Mô phỏng ứng xử liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép

Hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tông CFST Concrete Filled Steel Tube với sàn phẳng bê tông cốt thép BTCT là giải pháp kết cấu mới với tiềm năng ứng dụng lớn cho công trình nhà cao tầng Tuy nhiên để đảm bảo sự làm việc chung của hệ kết cấu cần phải giải quyết mối liên kết sàn – cột Các nghiên cứu hiện nay về liên kết chủ yếu là thực nghiệm chưa có nhiều các mô phỏng số để phân tích liên kết Trong luận văn này sử dụng phần mềm ABAQUS để mô phỏng cấu tạo và phân tích trạng thái làm việc của liên kết sàn phẳng BTCT cột CFST Kết quả phân tích sẽ được xác minh với thí nghiệm để đánh giá tính chính xác của việc mô phỏng bằng ABAQUS Từ kết quả mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS người kỹ sư thiết kế hoặc các nhà nghiên cứu có thể tiến hành các khảo sát chi tiết hơn về ứng xử của liên kết khảo sát ảnh hưởng của các tham số đến sự làm việc của liên kết để tìm ra liên kết hợp lý hơn và đây cũng là công cụ hiệu quả cho phép người kỹ sư đi phân tích thiết kế kết cấu tương tự cũng như kết cấu có phức tạp cao hơn bằng ABAQUS

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THÀNH NHÂN

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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THÀNH NHÂN

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT

CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp

Mã số: 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC

Đà Nẵng – Năm 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của 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

Nguyễn Thành Nhân

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

SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

Học viên: Nguyễn Thành Nhân Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình DD&CN

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

Tóm tắt - Hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST- Concrete Filled Steel Tube) với

sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) là giải pháp kết cấu mới với tiềm năng ứng dụng lớn cho công trình nhà cao tầng Tuy nhiên, để đảm bảo sự làm việc chung của hệ kết cấu cần phải giải quyết mối liên kết sàn – cột Các nghiên cứu hiện nay về liên kết chủ yếu là thực nghiệm, chưa có nhiều các mô phỏng số để phân tích liên kết Trong luận văn này sử dụng phần mềm ABAQUS để mô phỏng cấu tạo và phân tích trạng thái làm việc của liên kết sàn phẳng BTCT-cột CFST Kết quả phân tích sẽ được xác minh với thí nghiệm để đánh giá tính chính xác của việc mô phỏng bằng ABAQUS Từ kết quả mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS, người kỹ sư thiết kế hoặc các nhà nghiên cứu có thể tiến hành các khảo sát chi tiết hơn về ứng xử của liên kết, khảo sát ảnh hưởng của các tham số đến sự làm việc của liên kết để tìm ra liên kết hợp lý hơn và đây cũng là công cụ hiệu quả cho phép người kỹ sư đi phân tích, thiết kế kết cấu tương tự cũng như kết cấu có phức tạp cao hơn bằng ABAQUS

Từ khóa - Cột ống thép nhồi bê tông; CFST(CFT); sàn phẳng BTCT; ABAQUS; liên kết

Abstract - Concrete filled steel tube column and reinforced concrete plate slab structures

is new structural method with great potential application to high rise buildings However,

to ensure the overall work of the structure, it is necessary to solve the slab -column connection Today, the researches on reinforced concrete (RC) plate slab – CFST column connection mainly focus on experiment, not many simulations for connection analysis This thesis uses ABAQUS software to simulate RC plate slab - CFST column connections The results of the analysis will be verified with experiments to evaluate the accuracy of ABAQUS simulation Result of modeling using ABAQUS, designer and researcher can make more detailed investigations of connections behavior, investigate the effect of the parameters on the working of the connection to find more reasonable connection and also an effective tool that allows engineers to analyze, design similar structure as well as structure with higher complexity using ABAQUS

Key word - Concrete filled steel tube column; CFST(CFT); Reinforced concrete plate slab;

ABAQUS; connection

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết quả dự kiến 2

6 Bố cục đề bài 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CỘT CFST, SÀN PHẲNG BTCT VÀ LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI SÀN PHẲNG BTCT 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG 3

1.1.1 Khái niệm về cột ống thép nhồi bê tông 3

1.1.2 Phân loại cột ống thép nhồi bê tông 3

1.1.3 Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông 6

1.1.4 hả năng áp dụng 7

1.2 TỔNG QUAN CÁC LOẠI SÀN PHẲNG BTCT 8

1.2.1 Sàn phẳng BTCT thường 8

1.2.2 Sàn phẳng bê tông ứng suất trước 9

1.2.3 Sàn Bubbledeck 10

1.2.4 Sàn U-boot Beton 12

1.3 TỔNG QUAN VỀ LIÊN KẾT GIỮA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP 13

1.4 TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI SÀN PHẲNG BTCT 17

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 21

CHƯƠNG 2 MÔ PHỎNG SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT BẰNG ABAQUS 23

2.1 MÔ TẢ VỀ LIÊN KẾT 23

2.2 MÔ PHỎNG LIÊN KẾT BẰNG ABAQUS 24

2.2.1 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS 24

2.2.2 Xây dựng mô hình cho liên kết 24

2.2.3 Mô hình vật liệu trong Abaqus 25

2.2.4 Gán điều kiện biên cho kết cấu 29

2.3 TRÌNH TỰ THỰC HIỆN CÁC BƯỚC MÔ PHỎNG TRONG ABAQUS 29

2.3.1 Xây dựng cấu kiện 29

2.3.2 Định nghĩa vật liệu và thuộc tính mặt cắt 31

2.3.3 Định nghĩa thuộc tính mặt cắt 33

2.3.4 Định nghĩa lắp ghép cấu kiện 33

2.3.5 Thiết lập bước phân tích 34

2.3.6 Định nghĩa tải trọng và điều kiện biên 34

2.3.7 Chia nhỏ phần tử 35

2.3.8 Phân tích dữ liệu 36

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 36

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 37

3.1 SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM 37

3.1.1 Mô tả thí nghiệm 37

3.1.2 Phân tích quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị của kết cấu 39

3.1.3 Đánh giá ứng xử bề mặt sàn từ mô hình ABAQUS và thực nghiệm 40

3.1.4 Phân tích ứng suất, biến dạng của tấm thép chịu cắt 41

3.1.5 Phân tích sự hình thành và phát triển tháp chọc thủng 44

3.2 KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA CHIỀU DÀI TẤM THÉP CHỊU CẮT 46

3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 47

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CFST : Concrete filled steel tube (Ống th p nhồi bêtông)

BTCT : Bê tông cốt th p

f’c : Cường độ chịu nén bê tông

fy : Cường độ chịu k o của cốt th p

Ec : ôđun đàn hồi của bêtông

Es : ôđun đàn hồi của cốt th p

 : Đường kính cốt thép

d : Chiều cao làm việc của sàn

hs : Chiều dày sàn

c : Hệ số Poisson của bê tông

 : Độ lệch tâm của bê tông

b0

c0

σ

σ : Tỷ số về cường chịu nén hai trục và một trục

Kc : Tỷ số cường độ chịu ngoài mặt phẳng làm việc so với cường độ chịu

nén trong mặt phăng làm việc của bê tông

 : Góc phá hủy bê tông

 : Độ nhớt của bê tông

2.1 Các loại phần tử mô phỏng trong liên kết 25 2.2 Thông số miền đàn hồi của bê tông 25

2.4 Các dạng tương tác sử dụng trong mô phỏng 28

1.7 Một số tiết diện tổ hợp từ cột CFST 6 1.8 Nhà đƣợc xây dựng bằng kết cấu CFST 7 1.9 Ví dụ về cầu đƣợc xây dựng bằng kết cấu CFST 8

