Nghiên cứu sự làm việc của cốt đai đến khả năng chịu cắt của sàn trong liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng

Hệ kết cấu kết hợp sàn phẳng sàn phẳng bê tông cốt thép hoặc sàn phẳng bê tông ứng lực trước và cột ống thép nhồi bê tông cho kết cấu nhà cao tầng sẽ đem lại hiệu quả cao về mặt kinh tế kĩ thuật Tuy nhiên vấn đề lớn nhất khi kết hợp hai loại kết cấu này đấy là liên kết Hiện nay các nghiên cứu chỉ thực hiện nghiên cứu tổng thể cho liên kết cột giữa với sàn phẳng và chưa có nhiều các nghiên cứu đề cập đến sự đóng góp của từng bộ phận liên kết đến khả năng chịu cắt của sàn phẳng Đối với sàn phẳng vấn đề cần quan tâm đó là khả năng chịu cắt thủng của sàn Giải pháp sử dụng cốt đai sẽ đáp ứng việc tăng cường độ chịu cắt và ứng xử dẻo cho liên kết Kết quả nghiên cứu của luận văn cho thấy sự có mặt của cốt đai sẽ kìm hãm sự phát triển của các khe nứt nghiêng do lực cắt đồng thời đẩy chu vi phá hoại ra xa khỏi vùng bố trí cốt đai nâng cao khả năng chịu cắt thủng cho sàn phẳng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HOÀNG HỒNG ĐIỆP NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT ĐAI ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA SÀN TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Đà Nẵng, Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HOÀNG HỒNG ĐIỆP NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT ĐAI ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA SÀN TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 858.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC Đà Nẵng, Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận văn Hồng Hồng Điệp NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT ĐAI ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA SÀN TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG Học viên: Hồng Hồng Điệp Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 , Khóa: K34 Đà Nẵng, Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Hệ kết cấu kết hợp sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép sàn phẳng bê tông ứng lực trước) cột ống thép nhồi bê tông cho kết cấu nhà cao tầng đem lại hiệu cao mặt kinh tế, kĩ thuật Tuy nhiên, vấn đề lớn kết hợp hai loại kết cấu liên kết Hiện nay, nghiên cứu thực nghiên cứu tổng thể cho liên kết cột với sàn phẳng chưa có nhiều nghiên cứu đề cập đến đóng góp phận liên kết đến khả chịu cắt sàn phẳng Đối với sàn phẳng vấn đề cần quan tâm khả chịu cắt thủng sàn Giải pháp sử dụng cốt đai đáp ứng việc tăng cường độ chịu cắt ứng xử dẻo cho liên kết Kết nghiên cứu luận văn cho thấy có mặt cốt đai kìm hãm phát triển khe nứt nghiêng lực cắt đồng thời đẩy chu vi phá hoại xa khỏi vùng bố trí cốt đai nâng cao khả chịu cắt thủng cho sàn phẳng Từ khóa - CFST, Cột ống thép nhồi bê tông, liên kết, cốt đai, khả chịu cắt thủng RESEARCH EFFECTS OF THE STIRRUP TO THE SHEAR STRENGTH OF THE SLAB IN THE CONCRETE FILLED STEEL TUBE TO FLAT SLAB CONNECTION Abstract - The structural system combined with flat salb (reinforced concrete flat slab or prestressed concrete floor) and concrete filled steel tube column for high-rise buildings will bring high economic and technical efficiency However, the biggest problem when combining these two types of structures is connection Currently, studies only carry out a general study of the middle column conncetion with flat slab and there are not many studies mentioning the contribution of each component to the shear resistance of the flat slab For flat slab the issue of concern is punching shear strength The solution to use the stirrup increase in shear resistance and ductile behavior for connection The results of the thesis show that the presence of stirrup will inhibit the development of the cracks by the shear force and push the