Luận án cung cấp cơ sở khoa học về ứng xử nút khung biên sử dụng bê tông cốt sợi thép tính năng siêu cao (UHPSFRC) theo cách tiếp cận bằng thực nghiệm trên mô hình thật và phân tích PTHH bằng mô phỏng số.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Trần Trung Hiếu NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG BIÊN SỬ DỤNG BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP TÍNH NĂNG SIÊU CAO CHỊU TẢI TRỌNG LẶP Chun nghành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Đặc biệt Mã chuyên ngành: 58 02 06 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ HÀ NỘI – NĂM 2020 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN SỰ – BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Người hướng dẫn khoa học: TS Lê Anh Tuấn PGS.TS Vũ Quốc Anh Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Đông Anh – Viện HLKH&CNVN Phản biện 2: PGS.TS Vũ Ngọc Anh – Vụ KHCN&MT, Bộ Xây dựng Phản biện 3: PGS.TS Vũ Hoàng Hưng – Đại học Thủy lợi Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo định số 4073/QĐ-HV, ngày 16 tháng 11 năm 2020 Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp Học viện Kỹ thuật Quân vào hồi ngày tháng năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân - Thư viên Quốc gia MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Kết cấu khung bê tơng cốt thép có độ cứng khơng gian lớn, chịu tải trọng lặp điển hình theo phương ngang (tải trọng gió, động đất, …) tương đối hiệu Một vấn đề cần lưu ý kết cấu khung việc thiết kế, cấu tạo thi công phải phù hợp để đảm bảo làm việc cho kết cấu Tuy nhiên, số trường hợp, thi công công trường, bê tơng khó lấp kín vị trí nút liên kết dầm – cột (nút khung) hàm lượng cốt thép dọc đường kính cốt thép dầm lớn Điều dẫn đến việc khó đảm bảo yêu cầu cấu tạo neo vùng nút cột có tiết diện mảnh Vì vậy, để khắc phục vấn đề phát sinh nêu trên, số nghiên cứu vật liệu composite đời nhằm thay thành phần cốt thép ngang vùng nút Đặc biệt, khoảng 30 năm trở lại đây, loại vật liệu xuất bê tơng cốt sợi thép tính siêu cao (UHPSFRC – Ultra High Performance Steel Fiber Reinforced Concrete) với nhiều tính chất học ưu việt so với bê tông thông thường: cường độ chịu nén, uốn, kéo vượt trội, có khả tăng cường ứng xử kéo sau đàn hồi bê tông Việc bổ sung thành phần sợi thép hỗn hợp bê tông giúp cải thiện độ dẻo dai; khả tiêu tán lượng bám dính bê tơng cốt thép tăng lên; bề rộng vết nứt nhỏ Xuất phát từ lý trên, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứng xử nút khung biên sử dụng bê tơng cốt sợi thép tính siêu cao chịu tải trọng lặp” Mục tiêu nghiên cứu • Nghiên cứu ứng xử đánh giá hiệu phương pháp tăng cường nút khung biên bê tơng cốt sợi thép tính siêu cao (UHPSFRC) • Khảo sát ảnh hưởng tham số đến làm việc nút khung biên bê tơng cốt sợi thép tính siêu cao như: khoảng cách tăng cường, lực dọc cột hàm lượng cốt sợi thép Đối tượng phạm vi nghiên cứu • Đối tượng nghiên cứu Nút khung biên phẳng sử dụng bê tơng UHPSFRC khơng có sàn liên kết chịu tải trọng lặp • Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu trạng