Số hiệu

2.6 Điều kiện biên, điều kiện chuyển vị cho kết cấu 29

3.9 Các đường cong quan hệ của thép tấm chịu cắt 43 3.10 Sự phân bố ứng suất kéo chính trên các mặt cắt của sàn 45

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, các công trình nhà cao tầng được sử dụng nhiều ở Việt Nam Việc sử dụng hệ kết cấu hợp lý sẽ đem lại hiệu quả cao về mặt kết cấu cũng như khả năng khai thác cho công trình

Với nhà cao tầng, việc giảm chiều cao nhà sẽ giảm đáng kể tác động của tải trọng ngang cho công trình ết cấu sàn phẳng bê tông cốt th p (BTCT) được xem là hiệu quả cho việc giảm chiều cao tầng nhưng vẫn đảm bảo khoảng thông thủy sử dụng Ngoài ra, việc sử dụng kết cấu sàn phẳng BTCT sẽ thuận lợi cho việc thi công, rút ngắn thời gian xây dựng, thuận lợi cho việc bố trí đường ống thiết bị kỹ thuật, dễ dàng thông gió và linh hoạt bố trí mặt bằng Do đó sử dụng hệ kết cấu sàn phẳng BTCT là hợp lý cho nhà cao tầng

ết cấu cột ống th p nhồi bê tông (CFST) được sử dụng phổ biến trong kết cấu nhà cửa ở nhiều nước trên thế giới và tiến đến thay thế cho cột bê tông cốt th p truyền thống

vì những tính năng vượt trội về mặt kỹ thuật như có độ cứng lớn, cường độ cao, độ dẻo, khả năng phân tán năng lượng tốt và độ chống cháy cao Về mặt công nghệ cột ống th p nhồi bê tông dễ thi công, không cần hệ thống coffa nên rút ngăn được thời gian thi công xây dựng công trình, đặc biệt loại cột này sẽ phát huy hiệu quả trong thi công tầng hầm bằng phương pháp top – down Do đó kết cấu cột ống th p nhồi bê tông là giải pháp thích hợp cho việc thay thế cột bê tông cốt th p truyền thống trong kết cấu nhà cao tầng

Từ phân tích trên xét thấy việc kết hợp hai loại kết cấu sàn phẳng BTCT và cột ống th p nhồi bê tông cho kết cấu nhà cao tầng sẽ đem lại hiệu quả cao về mặt kinh tế,

kỹ thuật Tuy nhiên vấn đề lớn nhất khi kết hợp hai loại kết cấu này đấy là liên kết giữa chúng, hiện nay các nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc đề xuất liên kết và tiến hành thí nghiệm đánh giá độ tin cậy của liên kết chứ chưa có những mô phỏng và phân tích

cụ thể về ứng xử của liên kết (trạng thái ứng suất và cơ chế phá hoại), mức độ ảnh hưởng các chi tiết cấu tạo đến sự làm việc của liên kết Do đó việc mô phỏng liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột ống th p nhồi bê tông là cần thiết nhằm cung cấp một cơ

sở lý luận chi tiết về ứng xử của liên kết giúp người thiết kế hiểu rõ bản chất làm việc

để cấu tạo chi tiết liên kết hợp lý và đó là lý do để thực hiện luận văn với đề tài “Mô

phỏng ứng xử liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép”

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu tổng quan về cột CFST và sàn phẳng BTCT, liên kết giữa CFST với sàn phẳng BTCT;

Nghiên cứu mô phỏng liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT bằng phần mềm ABAQUS;

So sánh kết quả mô phỏng bằng ABAQUS với thí nghiệm;

hảo sát sự ảnh hưởng của tấm th p chịu cắt đến sự làm việc của kết cấu

3 i t ng ph m vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Cột CFST và sàn phẳng BTCT

Phạm vi nghiên cứu: ô phỏng liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT

4 Ph ơng pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về cột ống th p nhồi bê tông, sàn phẳng BTCT;

Nghiên cứu mô phỏng sử dụng phần mềm ABAQUS

Phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng ABAQUS với thí nghiệm ;

Đánh giá khả năng ảnh hưởng tấm thép chịu cắt đến sự làm việc của kết cấu

6 B cục đề bài

Mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan về kết cấu cột CFST, sàn phẳng BTCT và liên kết giữa

cột CFST với sàn phẳng BTCT

Chương 2: Mô phỏng sự làm việc của liên kết bằng ABAQUS

Chương 3: Phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng

CHƯƠNG 1 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 TƠNG

1.1.1 Khái niệm về cột ng thép nhồi bê tơng

Cột ống thép nhồi bê tơng (Concrete Filled Steel Tube viết tắt CFST) là một kết cấu liên hợp bao gồm vỏ ống thép và lõi bê tơng cùng làm việc chung với nhau (Hình 1.1)

Hình 1.1 Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tơng

Như đã biết, cường độ chịu nén của bê tơng lớn hơn rất nhiều so với cường độ chịu kéo và cường độ chịu nén của bê tơng sẽ được tăng lên khi bê tơng bị hạn chế

nở hơng Đối với kết cấu th p, cường độ chịu kéo cao nhưng dễ bị mất ổn định cục

bộ dưới tải trọng nén Trong loại kết cấu cột CFST, cốt th p và bê tơng được sử dụng kết hợp để cĩ thể phát huy hết bản chất tự nhiên và các đặc điểm nổi trội tạo ra kết cấu cĩ nhiều ưu điểm Loại kết cấu này hiện đang được nghiên cứu áp dụng cho cơng trình nhà, xưởng, các cơng trình cầu đường ở Việt Nam

1.1.2 Phân lo i cột ng thép nhồi bê tơng

Cột ống thép nhồi bê tơng về mặt cấu tạo rất đa dạng Dưới đây là một số dạng cấu tạo cho họ cột này

Dạng tiết diện phổ biến nhất của cột CFST là tiết diện mà bê tơng được nhồi vào phần rỗng bên trong ống thép cĩ dạng hình trịn (Circular Hollow Section - CHS), hay cột cĩ tiết diện rỗng hình vuơng (Square Hollow Section - SHS) hoặc cột cĩ tiết diện rỗng hình chữ nhật (Rectangular Hollow Section - RHS) Đối với tiết diện CHS sự hạn

Ống thép Lõi bêtông Lõi bêtông

chế biến dạng ngang của lõi bê tơng là lớn nhất và bất ổn định cục bộ hầu như xuất hiện đối với tiết diện hình vuơng và chữ nhật Tuy nhiên cột CFST với các tiết diện SHS và RHS vẫn tiếp tục được sử dụng nhiều trong xây dựng với những ưu điểm riêng của nĩ Những dạng tiết diện ngang khác cũng được sử dụng cho mục đích nghệ thuật như dạng đa giác, dạng elip… (Hình 1.2)

Hình 1.2 Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tơng

Một dạng khác của cột CFST là cột cĩ tiết diện với hai lớp ống thép trong và ngồi được gọi là cột ống thép nhồi bê tơng với hai lớp ống thép Tiết diện cột bao gồm ống thép trong và ống thép ngồi, bê tơng được nhồi vào giữa hai ống thép (Hình 1.3) Với cấu tạo mặt cắt như thế này, cột sẽ cĩ độ cứng chống uốn lớn, cường độ cao, khả năng chống cháy tốt hơn và tránh được sự bất ổn định đối với cấu kiện khi chịu tác động của áp lực bên ngồi Dạng cột này cĩ thể là lựa chọn tối ưu khi thiết kế những cấu kiện với tiết diện ngang lớn