destructive circumference away from the area of reinforcing bar to improve shear resistance for flat slab Keywords - CFST, Concrete filled steel tube column, Connection, Stirrup, Punching shear strength 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 VỀ KẾT CẤU CỘT CFST, SÀN PHẲNG VÀ MỐI LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI SÀN PHẲNG 1.1 Tổng quan 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 loại sàn phẳng BTCT 1.2.1 Sàn phẳng BTCT thường 1.2.2 Sàn phẳng bê tông ứng lực trước 1.2.3 Sàn Bubbledeck 10 1.3 Tổng quan liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép 13 1.3.1 Nghiên cứu Jin-Won Kim 13 1.3.2 Nghiên cứu Y Su, Y Tian 15 1.3.3 Nghiên cứu Cheol-Ho Lee 16 1.3.4 Nghiên cứu Young K.Ju 17 1.3.5 Nghiên cứu Hiroki Satoh 18 1.3.6 Nghiên cứu Alessandra L Carvalho 19 1.3.7 Nghiên cứu Thibault Clément 19 1.4 Các hình thức bố trí cốt đai sàn 19 1.5 Kết luận chương 20 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT THỦNG CỦA SÀN 22 2.1 Cơ chế chịu cắt cốt đai tiết diện nghiêng 22 2.2 Phân tích đóng góp cốt đai đến khả chịu cắt sàn 23 2.3 Tiêu chuẩn tính tốn khả chịu cắt thủng sàn có kể đến cốt đai 27 2.3.1 Tiêu chuẩn ACI 318-14 27 2.3.2 Tiêu chuẩn châu Âu Eurocode (EC2 2004) 29 2.4 Kết luận chương 31 CHƯƠNG THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU CẮT THỦNG CỦA SÀN 32 3.1 Chế tạo mẫu, thiết bị thiết lập thí nghiệm 32 3.1.1 Cấu tạo liên kết cột CFST với sàn phẳng bê tông ứng lực trước 32 3.1.2 Thiết kết mẫu thí nghiệm 33 3.1.3 Chế tạo mẫu thí nghiệm 34 3.1.4 Thiết bị thí nghiệm 36 3.2 Thí nghiệm xác định cường độ vật liệu 38 3.2.1 Thí nghiệm bê tơng 38 3.2.2 Cốt thép 39 3.2.3 Cáp ứng lực trước 40 3.3 Thiết lập thí nghiệm 40 3.4 Mơ tả kết thí nghiệm đánh giá kết đo 42 3.4.1 Mô tả kết thí nghiệm 42 3.4.2 Đánh giá kết thí nghiệm 44 3.5 Kết luận chương 48 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao) DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CFST : Concrete filled steel tube (Ống thép nhồi bêtông) BTCT : Bê tông cốt thép f'c : Cường độ chịu nén bêtông fy : Cường độ chịu kéo cốt thép Ec : Môđun đàn hồi bêtông Es : Môđun đàn hồi cốt thép Is : Mômen quán tính thép chịu cắt Ic : Mơmen qn tính tiết diện bê tơng bao quanh mũ chịu cắt wu : Tải trọng phân bố sàn db : Đường kính cốt thép d : chiều cao làm việc sàn h : Chiều dày sàn b : Bề rộng dải sàn b0 b01 : 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 As : Tổng diện tích cốt thép chịu kéo bề rộng b dải sàn Asm : Diện tích cốt thép post-punching theo phương sàn a : Chiều cao vùng nén bêtông Mp : Mômen dẻo thép chịu cắt Vu : Lực cắt tổng cột tác dụng vào cột Vn : Lực cắt danh nghĩa tiết diện d/2 gồm (BT+tấm thép) Vc : Khả chịu cắt danh nghĩa bê tơng sàn fwf : Cường độ tính tốn chịu cắt quy ước que hàn hf : Chiều cao đường hàn lw : Chiều dài đường hàn τtd : Ứng suất tiếp đường hàn tw : Chiều dày thép hw : Chiều cao thép S : Mômen tĩnh tiết diện chữ nhật thép fv : Cường độ tính tốn cắt vật liệu thép fws : Cường độ tính tốn chịu cắt quy ước thép βf : Hệ số chiều sâu nóng chảy tiết diện qua đường hàn βs : Hệ số chiều sâu nóng chảy tiết diện qua thép Awf : Diện tích tính tốn tiết diện đường hàn ứng với tiết diện Aws : Diện tích tính toán tiết diện đường hàn ứng với tiết diện Wws : Mô men kháng tiết diện đường hàn ứng với tiết diện Wwf : Mô men kháng tiết diện đường hàn ứng với tiết diện ldb : Chiều dài neo Ab : Diện tích thép neo ldh : Chiều dài neo thép có móc neo tiêu chuẩn ld : Chiều dài neo thép thẳng Vmax : Lực cắt lớn dầm Vp : Lực cắt truyền vào thép η : Số lượng thép chịu cắt  : Hệ số độ tin cậy bê tông chịu cắt γc : Hệ số điều kiện làm việc DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu Tên bảng Trang bảng 3.1 Kết thí nghiệm nén mẫu bê tơng 39 3.2 Số liệu thí