thái ứng suất – biến dạng nút khung biên bê tơng cốt sợi thép tính siêu cao (UHPSFRC) Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu thực nghiệm phân tích PTHH phần mềm mơ số ABAQUS Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài • Ý nghĩa khoa học Cung cấp sở khoa học ứng xử nút khung biên bê tông cốt sợi thép tính siêu cao theo cách tiếp cận thực nghiệm mơ hình thật phân tích PTHH mô số Khảo sát tham số ảnh hưởng như: khoảng cách tăng cường UHPSFRC, lực dọc cột hàm lượng cốt sợi thép đến ứng xử nút khung • Ý nghĩa thực tiễn Những kết thu sở thực tiễn nhằm giải vấn đề hạn chế công tác thi cơng thực tế, bê tơng khó xâm nhập vào vùng nút khung Đề xuất kỹ thuật tăng cường cho nút khung biên chịu tải trọng lặp Từ kết thu từ thực nghiệm khảo sát số kiến nghị thiết kế cấu tạo nút khung biên tăng cường Bố cục luận án Nghiên cứu bao gồm 130 trang thuyết minh nội dung chính, 144 tài liệu tham khảo 45 trang phụ lục Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị phụ lục, luận án gồm có bốn chương với nội dung sau: Chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử nút khung biên bê tơng cốt sợi thép tính siêu cao Chương Phân tích kết thí nghiệm Chương Nghiên cứu ứng xử nút khung biên bê tông cốt sợi thép tính siêu cao phân tích PTHH Chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu Nội dung chương trình bày tổng quan nút khung BTCT như: dạng hình học, chế truyền lực, dạng phá hoại; kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm ứng xử nút khung biên thông thường nút khung biên tăng cường chịu tải trọng lặp; tham số ảnh hưởng đến ứng xử nút khung; giới thiệu tóm tắt đặc trưng học vật liệu bê tơng cốt sợi thép tính siêu cao (UHPSFRC) Qua nghiên cứu tổng quan cho thấy nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm thực ứng xử nút khung biên BTCT tập trung nghiên cứu thông số ảnh hưởng đến khả kháng cắt nút cường độ chịu nén bê tông (fc’), cấu tạo neo khu vực nút, lực dọc cột, tỷ lệ kích thước hình học (hb/hc) hàm lượng cốt thép (ρb, ρc) Tuy nhiên, số tham số khác thành phần ứng suất kéo, nén vùng nút (pt, pc) không khảo sát khảo sát không đầy đủ ảnh hưởng tất tham số (Hình 1.1) Hình 1.1 Các thành phần lực tác dụng nút khung biên Ngoài ra, nghiên cứu nút khung biên tăng cường nhiều phương pháp khác đề cập Tuy nhiên, hạn chế nghiên cứu sử dụng mơ hình thu nhỏ ứng bê tơng cốt sợi thép tính siêu cao dừng mức dán bao bọc keo epoxy xung quanh vùng nút khung Vì vậy, luận án tiến hành nghiên cứu với mục tiêu sau: ➢ Nghiên cứu ứng xử nút khung biên bê tơng tính siêu cao phương pháp thực nghiệm ➢ Nghiên cứu ứng xử nút khung phân tích PTHH sử dụng phần mềm mô số Chương Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử nút khung biên bê tơng cốt sợi thép tính siêu cao 2.1 Mục tiêu giới thiệu quy trình nghiên cứu thực nghiệm QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM Thiết kế thí nghiệm Tiến hành thí nghiệm Đánh giá xử lý kết Tiêu tán lượng Cơ chế phá hoại Độ dẻo khả Độ cứng cát tuyến Đường cong lực chuyển vị Tải trọng gây nứt, ứng suất chảy