Hình 1.3 Cột ống thép nhồi bê tơng với hai lớp ống thép

Một trường hợp khác của kết cấu CFST là sử dụng bê tơng cốt thép truyền thống

để bao bọc CFST như (Hình 1.4) Cấu tạo tiết diện gồm ống thép bên trong được lắp đặt trước tiếp theo là lắp đặt các hệ th p gia cường, lớp bê tơng bên trong và bên ngồi được đổ sau đĩ Việc nhồi bê tơng vào trong ống sẽ làm tăng tối đa khả năng giam hãm bê tơng nâng cao cường độ tới hạn của tiết diện Bê tơng cốt thép bao bọc bên ngồi tạo thành một lớp chống cháy cho lõi bên trong, do đĩ khả năng chống cháy của loại cột này được tăng đáng kể so với cột CFST truyền thống Ngồi ra, loại cột này

Ống thép Ống thép Ống thép

Ống thép Ống thép Ống thép Lõi bêtông Lõi bêtông Lõi bêtông

Lõi bêtông Lõi bêtông Lõi bêtông

Lõi bêtông Lõi bêtông Lõi bêtông

Lõi bêtông

cịn cĩ khả năng kháng bất ổn định cục bộ, chống ăn mịn đối với ống thép rất tốt và dễ liên kết với những dầm bê tơng cốt thép hoặc dầm thép trong hệ kết cấu cơng trình

Hình 1.4 Cột CFST được bao bê tơng (Concrete-encased CFST)

Kết cấu thép và kết cấu th p gia cường luơn luơn được sử dụng để tăng sức kháng tải của cấu kiện CFST mơ tả ở Hình 1.5 Mặt cắt kết cấu th p đĩng gĩp lớn vào khả năng chịu lực của cột mà khơng làm thay đổi dạng tiết diện cột Sự đĩng gĩp đến khả năng chịu lực của cột cĩ thể được xem x t như khả năng kết hợp của kết cấu thép với những phần của cột CFST

Hình 1.5 Cột CFST tăng cường kết cấu thép và cốt thép gia cường

Trong cột CFST thơng thường, bất ổn định cục bộ của ống th p thơng thường xuất hiện sau khi tiết diện liên hợp đạt đến cường độ tới hạn Điều này cĩ thể là một vấn đề quan trọng cho sự phát triển và ứng dụng ống thành mỏng với th p cường độ cao Những sườn tăng cứng ngang và dọc cĩ thể được hàn vào ống th p để cải thiện cường độ và độ dẻo của cột liên hợp Đối với cột cĩ tiết diện ngang lớn, các sườn tăng cứng cĩ thể hàn vào mặt trong của ống Các thanh nối cũng cĩ thể được hàn nối các sườn gia cường như Hình 1.6 Hiệu quả của sườn tăng cứng trong việc trì hỗn bất ổn định cục bộ của ống th p đã được kiểm tra bằng những nghiên cứu thực nghiệm

Hình 1.6 CFST với sườn tăng cứng

Ngồi ra, với các kết cấu yêu cầu khả năng chịu lực lớn, độ cứng lớn cĩ thể tổ hợp các cột CFST riêng lẻ thành các dạng kết cấu CFST tổ hợp để phát huy các ưu

Ống thép Bêtông

Cốt thép mềm

Ống thép Bêtông

Cốt thép mềm

Ống thép Bêtông

Cốt thép mềm

Ống thép Ống thép

Lõi bêtông Lõi bêtông

Ống thép

Lõi bêtông

Cốt thép hình

Lõi bêtông Cốt thép mềm

điểm của kết cấu thép bê tơng liên hợp như Hình 1.7 a,b,c hay kết hợp cùng với kết cấu bê tơng cốt thép (Hình 1.7 d) tạo ra mặt cắt liên hợp cho cột trụ, những vịm trong cầu Những loại tiết diện này cũng đã được sử dụng cho các kết cấu nhà cao tầng cũng như kết cấu cầu ở Trung Quốc

Việc nhồi bê tơng vào trong ống thép làm nâng cao độ chống ăn mịn bên trong ống thép, làm giảm độ mảnh, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả năng chống mĩp méo của vỏ ống th p khi va đập [1];

Giá thành tổng thể của cơng trình làm bằng kết cấu ống thép nhồi bê tơng nĩi chung nhỏ hơn nhiều so với giá thành của cơng trình tương tự làm bằng kết cấu bê tơng cốt thép hay kết cấu th p thơng thường Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi bê tơng nhỏ hơn so với kết cấu bê tơng do đĩ việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn đồng thời làm giảm tải trọng xuống mĩng Kết cấu ống thép nhồi bê tơng kinh tế hơn

so với kết cấu bê tơng cốt thép vì khơng cần ván khuơn, giá vịm, đai kẹp và các chi tiết đặt sẵn, nĩ cĩ sức chịu đựng tốt hơn ít hư hỏng do va đập Do khơng cĩ cốt chịu

CFST

Tấm thép Bêtông

CFST

Mối hàn CFST

CFST

lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tông với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỉ lệ N/X có thể lấy nhỏ hơn) và sẽ dễ dàng đạt chất lượng bê tông cao hơn [1],[2]

b) Nhược điểm

Một cấu kiện CFST bao gồm hai vật liệu với sự khác nhau về đường cong ứng suất-biến dạng và ứng xử cũng có sự khác biệt rõ rệt Sự tương tác giữa hai vật liệu này đặt ra một bài toán khó trong việc xác định thuộc tính kết hợp như mô men quán tính, môdul đàn hồi;

Cơ chế phá hoại cấu kiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng, chiều dài, đường kính, chiều dày ống th p, cường độ thép và cường độ bê tông cùng với các thông số về sự kết dính giữa hai mặt tiếp xúc của vật liệu thép và bê tông, sự giam hãm của bê tông ứng suất dư, hiện tượng từ biến, sự co ngót và các dạng tải trọng làm phức tạp thêm sự phân tích và thiết kế đối với cấu kiện CFST [2]

Một hạn chế nữa ảnh hưởng đến việc sử dụng rộng rãi loại kết cấu này đó là cấu tạo liên kết giữa cột CFST và sàn bê tông cốt thép, dầm bê tông cốt thép hay dầm thép Các ứng xử, cơ chế làm việc, trạng thái phá hoại liên kết chưa được hiểu rõ do đó gây

ra không ít những khó khăn cho tính toán thiết kế cấu tạo liên kết;

Hiện nay, các hạn chế tồn tại của loại kết cấu CFST tiếp tục được nghiên cứu để dần dần hoàn thiện các yêu cầu về mặt cấu tạo, lý thuyết tính toán cũng như nhận thức sâu hơn về ứng xử của loại kết cấu này

Hình 1.8 Nhà được xây dựng bằng kết cấu CFST

Hiện nay, việc xây dựng cầu qua các sông rộng và sâu, có nhu cầu lưu thông đường thuỷ lớn và điều kiện địa chất phức tạp đang đòi hỏi phải sử dụng các loại nhịp lớn kh u độ hàng trăm m t Với các kích thước như vậy, cấu kiện sẽ nặng và trở thành một nguyên nhân làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu, làm tăng chi phí xây dựng cũng như tạo thêm nhiều phức tạp cho việc vận chuyển, lắp ráp, thi công kết cấu Với việc sử dụng kết cấu CFST cho cấu kiện chịu lực n n chính như vòm chính của cầu vòm, thanh mạ cong trong cầu dàn, hệ móng cọc của kết cấu trụ, thân trụ sẽ đáp ứng được yêu cầu về chịu lực cao, độ cứng lớn vừa đáp ứng được việc giảm trọng lượng bản thân kết cấu

