.5 Độ cứng D114x2.5 350 324.92 300 274.88 281.65 D114x2.5-2 D114x2.5-3 250 Stiffness (N/mm) Force (KN) 200 168.96 150 100 50 D114x2.5-0 D114x2.5-1 Hình 4.44 Biểu so sánh độ cứng nhóm mẫu D90x3.5 74 | P a g e Độ cứng trung bình D114x2.5 350 293.82 Stiffness (N/mm) 300 250 200 168.96 150 100 50 ST CSFT Hình 4.45 Biểu so sánh độ cứng trung bình nhóm mẫu D114x2.5 Từ biểu đồ hình 4.44, Ta thấy độ cứng trung bình ống thép khơng bê tơng D114x2.5-0(ST-Steel tube) thấp 168% so với ống có đổ đầy bê tơng D114x2.5(CFST: Concrete Fill Steel Tube) 4.5.5 Nhóm D114x3.0 Độ cứng D114x3.0 (N/mm) 10 Force (KN) D114x3.0-0 D114x3.0-1 D114x3.0-2 -2 D114x3.0-3 -4 -6 -8 -10 -150 -100 -50 50 Displacemnts (mm) 100 150 Hình 4.46 Biểu đồ độ cứng nhóm mẫu D114x3.0 75 | P a g e Độ cứng D114x3.0 350 337.90 338.29 D114x3.0-2 D114x3.0-3 303.82 Stiffness (N/mm) 300 250 200 146.24 150 100 50 D114x3.0-0 D114x3.0-1 Hình 4.47 Biểu so sánh độ cứng nhóm mẫu D114x3.0 Độ cứng trung bình D114x3.0 350 326.67 Stiffness (N/mm) 300 250 200 150 146.24 100 50 ST CFST Hình 4.48 Biểu so sánh độ cứng trung bình nhóm mẫu D114x3.0 Từ biểu đồ hình 4.47, Ta thấy độ cứng trung bình ống thép không bê tông D114x3.0-0(ST-Steel tube) thấp 123% so với ống có đổ đầy bê tơng D114x3.0(CFST: Concrete Fill Steel Tube) 76 | P a g e 4.5.6 Nhóm D114x3.5 Độ cứng D114x3.5 (N/mm) 10 Force (KN) D114x3.5-0 D114x3.5-1 D114x3.5-2 -2 D114x3.5-3 -4 -6 -8 -10 -150 -100 -50 50 Displacemnts (mm) 100 150 Hình 4.49 Biểu so sánh độ cứng nhóm mẫu D114x3.5 Độ cứng D114x3.5 350 300 253.60 253.04 Stiffness (N/mm) 250 200 194.38 168.96 150 100 50 D114x3.5-0 D114x3.5-1 D114x3.5-2 D114x3.5-3 Hình 4.50 Biểu so sánh độ cứng nhóm mẫu D114x3.5 77 | P a g e Độ cứng trung bình D114x3.5 350 Stiffness (N/mm) 300 233.67 250 200 168.96 150 100 50 ST CFST Hình 4.51 Biểu đồ so sánh độ cứng trung bình nhóm mẫu D114x3.5 Từ biểu đồ hình 4.50, Ta thấy độ cứng trung bình ống thép khơng bê tơng D114x3.5-0(ST-Steel tube) thấp 38% so với ống có đổ đầy bê tơng D114x3.5(CFST: Concrete Fill Steel Tube) 78 | P a g e 4.6 So sánh tổng quan Chuyển vị ngang lực ngang ống ST thấp ống CFST qua hình 4.52 hình 4.53 Riêng chuyển vị mẫu D90x3.0 cao bất thường (56.77%) lực ngang thấp thường (25.2%) dó yếu tố ngẫu nhiên, vật liệu khơng đồng q trình đúc mẫu So sánh chuyển vị ống CFST ST 56.77 60 50 Percent(%) 40 30 20.63 20.13 20 14.72 11 9.52 10 D90x2.5 D90x3.0 D90x3.5 D114x2.5 D114x3.0 D114x3.5 Speciment Percent(%) Hình 4.52 Biểu đồ so sánh huyển vị ngang ống CFS S 90 80 70 60 50 40 30 20 10 So sánh lực ống CFST ST 78 46.52 25.2 16.17 D90x2.5 D90x3.0 D90x3.5 21.06 26.82 D114x2.5 D114x3.0 D114x3.5 Speciment Hình 4.53 Biểu đồ so sánh lự ngang ống CFS S 79 | P a g e Số vòng lặp độ cứng ống ST thấp ống CSFT thể qua hình 4.54 hình 4.55 Số vịng So sánh số vịng ống CFST ST 4.5 3.5 2.5 1.5 0.5 4 2.5 2.33 0.33 D90x2.5 D90x3.0 D90x3.5 D114x2.5 D114x3.0 D114x3.5 Speciment Hình 4.54 Biểu đồ so sánh số vòng ống CFS S So sánh độ cứng ống CFST ST 180 168 168 160 140 Percent(%) 120 123 101 100 80 60 39 40 38 20 D90x2.5 D90x3.0 D90x3.5 D114x2.5 Speciment D114x3.0 D114x3.5 Hình 4.55 Biểu đồ so sánh độ cứng ống CFS S 80 | P a g e Chƣơng KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Đề tài nghiên cứu thực nghiệm ứng xử cột CFST chịu tải dọc trục cố định tải ngang tuần hồn mơ tải động đất Thí nghiệm tiến hành tổng cộng 18 mẫu CFST mẫu ST Các mẫu thiết kế với loại đường kính: 90mm, 114mm Mỗi đường kính có độ dày khác nhau: 2.5mm, 3mm 3.5mm Với độ dày có mẫu, đó, có mẫu ST mẫu CFST Các mẫu chịu tải trọng tuần hoàn phá hoại Từ kết nghiên cứu đạt được, số kết luận rút sau: o Theo quan sát từ thí nghiệm, dạng phá hoại chủ yếu cột CFST cột ST ổn định cục Vị trí ổn định cục nằm khoảng lần đường kính tính từ vị trí ngàm o Lực ngang cột CFST tăng từ 16% đến 78% so với cột ST o Độ cứng cột CFST tăng khoảng 38% đến 168% so với cột ST o Cột CFST chịu hai đến bốn vịng lặp so với cột ST Đặc biệt vòng lặp có biên độ lớn so với vịng lặp ống ST Vi vậy, cột CFST có khả chịu tải động