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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN QUỐC NHẬT NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT CỘT BIÊN 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 NGUYỄN QUỐC NHẬT NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT CỘT BIÊN ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng 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 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi 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 cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Quốc Nhật NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT CỘT BIÊN ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Học viên: Nguyễn Quốc Nhật, Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 60.58.02.08, Khóa 32, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: - 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 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 Với ưu điểm trên, việc kết hợp sàn phẳng với cột CFST giải pháp kết cấu hợp lý cho nhà cao tầng Các nghiên cứu liên kết cột biên CFST với sàn phẳng BTCT hạn chế Do vậy, luận văn nghiên cứu đề xuất giải pháp liên kết cột biên CFST với sàn phẳng BTCT, thực tính tốn liên kết theo tiêu chuẩn ACI 318 thực thí nghiệm 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 giải pháp liên kết đề xuất cột biên CFST với sàn phẳng BTCT tin cậy Từ khóa: - Ống thép nhồi bê tơng; Sàn phẳng; Bê tông cốt thép; Liên kết; Cột biên STUDYING CONNECTION BETWEEN CONCRETE FILLED STEEL TUBE EXTERIOR COLUMN AND REINFORCED CONCRETE FLAT SLAB Abstract: - The reinforced concrete (RC) flat floor has the following advantages: Reducing the height of the floor, facilitating the arrangement of technical equipment, ventilation and flexible layout The concrete filled steel tube (CFST) column has the following advantages: High strength, high ductility and high energy dissipation, etc With the above advantages, the combination between RC flat floor with CFST column is a reasonable structural solution for high-rise 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 exterior column and the reinforced concrete floor, performing the calculation according to ACI 318 and conducting the experiment 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 proposed CFST column solution with flat floor is reliable Keywords: - Concrete filled steel tube (CFST); Floor Flat; Reinforced Concrete (RC); Connection; Exterior column MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Kết dự kiến Bố cục 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 LIÊN KẾT CỘT BIÊN CFST VỚI SÀN PHẲNG BTCT 20 2.1 GIẢI PHÁP CẤU TẠO LIÊN KẾT CỘT BIÊN – SÀN PHẲNG BTCT 20 2.2 GIẢI PHÁP TÍNH TỐN LIÊN KẾT CỘT BIÊN – SÀN PHẲNG BTCT 23 2.3 THIẾT KẾ LIÊN KẾT SÀN BTCT – CỘT CFST CHO CỘT BIÊN 28 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 41 CHƯƠNG KHẢO SÁT LIÊN KẾT BẰNG THỰC NGHIỆM 42 3.1 CHẾ TẠO MẪU, THIẾT BỊ VÀ THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM 42 3.1.1 Đề xuất mẫu thí nghiệm 42 3.1.2 Chế tạo mẫu thí nghiệm 43 3.1.3 Thiết bị thí nghiệm 45 3.1.4 Thiết lập thí nghiệm 46 3.2 THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH CƯỜNG ĐỘ CỦA VẬT LIỆU 47 3.2.1 Bê tông 47 3.2.2 Cốt thép 48 3.3 MÔ TẢ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐO 49 3.3.1 Mơ tả kết thí nghiệm 49 3.3.2 Đánh giá kết đo 51 3.3.3 Nhận xét mô hình phá hoại qua kết thí nghiệm liên kết cột biên CFST với sàn phẳng BTCT 52 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 52 