Hình 1.9 về c u được ây ựng ằng ết cấu T

Trong lĩnh vực xây dựng dầu khí, năm 1989 tại 2 dàn khoan dầu ở biển Đen và biển Azov của iên ô đã sử dụng cấu kiện mặt cắt rỗng tổ hợp 3 loại vật liệu th p - bêtông làm các trụ đỡ chính của dàn khoan, nhờ đó giảm được 3 lượng th p so với dần khoan bằng th p c ng loại; hơn nữa, phần rỗng còn được d ng để lắp các thiết bị công nghệ và cáp thông tin

1.2 TỔNG QUAN CÁC LOẠI SÀN PHẲNG BTCT

Với xu hướng phát triển của công nghệ cũng như yêu cầu về mặt kiến trúc,

th m mỹ kinh tế cho công trình thì hệ kết cấu sàn sườn truyền thống dần dần được thay thế bởi hệ sàn phẳng không dầm với nhiều ưu điểm nổi trội như tạo ra không gian sử dụng linh hoạt, dễ dàng cho việc bố trí không gian sử dụng ph hợp với công năng của công trình, giảm số lượng cột, chiều cao thông thuỷ hợp lý, dễ dàng đáp ứng các yêu cầu bố trí hệ kĩ thuật Dưới đây sẽ giới thiệu tổng quan về một số loại sàn phẳng được sử dụng ở Việt Nam

1.2.1 Sàn phẳng BTCT th ờng

Là hệ thống chịu lực theo một hoặc hai phương được kê trực tiếp lên cột hoặc tường chịu lực như Hình 1.10 Nó là một trong những dạng kết cấu sàn phổ biến nhất trong các tòa nhà Điểm đặc biệt của loại sàn này là chiều dày không đổi hoặc gần như không đổi tạo ra mặt phẳng phía dưới của sàn dẫn tới sự đơn giản trong việc làm cốt pha và thi công Sàn này cho phép linh hoạt trong việc tạo vách ngăn và có thể không

cần phải sử dụng trần giả Nhịp kinh tế của sàn phẳng với tải trọng từ nhỏ tới trung bình thường bị giới hạn bởi việc kiểm soát độ võng dài hạn và có thể cần phải tạo độ vồng tường hợp lý (không quá lớn) hoặc sử dụng sàn bê tông ứng suất trước Nhịp kinh tế đối với sàn phẳng BTCT là 6m đến 8m Nhịp L của sàn phẳng BTCT xấp xỉ 28D đối với nhịp đơn, 30D đối với nhịp biên và 32D đối với nhịp trong của sàn nhiều nhịp trong đó D là chiều dày sàn

Hình 1.10 Sàn phẳng bê tông cốt thép

Ưu điểm:

+ Cốt pha đơn giản, thi công nhanh;

+ Tạo không gian linh hoạt, dễ dàng bố trí mặt bằng;

+ Không dầm, tạo khoảng thông thủy lớn ở dưới sàn;

+ Chiều dày kết cấu nhỏ và từ đó giảm được chiều cao tầng

Nhược điểm:

+ Nhịp trung bình, khả năng chịu tải ngang hạn chế;

+ Cần có cốt thép chống chọc thủng ở xung quanh cột hoặc cột cần có kích thước lớn hơn;

+ Cần kiểm soát độ võng dài hạn;

1.2.2 Sàn phẳng bê tông ứng suất tr ớc

Trong cấu kiện bê tông ứng suất trước, bằng cách đặt vào một lực n n trước tạo bởi lực kéo cốt thép, nhờ tính đàn hồi, cốt thép có xu hướng co lại tạo nên lực nén trước và gây ra ứng suất trước trong bê tông Ứng suất n n trước trong bê tông sẽ triệt tiêu hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng sử dụng gây ra Do đó, khả năng chịu kéo của bê tông được nâng cao và hạn chế sự phát triển vết nứt Ứng suất trước chính là việc tạo cho kết cấu một cách có chủ ý các ứng suất tạm thời nhằm tăng cường sự làm việc của vật liệu trong các điều kiện sử dụng khác nhau Nói cách khác trước khi cấu kiện chịu tải trọng sử dụng cốt th p đã bị căng trước còn bê tông đã bị n n trước [3] Trong bê tông ứng suất trước do có thể khống chế sự xuất hiện khe nứt bằng lực căng trước nên cần thiết và có thể dùng cốt th p cường độ cao Mặt khác để có thể giảm được kích thước tiết diện và từ đó giảm trọng lượng bản thân của cấu kiện, đồng thời tăng ứng suất tập trung ở vùng neo cần phải sử dụng bê tông cường độ cao Bê

tông ứng lực trước đã trở thành một sự kết hợp lý tưởng giữa hai loại vật liệu hiện đại

có cường độ cao [3]

Hình 1.11 Sàn bê tông ứng suất trước

Sử dụng sàn bê tông ứng suất trước có nhiều ưu điểm như có khả năng vượt nhịp lớn, khả năng chịu uốn, chịu cắt cao hơn so với sàn bê tông cốt thép thường có cùng tiết diện, hạn chế được biến dạng, khe nứt, tăng độ bền của kết cấu, do sử dụng được vật liệu có cường độ cao nên giảm được kích thước tiết diện, tiết kiệm được khối lượng vật liệu, làm giảm trọng lượng bản thân, giảm chi phí cho nền móng …

Về lý thuyết tính toán, nhiều tổ chức và quốc gia trên thế giới đã nghiên cứu và cho ra đời các tiêu chu n, quy phạm về bê tông ứng suất trước như tiêu chu n FIP của iên đoàn quốc tế về bê tông ứng suất trước; Tiêu chu n AASHTO cho cầu đường, tiêu chu n ACI cho xây dựng dân dụng của Mỹ; Quy phạm Eurocode của khối liên hiệp châu Âu; Tiêu chu n Anh BS; Quy phạm BPEL của Pháp; Quy phạm CHII của iên ô (cũ)… Các tiêu chu n, quy phạm kể trên không ngừng được cải tiến, hoàn thiện và luôn được sửa đổi, cập nhật từ hai đến bốn năm một lần Tại Việt Nam tiêu chu n TCVN 5574-2012 cũng đã có những chỉ dẫn để thiết kế loại kết cấu này

1.2.3 Sàn Bubbledeck

Sàn Bubbledeck là loại sàn sử dụng các quả bóng rỗng từ nhựa tái chế để thay thế phần bê tông không hoặc ít chịu lực ở giữa chiều cao tiết diện sàn Ở bên trên và bên dưới của quả bóng được gia cường bằng các lớp lưới th p được tính toán cụ thể Các quả bóng nhựa có vai trò giảm thiểu phần bê tông không cần thiết đối với khả năng chịu lực của kết cấu sàn, giảm nhẹ trọng lượng của sàn, cải thiện các khả năng cách

âm, cách nhiệt

Công nghệ này thi công không quá phức tạp, cho phép giảm 35% khối lượng bê tông so với sàn truyền thống Từ đó góp phần giảm được trọng lượng tổng thể của công trình và tăng khả năng vượt nhịp Sàn có khả năng chịu lực theo hai phương, không dùng dầm nên giảm chiều cao xây dựng mỗi tầng, cải thiện khả năng cách âm, cách nhiệt cho sàn

Công nghệ lắp gh p, bán lắp gh p cho ph p công xưởng hóa và cơ giới hóa các quá trình chế tạo, vận chuyển, lắp đặt nên thi công nhanh, sử dụng ít lao động, sản

ph m làm ra có độ chu n hóa cao Do sử dụng các vật liệu tái chế trong sản xuất và thi công nên công nghệ này giúp giảm chi phí vật liệu và thân thiện với môi trường