cốt thép Thí nghiệm nút khung biên Thí nghiệm vật liệu Thiết kế chi tiết hỗ trợ thí nghiệm Mơ sơ Thiết kế mẫu thí nghiệm Sơ đồ thí nghiệm Đánh giá đưa khuyến cáo thiết kế cấu tạo Hình 2.1 Quy trình thí nghiệm 2.2 Cơ sở thiết kế cấu tạo chi tiết mẫu thí nghiệm Trong nghiên cứu này, mẫu thí nghiệm thiết kế cấu tạo dựa tiêu chuẩn Eurocode với tỷ lệ 1:1 Cơng trình thuộc nhóm cơng trình đặc biệt thiết kế theo cấp độ dẻo cao (DCH) Có ba mẫu nút khung biên thiết kế, chế tạo thí nghiệm bị phá hoại Trong đó, 01 mẫu mẫu đối chứng, 02 mẫu lại dựa thiết kế mẫu đối chứng tăng cường bê tông UHPSFRC loại bỏ hoàn toàn cốt đai khu vực tăng cường Hình 2.4 a) Mẫu S1 b) Mẫu S2 c) Mẫu S3 Hình 2.4 Chi tiết cấu tạo mẫu thí nghiệm 2.3 Đặc trưng lý vật liệu chế tạo mẫu thí nghiệm Thí nghiệm bao gồm nội dung: thí nghiệm kéo thép, thí nghiệm nén mẫu bê tơng thường bê tơng UHPSFRC, thí nghiệm kéo trực tiếp bê tơng UHPSFRC Thép CB400-V Máy gia tải SHT4306-W Thiết bị đo biến dạng (extensometer) Máy kéo đa Đầu đo chuyển vị (LVDT) UHPSFRC đá Khoảng đo L = 150 mm Khoảng đo L = 100 mm Mẫu kéo trực tiếp UHPSFRC Đầu đo chuyển vị LVDT Khoảng đo L = 150 mm Lực kế (Load cell) Lực kế (Load cell) a) Kéo thép Má kẹp thép b) Nén bê tông c) Kéo trực tiếp Hình 2.5 Thí nghiệm vật liệu 2.4 Chế tạo mẫu thí nghiệm Các mẫu thí nghiệm đúc theo vị trí nằm ngang với tỷ lệ 1:1 Hai loại hỗn hợp bê tông thông thường UHPSFRC đổ đồng thời ngăn cách gỗ để tránh trộn lẫn Lồng thép Vách ngăn Ván khuôn phủ phim Ván khuôn phủ phim Gông thép Gông thép a) Ván khuôn b) Cấu tạo lồng thép c) Đổ bê tơng Hình 2.8 Chi tiết q trình đúc mẫu thí nghiệm 2.5 Bố trí thiết bị đo q trình thí nghiệm Tất mẫu thí nghiệm nghiên cứu bố trí thiết bị đo bên bên tương ứng với phiến điện trở đo biến dạng (strain gage) đầu đo chuyển vị (LVDT) 2.5.1 Phiến điện trở đo biến dạng a) Mẫu S1 b) Mẫu S2 c) Mẫu S3 Hình 2.10 Bố trí phiến điện trở đo biến dạng (strain gage) Có tất 117 phiến điện trở sử dụng cho mẫu thí nghiệm chia làm nhóm Cách bố trí phiến điện trở thể Hình 2.10 Các phiến điện trở lắp đặt vị trí quan trọng để đo phát triển biến dạng 2.5.2 Đầu đo chuyển vị (LVDT) Thí nghiệm xác định thơng số sau: góc xoay dầm – cột, góc xoay khớp dẻo dầm, góc xoay cột biến dạng cắt nút Trong q trình thí nghiệm, mẫu thí nghiệm bố trí 21 đầu đo chuyển vị LVDT đối xứng LVDT 5, LVDT 3, LVDT 1, LVDT 20, 21 LVDT a) Góc xoay dầm cột b) Góc xoay dầm LVDT 10 LVDT 11 c) Góc xoay cột LVDT LVDT d) Biến dạng nút Hình 2.14 Bố trí đầu đo chuyển vị (LVDT) 2.6 Sơ đồ thí nghiệm trình tự gia tải Tất mẫu thí nghiệm xoay góc 900 so với điều kiện thực tế Điều giúp Tường phản lực Kích gia tải động 500 kN Mẫu thí nghiệm Kích gia tải tĩnh 1500 kN Bộ thu tín hiệu Khung phản lực cho việc gia tải lực dọc đầu cột dễ Sàn cứng Bu lơng chịu cắt dàng Hình 2.16 Thiết lập mẫu thí nghiệm Ở vị trí đầu dầm bố trí thiết bị động với hành trình mm theo 90 có cơng suất 500 kN ±500 110 đặt Kiểm sốt chuyển vị Kiểm soát lực 5% Drift 1/3 x 1.75% = 0.58% 70 50 Chuyển vị (mm) kích 6.5% Drift 130 30 0.75% Drift 1% Drift 1.4% Drift 