nghiệm kéo cốt thép 10 40 3.3 Số liệu thí nghiệm kéo cốt thép 14 40 3.4 Đặc tính kỹ thuật cáp dự ứng lực 40 10 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo cột ống thép nhồi bê tông Hình 1.2 Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tông Hình 1.3 Cột ống thép nhồi bê tơng với hai lớp ống thép Hình 1.4 Cột CFST bao bê tông (Concrete-encased CFST) Hình 1.5 Cột CFST tăng cường kết cấu thép cốt thép gia cường Hình 1.6 CFST với sườn tăng cứng Hình 1.7 Một số tiết diện tổ hợp từ cột CFST Hình 1.8 Ví dụ cầu xây dựng bằng kết cấu CFST Hình 1.9 Sàn phẳng bê tơng cốt thép Hình 1.10 Sàn bê tông ứng lực trước 10 Hình 1.11 Sàn Bubbledeck 10 Hình 1.12 Sàn U-Boot Beton 12 Hình 1.13 Thí nghiệm liên kết cột CFST-sàn BTCT Jin-Won Kim(2014)[5] 13 Hình 1.14 Sự phá hoại sàn BTCT - thí nghiệm Jin-Won Kim (2014)[5] 14 Hình 1.15 Mẫu liên kết Y Su, Y Tian (2010)[10] 15 Hình 1.16 Mơ q trình thí nghiệm - Y Su, Y Tian (2010) [10] 15 Hình 1.17 Liên kết đề xuất Cheol-Ho Lee (2007) [3] 16 Hình 1.18 Liên kết đề xuất Young K Ju (2013)[12] 18 Hình 1.19 Liên kết cột CFST - sàn BTCT đề xuất Hiroki Satoh (2004)[2] 18 Hình 1.20 Dầm tích hợp sàn 19 Hình 1.21 Chốt thép chịu cắt bố trí sàn 20 Hình 1.22 Chốt thép chịu cắt bố trí sàn 20 Hình 2.1 Cơ chế chuyển lực cắt qua khe nứt nghiêng 22 Hình 2.2 Các mơ hình phá hoại sàn có bố trí cốt đai 23 Hình 2.3 Sự đóng góp bê tơng cốt đai vào khả chịu cắt 44 L1=51mm), bề rộng vết nứt mép cột lớn 5mm, bê tông bề mặt bị vỡ, sàn bị phá hoại Hình 3.21 Sự phá hoại sàn P=1780kN 3.4.2 Đánh giá kết thí nghiệm Sau kết thúc thí nghiệm, thực cắt sàn Hình, quan sát mặt cắt cho thấy: 45 B A B A a) Mặt cắt sàn b) Mặt cắt A-A c) Mặt cắt A-A Hình 3.22 Kết quan sát ứng xử vết nứt sàn - Kết quan sát từ mặt cắt A-A, cho thấy có nhiều vết nứt nghiêng cắt qua cốt đai, nhiên có mặt cốt đai làm cho vết nứt không mở rộng nên khơng có phá hoại vùng bố trí cốt đai Lúc đó, vết nứt phát triển phát triển 46 vùng cốt đai Vết nứt bắt đầu chân cốt đai nghiêng góc khoảng 300 bên ngồi sàn Sự phá hoại qua bê tông hay chu vi phá hoại cắt thủng mở rộng khỏi vùng cốt đai nên khả chịu cắt thủng sàn lớn Khả chịu cắt thủng trường hợp bê tông chịu - Mặt cắt B-B cho thấy khía cạnh khác vùng phá hoại Các vết nứt lớn cắt qua cốt đai, lúc biến dạng cốt đai lớn nên phá hoại xảy vùng bố trí cốt đai khơng có vết nứt phát triển bên ngồi vùng bố trí cốt đai Sức kháng cắt trường hợp bê tơng cốt đai chịu Như vậy, có mặt cốt đai làm tăng khả chịu cắt thủng cho sàn Tùy thuộc vào vị trí vết nứt phá hoại mà khả chịu cắt tính tốn cho sàn tính bê tơng chịu bê tông cốt thép chịu Với kết thu từ số liệu cảm biến đo lực strain gauge vẽ đồ thị thể mối quan hệ biến dạng cốt đai tải trọng tác dụng Hình 3.23 Hình 3.23 Kết đồ thị tải trọng chuyển vị cốt đai SS2 Trên cốt đai SS2 thực bố trí hai strain gauge hai vị trí khác Hình 3.17 Hình 3.22 b, thấy vết nứt cắt thủng qua vị trí cốt đai đồ thị Hình 3.23 cho thấy hai strain gauge phản ứng tương tự Điều cho thấy cốt đai biến dạng dọc theo chiều dài cốt đai 47 Hình 3.24 Kết đồ thị tải trọng chuyển vị cốt đai SS2 SS3 Khảo sát biến dạng cốt đai SS2 SS3 dọc theo cạnh shear head, đồ thị Hình 3.24 cho thấy cốt đai làm việc giống nhau, giai đoạn đến khoảng 1600kN biến dạng tuyến tính thời điểm biến dạng cốt đai phát triển nhanh đạt biến dạng dẻo cốt đai Hình 3.25 Đồ thị tải trọng chuyển vị cốt đai SS4 Cốt đai SS4 thực bố trí hai strain gauge hai vị trí khác Hình 3.17 đặt đỉnh Shear head Hình 3.22 a, thấy vết nứt cắt thủng qua vị trí bên cốt đai đồ thị Hình 3.25 cho thấy hai strain gauge phản ứng khác Điều cho thấy cốt đai biến dạng không dọc theo chiều dài cốt đai 48 Hình 3.26 Đồ thị tải trọng chuyển vị cốt đai SS5 SS6 Đồ thị Hình 3.26 mơ tả biến dạng cốt đai theo phương xiên, kết cho thấy biến dạng cốt