Hình 1.12 Sàn Bubbledeck

Năm 2 7, Bubbledeck đã có mặt tại Việt Nam với tên giao dịch là Bubble Deck Viet Nam Joint Venture Company và Việt Nam là quốc gia thứ 15 trên thế giới tiếp cận công nghệ này Trong thời gian từ 2 7 đến 2009, công ty TADITS đã đầu tư công sức để thử nghiệm thiết kế, thi công sàn Bubbledeck sao cho ph hợp với điều kiện tại Việt Nam

Quá trình xác định nhịp lớn nhất mà Bubbledeck có thể vượt qua dựa trên tiêu chu n Anh BS 8100 và Eurocode 2 có bổ sung hệ số 1,5 để kể đến việc giảm nhẹ bản thân sàn so với sàn đặc truyền thống

Với cùng một khả năng chịu lực, sàn Bubbledeck chỉ sử dụng 50% khối lượng bê tông so với sàn đặc hoặc c ng độ dày thì sàn Bubbledeck có thể chịu tải gấp đôi tấm sàn đặc nhưng chỉ sử dụng 65 lượng bê tông

Khi thiết kế chống uốn, bề dày của phần bê tông có ứng suất nén tập trung ở phần

bê tông đặc, nằm giữa phần ngoài cùng của quả cầu và bề mặt tấm sàn Đôi khi, với những tấm sàn chịu ứng suất lớn, khối ứng suất sẽ hơi lấn sang vùng quả cầu rỗng nhưng nó tác động không đáng kể đến khả năng chịu lực của sàn

Các nghiên cứu và thí nghiệm cho thấy, nếu như c ng khả năng chịu lực thì sàn Bubbledeck có độ cứng chống uốn xấp xỉ 87% so với sàn đặc Khả năng chịu cắt đo được từ 72-91% so với sàn đặc Để tính toán khả năng chịu cắt của sàn Bubbledeck, người ta đưa vào hệ số 0,6 sử dụng cho khả năng chịu cắt của tấm sàn đặc với cùng chiều cao Điều này đảm bảo được sự an toàn, khả năng chịu lực của sàn Tại những vị trí có lực cắt lớn khu vực xung quanh cột, vách, lõi có thể bỏ bớt bóng để tăng khả năng chịu cắt của sàn

Ngoài ra, bằng việc loại bỏ lượng bê tông ở thớ giữa bản sàn, Bubbledeck đã góp phần đáng kể vào việc tác động có lợi đến môi trường

1.2.4 Sàn U-boot Beton

U-boot Beton là sản ph m công nghệ sàn nhẹ của hai tập đoàn Daliform Group (Italy) và Peikko Group (Phần Lan) sử dụng các khối nhựa tái chế polypropylen để thay thế phần bê tông không hoặc ít tham gia chịu lực ở thớ giữa của bản sàn, giúp giảm trọng lượng kết cấu, giảm kích thước hệ cột, vách, móng, tường, vách chịu lực và tăng khoảng cách lưới cột Bản sàn U-boot Beton là loại kết cấu rỗng, phẳng, không dầm, liên kết trực tiếp với hệ cột, vách chịu lực nên có nhiều ưu điểm về mặt kỹ thuật

và kinh tế Ngoài ra bản sàn U-boot Beton còn là một sản ph m cải tiến của BubbleDeck

U-Boot Beton có cấu tạo đặc biệt với 4 chân hình côn và phụ kiện liên kết giúp tạo ra một hệ thống dầm vuông góc nằm giữa lớp sàn bê tông trên và dưới Có 2 dạng

là hộp đơn và hộp đôi Ngoài ra, giữa các hộp còn có các cốt liên kết với nhau theo cả

Hình 1.13 Sàn U-Boot Beton

Sử dụng U-Boot Beton trong kết cấu sàn rất phù hợp với những công trình có yêu cầu kết cấu sàn nhẹ, tiết kiệm vật liệu U-Boot Beton là giải pháp lý tưởng để tạo sàn với nhịp lớn và khả năng chịu tải cao, đặc biệt phù hợp với những kết cấu có yêu cầu về không gian mở như trung tâm thương mại, nhà công nghiệp, bệnh viện, trường học cũng như các công trình công cộng và nhà ở U-Boot Beton giúp bố trí cột thuận tiện hơn vì không cần dùng dầm Trong trường hợp những công trường khó vận chuyển

và thi công thì U-Boot Beton với tính năng linh hoạt, nhẹ nhàng, thuận tiện rất thuận lợi cho điều kiện thi công, không cần các thiết bị vận chuyển, nâng phức tạp Khi sử

dụng U-Boot Beton cho móng bè thì móng có thể có độ dày lớn hơn mà vẫn giảm lượng bê tông sử dụng

Ngoài ra khả năng làm việc chung giữa bê tông với cốt pha hộp nhựa U – Boot cũng hơn hẳn với bóng nhựa, vì cấu tạo của hộp nhựa có các rãnh, tạo bề mặt gồ ghề nên tăng độ bám dính, tăng ma sát khi làm việc chung với bê tông, trong khi quả bóng nhựa thì tròn trơn nên khả năng bám dính k m hơn

Bên cạnh đó giữa các hộp nhựa lại được liên kết với nhau bằng các chốt, làm tăng khả năng truyền lực giữa các hộp cốt pha, trong khi quả bóng trong sàn BubbleDeck lại không có được điều này

Đối với U-Boot Beton khả năng vượt nhịp đối với sàn rỗng gần giống với sàn Bubble Deck

1.3 TỔNG QUAN VỀ LIÊN KẾT GIỮA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

Việc sử dụng cột ống thép nhồi bê tông với sàn bê tông cốt thép ngày càng phổ biến ở nhiều nước như ỹ, Hàn Quốc, Trung Quốc, Nhật Bản

Như phân tích ở trên, việc sử dụng cột ống thép nhồi bê tông cho kết cấu công trình đem lại nhiều ưu điểm so với cột bê tông cốt thép truyền thống Sự kết hợp giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT tạo ra hệ thống kết cấu tối ưu hơn, hiệu quả hơn Tuy nhiên, tồn tại lớn nhất và là rào cản để sử dụng loại kết cấu này trong kết cấu công trình là giải quyết vấn đề liên kết giữa cột và sàn phẳng Không có nhiều các tác giả nghiên cứu về vấn đề này

Jin-Won Kim (2014) [5] tiến hành nghiên cứu thực nghiệm liên kết cột CFST và sàn phẳng BTCT dựa trên các điều khoản thiết kế của tiêu chu n ACI 318-11 [6] Mục tiêu của nghiên cứu là đề xuất ra mô hình liên kết có tính thực thi dựa trên quan sát ứng xử và các dữ liệu đo được trong thí nghiệm Tác giả tiến hành thí nghiệm với 10 mẫu có kích thước thật

Hình 1.14 Thí nghiệm liên kết cột CFST-sàn BTCT Jin-Won Kim(2014)[5]

Các thông số thay đổi trong các mẫu là chiều dài vươn của mũ chịu cắt, cường độ

bê tông, kích thước của ống thép, chiều dày sàn Trong 10 mẫu có 8 mẫu có bố trí thép

mũ chịu cắt (thép hình chữ I được hàn vào bề mặt ống thép) và 2 mẫu không bố trí với

chiều dày sàn là 2 mm và 3 mm Hàm lượng cốt thép chịu uốn lấy từ 0,52% - 1,32% Chiều dày thành ống thép là 40mm và 2 mẫu có chiều dày 19mm Việc bố trí th p mũ chịu cắt nhằm tạo ra một vùng cứng để đưa chu vi tiết diện tới hạn dịch chuyển ra xa khỏi mặt cột khi đó khả năng chịu cắt của bản sàn tăng lên và lực cắt tại tiết diện tới hạn giảm xuống [5]