đất cao so với ống ST Điều giải thích tương tác có lợi bê tơng ống thép 5.2 Kiến nghị Mặc dù luận văn đạt số kết trên, nhiên số vấn đề chưa xem xét Từ đó, tác giả kiến nghị số hướng phát triển đề tài sau: o Cột ống thép chịu tải trọng động đất thực (thí nghiệm bàn rung) thay tải trọng lặp 81 | P a g e o Cột có đường kính lớn o Bê tơng cường độ cao o Vật liệu thép có cường độ cao o Trong ống thép có neo liên kết 82 | P a g e TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] W QiuP, M Jiang and L ZhouP, "Seismic Performance of Reinforced Concrete Pier with Inside Concrete," Advanced Materials Research, Vols 163-167, pp 4194-4198, 2011 [2] B Chen, Y Oyang and J Tan, "Experimental Study on Seismic Performance of Tall Building Structure of Concrete Filled Steel Tube (CFST) with Transfer Story," Advanced Materials Research, Vols 287-290, pp 1882-1887, 2011 [3] H Tokinoya, A Mukai, K Yashioka, T Fukumoto, T Noguchi and Y Murata, "Earthquake Resistance Behavior Of CFT Columns" [4] H B Ge, K A Susantha, Y Satake and T Usami, "Seismic demand predictions of concrete-filled steel box columns," Engineering Structures, vol 25, p 337– 345, 2003 [5] X F Ding, T Zhang and L Fu, "Behavior of concrete-filled round-ended steel tubes under bending," Steel and Composite Structures, vol 25, 2017 [6] A Eliwi, M J Baraa, T Ekmekyapar and H R Faraj, "Performance of lightweight aggregate and self-compacted concrete-filled steel tube columns," Steel and Composite Structures, vol 25, 2017 [7] Y Zhang, J C Yu, G Y Fu, B Chen, S X Zhao and S P Li, "Study on rectangular concrete-filled steel tubes with unequal wall thickness," Steel and 83 | P a g e Composite Structures, vol 22, 2016 [8] Y F Yang, "Modelling of recycled aggregate concrete-filled steel tube (RACFST) beam-columns subjected to cyclic loading," Steel and Composite Structures, vol 18, 2015 [9] Z Chen, J Xu, Y Liang and Y Su, "Bond behaviors of shape steel embedded in recycled aggregate concrete and recycled aggregate concrete filled in steel tubes," Steel and Composite Structures, vol 16, 2014 [10] Xiao Y, Shan J, Zheng Q, Chen B and Shen Y, "Experimental Studies on Concrete Filled Steel Tubes under High Strain Rate Loading," Journal of Materials in Civil Engineering, vol 77, p 21:569, 2009 [11] Yang YF and Han LH, "Concrete filled steel tube (CFST) columns subjected to concentrically partial," Thin-Walled Structures, vol 56, p 50:147, 2012 [12] D M, "Compressive strength of circular concrete filled steel tube columns," Thin-Walled Structures, vol 70, p 56:62, 2012 [13] Phan Văn Hội, Kết cấu liên hợp thép - bê tông, NXB Khoa học - Kỹ thuật, 2006 [14] Phan Đình Hào, "Mơ cột ngắn ống thép nhồi bê tông Cường độ cao chịu tải trọng nén tâm," ạp h KHCN Xây Dựng, vol 4, 2016 [15] Trần Hữu Huy, "Phân tích phi tuyến hệ ống thép nhồi bê tông," Luận Văn hạ Sĩ - Đại Họ Bá h Khoa PHCM, 2013 84 | P a g e [16] Nguyễn Tấn Phát, "Phân tích phi tuyến cột ống thép nhồi bê tông tác động tải trọng nhiệt độ," Luận Văn hạ Sĩ - Đại Họ Bá h Khoa PHCM, 2013 [17] Phan Thị Tường Quy, "Phân tích ứng xử tĩnh cột ống thép trịn nhồi bê tông CFST," Luận Văn hạ Sĩ - Đại Họ Bá h Khoa PHCM, 2015 [18] ACI 374.2R-13, Guide for Testing Reinforced Concrete Structural Elements Under Slowly AppliedSimulated Seismic Loads, 2013 85 | P a g e ... ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CỦA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG (CFST) CHỊU ĐỘNG ĐẤT NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: o Khảo sát thực nghiệm khả chịu lực ứng xử cột ống thép nhồi bê tông (CFST) chịu tải... lẫn ống thép lõi bê tông, bê tông nhồi vào ống thép nên làm tăng độ ổn định cục thành ống Mặt khác, đổ đầy bê tông, ống thép bọc bên ngồi bê tơng tạo nên tác động kháng nở hông cho lõi bê tông. .. đánh ứng xử cột ống thép nhồi bê tông CFST chịu động đất, để áp dụng thực tiễn phù hợp 2|P age Chƣơng TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu chung 2.1.1 Đặc điểm chung cột CFST liên hợp Cột ống thép nhồi bêtông