1.75% Drift 2.2% Drift 2.75% Drift 3.5% Drift 4.0% Drift 10 -10 -30 Δ -50 phương -70 ngang song song -110 -90 N (kN) 0.5lb Drift (%)= Δ /(0.5lb) -130 với sàn cứng Ngồi ra, kích Hình 2.18 Lịch sử gia tải 11 Drift (%) -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 Drift (%) -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 250 S1 Đường bao S1 S2 Đường bao S2 200 Lực (kN) 100 50 Đẩy Kéo Lực (kN) 150 Đẩy Kéo -50 -100 -150 -127.75 -91.25 -54.75 -18.25 18.25 54.75 Chuyển vị (mm) -200 127.75 91.25 -127.75 -91.25 -54.75 -18.25 18.25 54.75 Chuyển vị (mm) a) Mẫu S1 S3 Đường bao S3 Lực (kN) 250 200 150 100 50 -50 -100 -150 -200 -250 127.75 b) Mẫu S2 Kéo -127.75 -91.25 -54.75 -18.25 18.25 54.75 Chuyển vị (mm) Đẩy 91.25 Drift (%) -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 300 250 200 150 100 50 -50 -100 -150 -200 -250 127.75 Đường bao S1 Đường bao S2 Đường bao S3 Lực (kN) Drift (%) -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 91.25 -127.75 -91.25 -54.75 -18.25 18.25 54.75 Chuyển vị (mm) 91.25 300 250 200 150 100 50 -50 -100 -150 -200 -250 127.75 c) Mẫu S3 d) Đường cong bao Hình 3.1 Đường cong lực – chuyển vị mẫu 3.2 Hệ số độ dẻo chuyển vị Hệ số độ dẻo chuyển vị mẫu S2 tương đương với mẫu S1 theo hướng, mẫu S3 không đạt dự kiến hướng kéo tăng 3.4%, hướng đẩy giảm 4.6% Như vậy, thấy chiều dài vùng tăng cường UHPSFRC không ảnh hưởng đến hệ số độ dẻo chuyển vị 3.3 Thành phần ứng suất kéo nút Tại thời điểm drift 2.2% (tải trọng lớn nhất), ứng suất kéo chuẩn hóa mẫu tăng cường S2 S3 thấp 11.6% 8.1% hướng đẩy so với mẫu S1 Điều lý giải cường độ bê tơng UHPSFRC vùng nút cao nhiều so với bê tông thông thường 12 Drift (%) -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 -127.75 -91.25 -54.75 -18.25 18.25 54.75 Chuyển vị (mm) 91.25 127.75 Drift (%) -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 pt/(fc')0,5[-] pt/(fc')0,5[-] 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 -127.75 -91.25 -54.75 -18.25 18.25 Chuyển vị (mm) 54.75 1 0.8 pt/(fc')0,5[-] Drift (%) -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 0.8 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 91.25 127.75 0.2 -127.75 -91.25 -54.75 -18.25 18.25 54.75 Chuyển vị (mm) 91.25 127.75 a) Mẫu S1 b) Mẫu S2 c) Mẫu S3 Hình 3.6 Ứng suất kéo chuẩn hóa – chuyển vị 3.4 Sự suy giảm độ cứng thấy nghiệm mẫu thí tăng cường đạt độ cứng cao so với Độ cứng cát tuyến (kN/mm) Hình 3.7 cho mẫu đối chứng S1 thời điểm drift 1.0% Khi drift đạt giá 11 10 S1 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 S2 5.5 Drift (%) S3 6.5 Hình 3.7 So sánh độ cứng cát tuyến trị 2.2%, độ cứng mẫu S2 S3 có giá trị gần lớn khoảng 16% so với mẫu đối chứng S1 Như vậy, thấy việc tăng cường UHPSFRC mẫu S2 S3 có ảnh hưởng đáng kể tới độ cứng chúng trình gia tải 3.5 Đặc trưng khả tiêu tán lượng thấy lượng hấp thụ mẫu S2 S3 tăng tương ứng 6.5% 14.67% so với mẫu đối chứng S1 Hơn nữa, mức độ tiêu 80000 Tiêu tán lượng ( kN-mm) Hình 3.8 cho Keff 70000 F+ 60000 dd+ 50000 40000 F- 30000 20000 10000 S1 S2 S3 