Kết quả thí nghiệm cho thấy sự phá hoại dẻo của thép chịu uốn xảy ra trước và phá hoại dẻo của th p mũ chịu cắt xảy ra sau, sự phá hoại thủng xảy ra sau c ng đúng với kết quả dự đoán ban đầu Khả năng chịu cắt thủng danh nghĩa của cột hình vuông lớn hơn so với tiết diện chữ nhật Tải trọng gây phá hoại cho mẫu với cánh tay vươn dài lớn hơn so với mẫu có cánh tay vươn ngắn và một chiều dài tối thiểu của cánh tay vươn bằng 4h (h là chiều cao dầm I) để đạt đến cường độ danh nghĩa theo tiêu chu n ACI 318-11 là 7 f b dc, 0 (psi) Ngoài ra, kết quả thí nghiệm cho thấy cường độ chịu cắt thủng của mẫu không có thép chịu cắt, đạt đến 9 cường độ chịu cắt thủng danh nghĩa theo ACI 318-11, điều này có được là do sự ma sát với thành ống thép và sự làm việc của các chốt thép xuyên cột tại bề mặt cột Trường hợp mô men không cân bằng lớn tại vị trí cột thì sự ma sát không ảnh hưởng đến khả năng chịu cắt Kết quả thí nghiệm còn chỉ ra rằng, bê tông lõi chỉ có tác dụng ngăn cản biến dạng móp thành ống thép ở phía cánh dầm I chịu nén [5]

Qua kết quả thí nghiệm tác giả đề xuất công thức tính toán cường độ chịu cắt thủng riêng cho từng phần bê tông và th p mũ chịu cắt điều này không được đề cập trong các điều khoản thiết kế của tiêu chu n ACI 318-11 Ở đây tác giả còn đưa ra hệ

số  hiệu chỉnh ảnh hưởng của chiều dài cánh tay vươn đến khả năng chịu cắt thủng của liên kết [5]

Tuy nhiên, nhược điểm của liên kết này đã khảo sát chiều dày thành ống quá lớn đây là điều kiện thuận lợi cho việc hàn dầm thép I vào thành ống và chống ổn định cục

bộ tại vị trí liên kết nhưng lại không tiết kiệm vật liệu

Cheol-Ho Lee (2007) [7] đã nghiên cứu cường độ chịu cắt thủng và ứng xử sau chọc thủng của liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT Hai mục tiêu nghiên cứu

là đề xuất mô hình bán giải tích (semi-analytical) về ứng xử chọc thủng của liên kết đề xuất và áp dụng mô hình tĩnh phi tuyến thu gọn để phân tích tiến trình phá hoại

Chi tiết liên kết được tác giả đề xuất dựa trên quan điểm: (1) đó là tính nguyên vặn của liên kết và dễ dàng cho thi công; (2) đảm bảo tính toàn khối của liên kết, điều

đó có nghĩa là một loại chốt chịu cắt được yêu cầu để tăng tính toàn khối và độ siêu tĩnh cho v ng liên kết úc đó cường độ chịu cắt thủng của liên kết sử dụng chốt chịu cắt cao hơn so với liên kết với sàn bê tông cốt th p thường; (3) để đảm bảo độ tin cậy của liên kết cần phải chế tạo và thí nghiệm mẫu

Từ những yêu cầu nêu trên tác giả đề xuất các dạng liên kết như Hình 1.16 với chốt chịu cắt đề xuất là tiết diện chữ T và tiết diện chữ I Việc bố trí các đinh hàn vào

bề mặt bên ngoài của ống thép với mục đích ngăn cản sự phân tách sớm của bê tông ra khỏi bề mặt cột

Hình 1.16 Liên kết đề xuất bởi Cheol-Ho Lee (2007) [7]

Kết quả thí nghiệm cho thấy các vết nứt xuất hiện trên vùng kéo của sàn, sau đó xảy ra phá hoại do chọc thủng Mô hình phá hoại dự định trong thiết kế là; (1) cốt thép chịu uốn chảy dẻo trước chốt chịu cắt; (2) Phá hoại thủng xảy ra sau cùng và sự tách

bê tông ra khỏi mặt cột không xảy ra sớm Thí nghiệm còn cho thấy với mẫu có bố trí thép hậu chọc thủng (post-punching) thì khả năng chịu cắt thủng của mẫu tăng từ 20%-40% so với mẫu không có vì cốt thép này bố trí ở vùng nén và trì hoãn sự ép vỡ

,100 điều đó có nghĩa là các cốt thép chịu k o tham gia như nhau trong việc chống lại tải trọng ngoài sau chọc thủng Phương pháp bán giải tích (semi-analytical) thể hiện ứng xử của cột CFST với sàn phẳng Các thông số cho mô hình đề xuất được hiệu chu n bằng cách sử dụng các dữ liệu thí nghiệm hạn chế của nghiên cứu này, và ứng dụng của nó để thu gọn tiến trình phân tích sụp đổ cũng đã được chứng minh [7]

Tại hội nghị thế giới về kĩ thuật động đất lần thứ 13 tại Vancouver B.C, Canada, Hiroki Satoh (2004) [8] đã công bố kết quả về nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu tải của liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT Tác giả đã thực hiện 3 nhóm thí nghiệm; (1) thí nghiệm tải trọng ngang cho liên kết cột sàn bên trong; (2) nhóm mẫu thí nghiệm về cường độ chọc thủng; (3) nhóm mẫu thí nghiệm về cường độ chịu xoắn [8] Liên kết được tác giả đề xuất gồm vách ngăn được chế tạo trước và nối với dầm thép tiết diện I tại hiện trường bằng bu lông cường độ cao Hình 1.17

Hình 1.17 Liên kết cột CFST-sàn BT T đề xuất bởi Hiroki Satoh (2004)[8]

Qua kết quả thí nghiệm với nhóm mẫu chịu tải trọng ngang thì thấy được vị trí tới hạn của tiết diện do lực cắt và mô men uốn xuất hiện tại mặt trước và sau của cột,

mô men xoắn nằm trên các cạnh của cột Với nhóm mẫu thứ 2 thí nghiệm về chọc thủng thì bê tông sàn, các tấm thép liên kết và các đinh sẽ tham gia chịu cắt trong đó cường độ chịu cắt của bê tông có thể được tính theo tiêu chu n ACI 318-11 Với nhóm mẫu thứ 3 thí nghiệm về cường độ chịu xoắn thì độ cứng ban đầu và cường độ xuất hiện vết nứt đầu tiên có thể được tính toán bằng lý thuyết đàn hồi với bề rộng cột như

là bề rộng hiệu quả Độ cứng sau khi nứt được tính toán với hệ số giảm độ cứng Bề rộng ảnh hưởng của sự xoắn tăng, sau vết nứt và bề rộng hiệu quả có thể áp dụng tính toán độ cứng và cường độ Từ kết quả thí nghiệm một phương thức thiết kế được đề xuất dựa trên tiêu chu n Nhật Bản AIJ