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (BẢN SAO) DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT a Ab As Awf Aws b b0 b01 : Chiều cao vùng nén bêtông : Diện tích thép neo : Tởng diện tích cốt thép chịu kéo bề rộng b dải sàn : Diện tích tính tốn tiết diện đường hàn ứng với tiết diện : Diện tích tính toán tiết diện đường hàn ứng với tiết diện : Bề rộng dải sàn : Chu vi tiết diện tới hạn tháp chọc thủng cách mặt cột d/2 : Chu vi tiết diện tới hạn tháp chọc thủng cách mặt cột 3/4 chiều dài cánh tay vươn chịu cắt BTCT : Bê tông cốt thép CFST : Concrete filled steel tube (Ống thép nhồi bêtông) d : Chiều cao làm việc sàn db : Đường kính cốt thép Ec : Mơđun đàn hồi bêtông Es : Môđun đàn hồi cốt thép ' fc : Cường độ chịu nén bêtông fy : Cường độ chịu kéo cốt thép fv : Cường độ tính tốn cắt vật liệu thép fwf : Cường độ tính tốn chịu cắt quy ước que hàn fws : Cường độ tính tốn chịu cắt quy ước thép Ic : Mômen qn tính tiết diện bê tơng bao quanh mũ chịu cắt Is : Mơmen qn tính thép chịu cắt h : Chiều dày sàn hf : Chiều cao đường hàn hw : Chiều cao thép ld : Chiều dài neo thép thẳng ldb : Chiều dài neo ldh : Chiều dài neo thép có móc neo tiêu chuẩn lw : Chiều dài đường hàn Mp : Mômen dẻo thép chịu cắt S : Mômen tĩnh tiết diện chữ nhật thép tw : Chiều dày thép Vc : Khả chịu cắt danh nghĩa bê tông sàn Vmax : Lực cắt lớn dầm Vn Vp Vu wu Wwf Wws τtd βf βs η  γc : Lực cắt danh nghĩa tiết diện d/2 gồm (BT+tấm thép) : Lực cắt truyền vào thép : Lực cắt tổng cột tác dụng vào cột : Tải trọng phân bố sàn : Mô men kháng tiết diện đường hàn ứng với tiết diện : Mô men kháng tiết diện đường hàn ứng với tiết diện : Ứng suất tiếp đường hàn : Hệ số chiều sâu nóng chảy tiết diện qua đường hàn : Hệ số chiều sâu nóng chảy tiết diện qua thép : Số lượng thép chịu cắt : Hệ số độ tin cậy bê tông chịu cắt : Hệ số điều kiện làm việc DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu bảng 3.1 3.2 Tên bảng Kết thí nghiệm nén mẫu bê tơng Số liệu thí nghiệm kéo cốt thép Trang 48 49 DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 Tên hình Trang Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tơng Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tông Cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép Cột CFST bao bê tông (Concrete-encased CFST) Cột CFST tăng cường kết cấu thép cốt thép gia cường CFST với sườn tăng cứng Một số tiết diện tổ hợp từ cột CFST Ví dụ cầu xây dựng kết cấu CFST Sàn phẳng bê tông cốt thép Sàn bê tông ứng suất trước Sàn Bubbledeck Sàn U-Boot Beton Thí nghiệm liên kết cột CFST-sàn BTCT Jin-Won Kim(2014)[6] Sự phá hoại sàn BTCT - thí nghiệm Jin-Won Kim (2014)[6] Mẫu liên kết Y Su, Y Tian (2010)[12] Mô q trình thí nghiệm - Y Su, Y Tian (2010) [12] Liên kết đề xuất Cheol-Ho Lee (2007) [4] Liên kết đề xuất Young K Ju (2013)[13] Liên kết cột CFST - sàn BTCT đề xuất Hiroki Satoh (2004)[2] Thép mũ chịu cắt sàn phẳng Dầm tích hợp sàn Chốt thép chịu cắt bố trí sàn Chốt thép chịu cắt bố trí sàn Cấu tạo liên kết cột biên CFST – sàn phẳng BTCT Cấu tạo chi tiết liên kết cột biên CFST – sàn phẳng BTCT Mặt phá hoại theo kiểu cắt thủng Xác định chu vi tiết diện tới hạn khơng có Shear-head Xác định chu vi tiết diện tới hạn sử dụng Shear-head Tiết diện tới hạn nội lực thép mũ chịu cắt Các tiết diện làm việc đường hàn Sơ đồ gia tải Kiểm tra ứng suất cắt tiết diện thứ Bố trí thép Shear-head; Chu vi chịu cắt b02=2000mm với lv=750mm 4 5 10 10 12 13 14 15 15 16 18 18 20 21 21 22 22 23 24 24 25 26 28 30 33 35 51 P=440kN sàn chuyển vị mức phá hoại uốn Hai phần sàn gập hai bên so với Shear-head sàn hình 3.19 