0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 Drift (%) Hình 3.8 Tiêu tán lượng 13 tán lượng mẫu S2 S3 trì drift đạt giá trị 6.5%, mẫu S1 dừng mức 5.0% 3.6 Các thông số ảnh hưởng tới drift Ảnh hưởng thông số tới giá trị tổng drift sau: góc xoay việc hình thành khớp dẻo dầm tăng từ 22% đến 43%, góc xoay biến dạng cắt nút tăng từ 16% đến 30%, góc xoay cột ảnh hưởng khơng 25% tới tổng drift Từ thấy góc xoay khớp dẻo dầm ảnh hưởng nhiều Còn số % cịn lại tổng drift bị ảnh hưởng thông số khác mà không đo lường như: vết nứt dầm bên vùng khớp dẻo chuyển vị dầm 90 Góc xoay khớp dẻo dầm Biến dạng nút Góc xoay cột 100 Phân bố thành phần (%) Phân bố thành phần (%) 80 70 60 50 40 30 20 80 60 50 40 30 20 1.75 2.2 2.75 3.5 Drift (%) 100 90 1.4 Góc xoay cột 70 10 Biến dạng nút 80 10 0.75 Góc xoay khớp dẻo dầm 90 Phân bố thành phần (%) 100 Góc xoay khớp dẻo dầm Biến dạng nút Góc xoay cột 70 60 50 40 30 20 10 0.75 1.4 1.75 2.2 2.75 3.5 Drift (%) 0.75 1.4 1.75 2.2 2.75 3.5 Drift (%) a) Mẫu S1 b) Mẫu S2 c) Mẫu S3 Hình 3.9 Các thành phần ảnh hưởng tới tổng drift 3.7 Mối quan hệ drift biến dạng cốt thép 3.7.1 Sự phát triển biến dạng cốt thép dọc dầm Đối với mẫu S1, biến dạng lớn đạt vị trí cách mặt cột 200 mm, điều chứng tỏ khớp dẻo xuất khu vực nút (nằm vùng D - không liên tục) Hai mẫu tăng cường S2 S3 thể ứng xử tương đối khác Vị trí xuất chảy dẻo cốt thép mẫu S2 cách mặt cột 400 – 500 mm, nằm cuối vùng D, khớp dẻo bắt đầu dịch chuyển xa mặt cột khoảng 400 mm Ứng xử mẫu S3 có khác biệt, tăng cường khoảng cách UHPSFRC lớn vị trí hình thành khớp dẻo khơng dịch chuyển sang dầm Mẫu S3 có 14 giá trị biến dạng bị sụt giảm lần gia tải thể Hình 3.11c Nguyên nhân sụt giảm giá trị biến dạng hàm lượng cốt thép ngang bị loại bỏ mẫu S3 lớn so với mẫu lại 15000 Biến dạng (mm/m) 10000 7500 5000 10 13 12 15 14 17 16 18 Drift 0.75% Drift 1% Drift 1.4% Drift 1.75% Drift 2.2% Drift 2.75% Drift 3.5% Drift 4% Drift 5% Giới hạn chảy 11 12500 Biến dạng (mm/m) 11 12500 13 12 15 14 18 7500 5000 2500 0 15000 Drift 0.75% Drift 1% Drift 1.4% Drift 1.75% Drift 2.2% Drift 2.75% Drift 3.5% Drift 4% Drift 5% Drift 6.5% Giới hạn chảy 17 16 10000 2500 100 200 300 400 500 600 700 800 Vị trí tem đo biến dạng cốt thép dọc dầm (mm) 10 11 10 12500 Biến dạng (mm/m) 15000 13 12 15 14 Drift 0.75% Drift 1% Drift 1.4% Drift 1.75% Drift 2.2% Drift 2.75% Drift 3.5% Drift 4% Drift 5% Drift 6.5% 17 16 18 10000 7500 5000 2500 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Vị trí tem đo biến dạng cốt thép dọc dầm (mm) 100 200 300 400 500 600 700 800 Vị trí tem đo biến dạng cốt thép dọc dầm (mm) a) Mẫu S1 b) Mẫu S2 c) Mẫu S3 Hình 3.11 Mối quan hệ drift – biến dạng cốt thép dầm 3.7.2 Sự phát triển biến dạng cốt thép dọc cột Hình 3.12 cho 1800 trọng lớn (drift 2.2%) mẫu tương đồng Mẫu S3 có S2 1400 Biến dạng (mm/m) dạng thời điểm tải S1 1600 thấy giá trị biến S3 1200 1000 800 03 600 400 200 biến dạng cao nhất, điều 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 Drift (%) Hình 3.12 Biến dạng cốt thép cột vết nứt cắt chéo xuất nút vị trí mép cột dầm nơi có bố trí