1.4 TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI SÀN PHẲNG BTCT

P.Y Yan, Y.C Wang (2016) [9] đề xuất liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT và tiến hành thí nghiệm như Hình 1.18, và để phân tích, đánh giá sự làm việc của liên kết tác giả đã mô phỏng liên kết bằng phần mềm ABAQUS như Hình 1.19 Trên cơ sở đó xác thực kết quả mô phỏng với thí nghiệm qua biểu đồ đường cong quan

hệ giữa tải trọng – chuyển vị

a) Thí nghiệm P.Y Yan b) Thí nghiệm Y.C Wang

Hình 1.18 Mô hình thí nghiệm được thực hiện bởi P.Y Yan, Y.C Wang [9]

a) Mô hình ABAQUS cho thép vai chịu cắt

b) Mô hỉnh ABAQUS cho sàn phẳng BTCT Hình 1.19 Mô hình ABAQUS liên kết đề xuất bởi P.Y Yan, Y.C Wang [9]

Đồng thời các tác giả cũng đã tiến hành khảo sát sự ảnh hưởng của tham số cụ thể: thép vai chịu cắt, chiều dày sàn và tiết diện cột như Hình 1.20 Trên cơ sở đó đưa ra các kết luận, công thức chung cho liên kết giữa cột CFST với sàn phẳng BTCT

a) Khảo sát ảnh hưởng hệ số góc thép vai chịu cắt

b) Khảo sát tấm thép chịu cắt trường hợp liên t c và không liên t c

c) Khảo sát sự ảnh hưởng tiết diện cột Hình 1.20 Khảo sát liên đề xuất bởi P.Y Yan, Y.C Wang [9]

Young K Ju (2013) [10] dựa trên cơ sở phân tích ưu nhược điểm các liên kết giữa cột CFST và sàn BTCT mà các tác giả trước đó đã nghiên cứu và thí nghiệm Tác giả đã đề xuất một liên kết mới với tấm th p được hàn vào cột và có chừa các lổ ren để nối với thép chờ, các thép chờ này được nối ren với cốt th p thường của sàn và sau đó

đổ bê tông như Hình 1.21.Đồng thời tác giả sử dụng phần mềm ANSYS để phân tích

sự làm việc của kết cấu như Hình 1.22 Các thông số được đưa vào phân tích bao gồm kích thước cột, chiều dày ống thép, chiều dài và chiều dày của tấm th p, cường độ của thép và số lượng thép dọc liên kết với tấm thép [10]

Hình 1.21 Liên kết đề xuất bởi Young K Ju (2013)[10]

Hình 1.22 Mô phỏng đề xuất bởi Young K Ju bằng ANSYS [10]

84 mẫu được phân tích để tìm ra công thức thiết kế cho liên kết Cường độ của liên kết phụ thuộc vào nhiều yếu tố: bề rộng ống thép bc, chiều dày ống thép tc, kích thước tấm thép hàn vào cột lp× tp, khoảng cách từ cốt thép neo vào tấm đến cạnh tấm thép ls, và tỉ số cường độ chảy dẻo của ống thép với tấm thép cfy/pfy Trạng thái giới hạn của liên kết khi thành ống thép biến dạng ra ngoài mặt phẳng 5mm

Qua kết quả phân tích thấy cường độ liên kết giảm tương ứng với sự tăng của bề rộng ống thép Tuy nhiên ảnh hưởng bề rộng của ống thép không quá quan trọng vì trong thực tế khi tăng kích thước ống thì chiều dày thành ống cũng tăng thêm Khi chiều dày thành ống th p, độ vươn của tấm thép từ mặt cột tăng thì cường độ của liên kết cũng tăng Bên cạnh đó cường độ của liên kết tỉ lệ thuận với cường độ của ống thép và tỉ lệ nghịch với cường độ của tấm thép liên kết với khoảng cách đặt lực trên tấm thép [10]

Sử dụng kết quả phân tích phần tử hữu hạn, bằng phương pháp hồi quy tuyến tính, cường độ thiết kế của liên kết được xác định theo công thức (1.1)

0.108 0.065 0.944 0.563 0.374 0.232 f 3.45

Hình 1.23 Mẫu liên kết của Y Su, Y Tian (2010)[11]

Hình 1.24 Mô phỏng quá trình thí nghiệm - Y Su, Y Tian (2010) [11]

Đồng thời tác giả đã tiến hành mô phỏng thí nghiệm bằng phương pháp phần

tử hữu hạn sử dụng phần mềm DIANA v9.3 như Hình 1.25

a) Xây dựng mô hình bằng ph n mềm DIANA v9.3

b) Kết quả phân tích liên kết bằng ph n mềm DIANA v9.3 Hình 1.25 Mô phỏng kết quả thí nghiệm bằng ph n mềm DIANA v9.3 [11]

Mục đích của nghiên cứu là tạo một liên kết chủ yếu chịu tải trọng ngang để giảm biến dạng ngang do động đất và đảm bảo khả năng chịu tải trọng đứng Mấu chốt vấn đề mà tác giả đưa ra để thiết lập liên kết là liên kết phải giảm ứng suất tập trung gây ra bởi mô men âm trong sàn do tải trọng ngang gây ra đồng thời vẫn duy trì được khả năng chịu tải trọng đứng Từ nhận định trên một liên kết được đề xuất là tấm sàn BTCT được đở bởi một tấm th p tròn được hàn vào cột Do cốt thép chịu mô men uốn không xuyên qua cột nên ứng xử của liên kết như một liên kết khớp dẫn đến hạn chế

mô men âm do tải trọng đứng và tải trọng ngang Thêm vào đó tấm th p tròn đỡ sàn chuyển toàn bộ lực cắt vào trong cột đồng thời đ y tiết diện tới hạn chịu cắt thủng ra

xa khỏi mặt cột với mong muốn sự phá hoại do cắt thủng xảy ra sau khi liên kết chịu được biến dạng ngang do động đất [11]

+ Tổng quan về mối liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT;

+ Tổng quan về mô phỏng liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT;

Qua tổng quan nhận thấy các nghiên cứu hiện nay về liên kết giữa cột CFST với sàn phẳng BTCT chủ yếu là các thực nghiệm, chƣa có nhiều nghiên cứu về việc mô phỏng sự làm việc của liên kết Nhìn chung các liên kết đề xuất đều đảm bảo yêu cầu đặt ra cho một liên kết (độ bền, độ cứng và tính thi công thuận lợi), tuy nhiên cấu tạo vẫn còn phức tạp Vì vậy, việc sử dụng phần mềm ABQUS để mô phỏng cấu tạo và khảo sát chi tiết hơn ứng xử của từng bộ phần trong liên kết là cần thiết

CHƯƠNG 2

MÔ PHỎNG SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT BẰNG ABAQUS

Trong Chương 2, thực hiện mô phỏng cho liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT Liên kết được chọn để mô phỏng theo đề xuất của tác giả [4] do liên kết là hợp lý và đã khắc phục được các vấn đề còn hạn chế của liên kết đề xuất của các tác giả trước đó như:

Loại bỏ việc bố trí cốt thép xuyên cột gây khó khăn cho thi công;

Thay thế thép dầm chữ I, bằng các tấm thép chữ cắt và được bố trí xuyên cột để tăng độ tin cậy cho liên kết;

Sử dụng hệ cốt đai để phân phối tải trọng truyền vào tấm th p, đồng thời tăng khả năng chịu cắt cho sàn

2.1 MÔ TẢ VỀ LIÊN KẾT

Trong hệ kết cấu cột CFST - sàn phẳng BTCT thì liên kết đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cho các cấu kiện phát huy hết khả năng làm việc cũng như sự ổn định tổng thể của hệ Do đó, liên kết phải đáp ứng được độ bền, độ cứng và dễ dàng cho thi công Vì vậy tác giả [4] đã đề xuất cấu tạo cho liên kết mới gồm: (1) Cột ống thép nhồi bê tông, (2) Cốt thép sàn neo vào cột, (3) Tấm thép chịu cắt xuyên cột, (4) Cốt th p đai bọc tấm thép, (5) khoan lỗ sẵn trên mặt cột để neo cốt thép vào cột