đai SS5 lớn so với SS6, vị trí d/2 so với mặt cột (chu vi phá hoại cắt thủng lấy theo ACI 318) cho thấy thép liên tục làm việc gối đõ cho phương xiên làm cho truyền lực cột rõ ràng ứng suất kéo hình thành vết nứt cắt ngang qua cốt đai SS5 3.5 Kết luận chương Trong chương thực nội dung sau: Tiến hành mô tả cấu tạo liên kết cột CFST với sàn phẳng bê tông cốt thép Chi tiết liên kết gồm: Shear head tiết diện H, liên tục, shear head, cốt đai cốt thép dọc xuyên cột 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 biến dạng cốt đai đo cảm biến Strain gauge ghi lại kết chương trình máy tính Kết thí nghiệm cho thấy, có mặt cốt đai làm tăng khả chịu cắt thủng cho sàn Đồ thị tải trọng biến dạng cốt đai phản ánh làm việc cốt đai qua giai đoạn thí nghiệm 49 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn thực nghiên cứu ảnh hưởng cốt đai đến khả chịu cắt thủng sàn Kết nghiên cứu nhận sau: - Luận văn nghiên cứu chế chịu cắt cốt đai vết nứt nghiêng lực cắt, từ trình bày mơ hình tính tốn sức kháng cắt cốt đai cho sàn - Nghiên cứu thực nghiệm liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT ứng lực trước mẫu với kích thước thật có bố trí cốt đai Kết thí nghiệm cho thấy sàn bị phá hoại cắt thủng Tải trọng phá hoại đạt 1780kN - Sự có mặt cốt đai nâng cao khả chịu cắt thủng cho sàn, kết nghiên cứu mô tả hai trường hợp phá hoại cắt thủng cho sàn bố trí cốt đai là: (1) Vết nứt phá hoại cắt qua cốt đai, sức kháng cắt trường hợp bê tông cốt đai chịu (2) phá hoại nằm bên ngồi vùng cốt đai lúc khả chịu cắt thủng bê tông chịu Khả chịu cắt thủng sử dụng cho thực tế thiết kế giá trị nhỏ hai trường hợp - Kết biến dạng cốt đai cho thấy giai đoạn chưa có vết nứt cắt qua cốt đai biến dạng cốt đai nhỏ tuyến tính, vết nứt mở rộng biến dạng cốt đai tăng nhanh Do đó, khả chịu cắt thủng sàn, cường độ cốt đai lấy giới hạn chảy cốt thép - Cấu tạo đai đảm bảo cho cốt đai phát triển cường độ chảy dẻo thi công dễ dàng Kiến nghị Cần thực mơ để khảo sát khía cạnh khác cốt đai đến khả chịu cắt thủng sàn 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] ACI318 (2011) ACI 318-11 Building code requirements for structural concrete and commentary [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] 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 [4] EU2 (2002) CEN (2004),Eurocode 2: Design of concrete structures — Part 1-1: General rules and rules for buildings, British Standards Institute, London [5] 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 [6] 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 [7] Kypros Pilakoutas, X L (2003), "Alternative Shear Reinforcement for Reinforced Concrete Flat Slabs", Journal of Structural Engineering, 129 pp 1164-1172 [8] Nguyễn Viết Trung, T V H (2006), Kết cấu ống thép nhồi bê tông, Nhà xuất xây dựng Hà Nội - 2006 [9] Phan Quang Minh, Ngơ Thế Phong and Nguyễn Đình Cống (2011), Kết cấu bê tông cốt thép - phần cấu kiện bản, Nhà xuất khoa học kĩ thuật 2011 [10] 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 [11] Yan, P Y and Wang, Y C (2016), "Hybrid steel tubular column/flat slab construction — Development of a shearhead system to improve punching shear resistance", Journal of Constructional Steel Research, 119, pp 154-168 [12] 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 ... vượt nhịp sàn rỗng gần giống với sàn Bubble Deck 1.3 Tổng quan liên kết 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... Lõi b? ?tông a Lõi b? ?tông Lõi b? ?tông a D Ống thép Lõi b? ?tông Ống thép a Ống thép b Ống thép Lõi b? ?tông Ống thép Lõi b? ?tông Hình 1.2 Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tông Một dạng khác cột. .. 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 1.3 Cột ống thép nhồi bê tông với hai lớp ống thép Một trường hợp khác kết cấu