phiến điện trở đo biến dạng Khi ứng suất cắt nút tăng, bề rộng vết nứt chéo tăng lên, làm tăng biến dạng kéo vị trí 3.7.3 Sự phát triển biến dạng cốt thép đai dầm Sự phát triển biến dạng cốt thép đai tất mẫu thí nghiệm mức chảy dẻo Mẫu S3 có biến dạng tăng nhanh drift đạt đến giá trị 2.2% sau giảm xuống, điều không giống mẫu S1 S2 mà biến dạng tiếp 15 tục phát triển Khơng có mẫu thí nghiệm đạt đến giới hạn biến dạng cho phép cốt đai quy định CSA S806-12 2700 33 35 34 32 1500 1500 1200 Biến dạng (mm/m) Tem 32 Tem 33 Tem 34 Tem 35 1800 900 1200 2400 33 35 34 Tem 33 900 32 33 35 34 2100 Tem 32 Biến dạng (mm/m) 32 2100 Biến dạng (mm/m) 2700 1800 2400 Tem 34 Tem 35 600 600 1800 1500 Tem 32 Tem 33 Tem 34 Tem 35 1200 900 600 300 300 0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 Drift (%) 300 0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 Drift (%) 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 Drift (%) a) Mẫu S1 b) Mẫu S2 c) Mẫu S3 Hình 3.2 Sự phát triển biến dạng cốt thép đai 3.8 Đánh giá làm việc nút khung tăng cường chuẩn 300 FEMA 273 quy định 250 giới hạn 200 biến dạng cắt sau: kết cấu BTCT, biến dạng cắt mức độ sụp đổ “e” dự kiến 0.01 biến dạng cấp Lực (kN) Tiêu CS2 BS3 BS2 AS2 AS3 CS3 CS1 150 BS1 S1 AS1 100 S2 50 S3 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 Biến dạng cắt nút (rad) 0.006 0.007 Hình 3.14 Biến dạng cắt nút độ cực hạn “d” không vượt 0.005 Hình 3.14 cho thấy, mẫu S2 S3 đáp ứng khả kháng cắt nút Mẫu S2 có biến dạng cắt thấp mức “d” khoảng 14% mẫu S3 có biến dạng cắt vượt mức “d” 22% nhiên nằm giới hạn cho phép mức độ “e” 3.9 Kết luận Chương Qua phân tích kết thí nghiệm cho thấy: khoảng cách tăng cường UHPSFRC ảnh hưởng đáng kể tới khả chịu lực nút khung không ảnh hưởng nhiều tới giá trị hệ số độ dẻo chuyển vị; khả kháng cắt, khả tiêu tán lượng tăng lên rõ rệt Hơn nữa, việc đánh giá hiệu làm việc 16 mẫu S2 tăng cường thỏa mãn tất tiêu chí “d” “e” FEMA 273 Tuy nhiên, việc ứng dụng vật liệu bê tơng tính siêu cao (UHPSFRC) cần phải nghiên cứu thêm cần thêm minh chứng thực nghiệm trước sử dụng thực tế vật liệu vùng nút khung Chương Nghiên cứu ứng xử nút khung biên bê tơng cốt sợi thép tính siêu cao phân tích PTHH 4.1 Dạng hình học chia lưới phần tử Phần tử C3D8R Mắt lưới 25 mm Mắt lưới 50 mm a) Bê tông b) Cốt thép c) Lưới phần tử Hình 4.1 Mơ hình mẫu thí nghiệm Hình 4.1a, b thể dạng hình học nút khung biên Trong đó, bê tơng mơ hóa phần tử khối C3D8R (solid) cốt thép mô phẳng phần tử T3D2 (frame element) Việc chia lưới phần tử thể Hình 4.1c cho thấy, vùng tăng cường sử dụng mắt lưới với kích thước 50 mm, vùng tăng cường 25 mm Kích thước mắt lưới áp dụng cho tất mẫu thí nghiệm 4.2 Mơ hình ứng xử vật liệu Ứng xử vật liệu bê tông thông thường bê tông UHPSFRC thông qua mối quan hệ ứng suất – biến dạng 17 Hình 4.5 Cốt thép được giả thiết đường song tuyến để mô giai đoạn đàn hồi – dẻo 4.5 60 Giai đoạn 50 40 30 20 Giai đoạn 10 Ứng suất (MPa) Ứng suất (MPa) 3.5 Giai đoạn 2.5 1.5 Giai đoạn Giai đoạn 0.5 0 0.001 0.002 Biến dạng (mm/mm) 0.003 0.004 0.001 