Khác với sự làm việc toàn khối của liên kết giữa cột BTCT và sàn BTCT, liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT bị gián đoạn tại bề mặt ống th p Do đó để đảm bảo tính toàn khối, các chi tiết liên kết phải liên kết được sàn với cột CFST đồng thời liên kết phải đảm bảo chống chọc thủng cho sàn Tiêu chu n ACI 318-11[6] đã đưa ra

giải pháp chống cắt thủng cho sàn bằng cách bố trí hệ dầm thép I chìm vào sàn Trên

cơ sở đấy tác giả [4] đã tiến hành thay thế dầm thép I bằng tấm thép chịu cắt Tấm

thép chịu cắt là các chi tiết th p đặt trong bản sàn tại vị trí cột và vươn ra ngoài mặt cột với mục đích làm tăng chu vi tính toán tiết diện tới hạn của bản sàn với lực cắt Ngoài

ra các chi tiết thép này có thể góp phần vào khả năng chịu mômen âm của sàn Đường hàn của tấm thép chịu cắt vào mặt cột khó kiểm soát chất lượng nên tấm thép liên kết

sẽ được xẻ rãnh trên mặt cột để đưa vào bên trong cột và hàn vào bề mặt bên ngoài của cột Với cách bố trí này sẽ làm tăng độ an toàn cho liên kết, đồng thời tấm thép tham gia chịu cắt thủng cho sàn Tấm thép xuyên vào cột được bố trí sao cho việc đưa ống vào đổ bê tông được dễ dàng Để đảm bảo tính hiệu quả khi làm việc của liên kết nên

có ít nhất 2 tấm thép liên kết trên một mặt của cột Theo tiêu chu n ACI 318-11 [6] sử dụng dầm I chịu cắt với bản cánh rộng để phân phối tải trọng từ bê tông vào dầm thép thì với tấm thép có chiều dày khá bé sẽ gây ứng suất tập trung cho bê tông, do đó để phân phối tải trọng vào tấm thép một hệ cốt th p đai bọc bên ngoài của các tấm thép được sử dụng để tăng diện tiếp xúc và truyền tải trọng vào tấm thép chịu cắt đồng thời

tăng khả năng chịu cắt thủng cho sàn Như đã phân tích, liên kết làm việc toàn khối thì cốt thép chịu mô men phải được neo vào cột Các hình thức neo của các tác giả đề xuất tương đối phức tạp hoặc nếu xuyên cốt thép qua cột thì ảnh hưởng việc đổ bê tông Tác giả [4] đã đề xuất cách neo th p đơn giản cho thi công nhưng vẫn đảm bảo khả năng chịu mô men: các thanh th p được uốn đủ chiều dài neo và được đưa vào cột thông qua các lỗ khoan sẵn trên mặt cột, việc đưa th p vào cột tương đối đơn giản và

đã được kiểm chứng trong thực tế như Hình 2.1

Hình 2.1 Cấu tạo liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT [4]

2.2 MÔ PHỎNG LIÊN KẾT BẰNG ABAQUS

2.2.1 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS

ABAQUS là một công cụ rất mạnh trong việc mô phỏng sự làm việc của kết cấu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phạm vi giải quyết vấn đề của nó từ phân tích tuyến tính tương đối đơn giản đến vấn đề mô phỏng phi tuyến phức tạp

Vì vậy trong Chương 2 của luận văn này sẽ sử dụng phần mềm ABAQUS để mô phỏng và phân tích sự làm việc của liên kết

2.2.2 Xây dựng mô hình cho liên kết

ABAQUS sẽ mô phỏng các bộ phận này dưới dạng các phần tử phản ánh phù hợp nhất với trạng thái làm việc thực của nó Phần mềm ABAQUS có thư viện phần tử mẫu rất phong phú, vì thế việc lựa chọn phần tử phù hợp cho từng cấu kiện là cần thiết nhằm mô phỏng cấu kiện sao cho gần với thực tế nhất Phần tử C3D8R được lựa chọn

để mô phỏng phần tử sàn bê tông, lõi bê tông cột, ống thép cột, các tấm thép chịu cắt

Phần tử C3D8R là dạng khối 3 chiều, 8 nút tuyến tính Với cốt thép thanh, phần tử dạng thanh T3D2 được sử dụng để mô phỏng cốt thép chịu lực

Bảng 2.1 Các loại ph n tử mô phỏng trong liên kết

Cấu kiện ích thước Phần tử mô phỏng Sàn bê tông 2.800 x 2.800 mm2 dày 180mm C3D8R

T3D2

Trong ABAQUS mỗi cấu kiện được xây dựng trong hệ tọa độ cục bộ của nó (Part), độc lập trong mô hình Chức năng (Assembly) sử dụng để lắp ghép các cấu kiện rời rạc tạo thành một mô hình hoàn chỉnh như Hình 2.2

Hình 2.2 Mô phỏng 1/4 liên kết đề xuất giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT [4]

2.2.3 Mô hình vật liệu trong Abaqus

Trong ABAQUS miền đàn hồi của bê tông được khai báo bởi mô đun đàn hồi E

và hệ số Poisson c cho trong Bảng 2.2

Bảng 2.2 Thông số miền đàn hồi của bê tông

Với giai đoạn sau đàn hồi của bê tông ABAQUS cung cấp nhiều mô hình để

mô tả trạng thái làm việc như: Concrete damaged plasticity, Concrete smeared

cracking, Drucker prager Trong luận văn này sử dụng mô hình phá hoại dẻo của bê tông là Concrete Damaged Plasticity odel (CDP) để mô phỏng trạng thái làm việc của vật liệu ở cả vùng kéo và vùng nén, trong phần mềm ABAQUS trạng thái phá hoại dẻo được khai báo qua các thông số cho ở Bảng 2.3:

Bảng 2.3 Thông số mô hình phá hoại dẻo

Ngoài miền đàn hồi trạng thái làm việc của bê tông được mô tả qua đường cong quan

hệ giữa ứng suất và biến dạng, phá hoại và biến dạng cho vùng kéo, n n Các đường cong này được xây dựng dựa vào lý thuyết của B Alfarah (2017) [12] như Hình 2.3, Hình 2.4

a) Mối quan hệ ứng suất – biến dạng

b) Mối quan hệ phá hoại – biến dạng Hình 2.3 ác đường cong quan hệ bê tông vùng chịu kéo

a) Mối Quan hệ ứng suất – biến dạng

b) Mối quan hệ phá hoại – biến dạng Hình 2.4 ác đường cong quan hệ bê tông vùng chịu nén

Vật liệu thép sử dụng là mô hình đàn hồi - dẻo để mô tả ứng xử, mô đun đàn hồi của thép là Es= 2,1.105 MPa, hệ số Poisson là 0,3 Ống thép và tấm thép chịu cắt chọn

th p có cường độ giới hạn chảy tương ứng là fy = 220 MPa Thép dọc chịu lực và cốt

th p đai trong dầm có cường độ giới hạn chảy tương ứng là fy = 350 MPa

Trong mô phỏng, để kết cấu làm việc đồng thời, các bộ phận của kết cấu phải liên kết với nhau Có nhiều hình thức liên kết được ABAQUS cung cấp như tương tác

bề mặt (Contact Surface to surface), liên kết nhúng (Embedded element), liên kết ràng buộc (Tie) Như vậy, việc lựa chọn liên kết sẽ quyết định nhiều đến kết quả mô