Hình 3.19 Sự phá hoại sàn P=440kN 3.3.2 Đánh giá kết đo Với kết thu từ số liệu cảm biến đo lực LVDT vẽ đồ thị thể mối quan hệ chuyển vị đứng cột tải trọng tác dụng Hình 3.20 Quan sát thấy tải trọng đạt đến giá trị đỉnh phá hoại xảy ra, sau khả chịu tải sàn giảm nhanh đột ngột, bê tông vùng kéo bị tách lớn mặt cột Hình 3.20 Đồ thị tải trọng – chuyển vị đứng sàn 52 Qua kết thí nghiệm so sánh với kết tính tốn để chọn mẫu thí nghiệm theo tiêu chuẩn ACI 318-11 thấy khác mơ hình phá hoại kết thí nghiệm cho kết an tồn so với tính tốn theo tiêu chuẩn mà cụ thể Ptest/PACI 318 = 440/220 = 2,0 Hình 3.21 Hình 3.21 Đồ thị tải trọng – chuyển vị so với ACI 318 3.3.3 Nhận xét mơ hình phá hoại qua kết thí nghiệm liên kết cột biên 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 biên phá hoại uốn Vết nứt vùng bê tông chịu kéo phát triển gần mặt cột chủ yếu vết nứt uốn, vùng cạnh cột song song với Shear –head vết nứt mở rộng Ở thời điểm phá hoại sàn võng lớn ứng xử dẻo, khơng có chuyển vị lớn đột ngột 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương thực nội dung sau: Tiến hành chế tạo mẫu theo giải pháp cấu tạo tính tốn thực chương 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 trở 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 2,0 lần, kết cho thấy an toàn thiết kế mẫu theo tiêu chuẩn ACI 318 điều chứng tỏ giải pháp liên kết đề xuất cột biên CFST với sàn phẳng tin cậy Kết thí nghiệm cho thấy phá hoại mẫu phá hoại uốn 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Luận văn thực nghiên cứu đề xuất liên kết cột biên ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép (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 biên CFST với sàn phẳng BTCT gồm: Bố trí Shear-head dạng thép hình chữ H chịu cắt; thép đệm bên Shear head; bố trí cốt thép vịng; cốt thép chịu mơ men từ sàn vào cột gần mặt bên cột để tạo không gian đở bê tơng vào ống thép; bố trí hệ cốt đai dạng C - Thực giải pháp tính toán cho liên kết đề xuất gồm: Xác định khả chịu cắt bê tông sàn thép hình I, H; xác định khả chịu cắt bê tơng sàn có thép hình chịu cắt I, H; tính khả chịu uốn Shear-head; tính tốn đường hàn liên kết Từ tính tốn cấu tạo cụ thể cho liên kết cột biên CFST- sàn phẳng BTCT - Thực chế tạo mẫu với kích thước thật thực thí nghiệm Kết thí nghiệm cho thấy khả chịu lực sàn theo thí nghiệm lớn khả chịu cắt thiết kế theo công thức đề xuất 2,0 lần, kết cho thấy an toàn thiết kế mẫu theo tiêu chuẩn ACI 318, điều chứng tỏ giải pháp liên kết đề xuất cột biên ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng tin cậy KIẾN NGHỊ Cần thực phân tích chi tiết mơ hình ứng suất để đánh giá mơ hình phá hoại sàn, phá hoại thủng hay phá hoại uốn… Cần thí nghiệm thêm để khảo sát nhiều tham số ảnh hưởng đến cường độ liên kết ảnh hưởng Shear-head đến phân bố độ cứng liên kết ảnh hưởng đến mơ hình phá hoại liên kết Nghiên cứu liên kết cho sàn bê tông ứng suất trước… 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 1164-1172 [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, Ngô 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 ... tài: ? ?Nghiên cứu liên kết cột biên ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép” Mục tiêu nghiên cứu đề tài Nghiên cứu tổng quan cột ống thép nhồi bê tông, sàn phẳng bê tông cốt thép liên. .. 1.2) 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 tơng Một dạng... động áp lực bên ngồi Dạng cột lựa chọn tối ưu thiết kế cấu kiện với tiết diện ngang lớn Ống thép Lõi b? ?tông Ống thép Lõi b? ?tông Ống thép Lõi b? ?tông Ống thép Lõi b? ?tông Ống thép Lõi b? ?tông Hình