0.002 Biến dạng (mm/mm) 0.003 0.004 a) Bê tông thông thường 120 100 Giai đoạn Giai đoạn Giai đoạn Ứng suất (MPa) Ứng suất (MPa) 80 60 40 Giai đoạn 20 Giai đoạn 0 0.002 0.004 Biến dạng (mm/mm) 0.006 0.008 0.002 0.004 0.006 0.008 Biến dạng (mm/mm) 0.01 b) Bê tơng UHPSFRC Hình 4.5 Ứng xử vật liệu Nghiên cứu sử dụng mơ hình phá hoại dẻo (Concrete damage plasticity) gọi tắt CDP để mô tính tốn Trong mơ hình này, phát triển vết nứt thể thơng qua hệ số phá hoại DAMAGET (dt) DAMAGE (dc) Các tham số đầu vào cho mơ hình phá hoại dẻo CDP sau: Bảng 4.1 Các hệ số đầu vào cho mơ hình CDP Giá trị hệ số mơ hình Hệ số mơ hình Kí CDP hiệu Bê tơng thường UHPSFRC Góc lệch ψ 30 36 Tỷ số ứng suất Kc 0.667 0.667 lệch bất biến Tỷ số ứng suất fb0/ fc0 1.16 1.16 Độ lệch tâm ϵ 0.1 0.1 18 4.3 Tương tác, điều kiện biên tải trọng Tương tác “Tie”, “Coupling” “Embedded element technique” kỹ thuật liên kết phần tử sử dụng nghiên cứu Việc mô điều kiện biên thí nghiệm vị trí tiết diện đầu chân cột thông qua điểm tham chiếu gọi RP (Reference point) Ngoài ra, kết hợp phân tích động theo thời gian tốc độ gia tải chậm gọi ABAQUS/ Explicit giúp cho kết phân tích PTHH thí nghiệm mẫu thí nghiệm xác 4.4 Phân tích kết mơ 14000 250 Thực nghiệm mẫu S1 ABAQUS 200 150 100 Lực (kN) 50 -50 S1 12000 ABAQUS 10000 Biến dạng (mm/m) Drift (%) -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 -100 Giới hạn chảy 8000 10 6000 4000 2000 -150 -127.75 -91.25 -54.75 -18.25 18.25 54.75 Chuyển vị (mm) -200 127.75 91.25 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 Drift (%) a) Mẫu S1 14000 250 200 150 100 50 -50 -100 -150 -200 -250 91.25 127.75 Thực nghiệm mẫu S2 Lực (kN) ABAQUS -127.75 -91.25 -54.75 -18.25 18.25 54.75 Chuyển vị (mm) 12000 S2 10000 Biến dạng (mm/m) Drift (%) -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 ABAQUS Giới hạn chảy 8000 6000 10 4000 2000 0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 Drift (%) 6.5 a) Mẫu S2 14000 Thực nghiệm mẫu S3 Lực (kN) ABAQUS -127.75 -91.25 -54.75 -18.25 18.25 54.75 Chuyển vị (mm) 300 250 200 150 100 50 -50 -100 -150 -200 -250 91.25 127.75 S3 12000 ABAQUS 10000 Biến dạng (mm/m) Drift (%) -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 Giới hạn chảy 8000 6000 10 4000 2000 0 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 Drift (%) 6.5 a) Mẫu S3 Hình 4.13 So sánh kết phân tích PTHH thí nghiệm Nghiên cứu tiến hành khảo sát ảnh hưởng việc chia lưới phần tử tới xác kết phân tích PTHH 19 so với kết thu từ thí nghiệm Các kích thước phần tử 25 mm, 50 mm 100 mm lựa chọn để khảo sát Kết cho thấy rằng, kích thước phần tử 25 mm cho kết phân tích tính toán phù hợp với kết thu thực nghiệm Sự phát triển biến dạng cốt thép dầm thu mô số ABAQUS tương đối trùng khớp với kết thí nghiệm trước thời điểm drift đạt giá trị 2.2% Sau đó, biến dạng tiếp tục tăng mơ hình bị phá hoại Kết thu mô số ABAQUS so sánh với kết thu từ thí nghiệm tương đồng xuất vết nứt chế phá hoại 4.5 Nghiên cứu tham số ảnh hưởng đến ứng xử nút 4.5.1 Ảnh hưởng khoảng cách tăng cường UHPSFRC Sự thay đổi 0.7 y = 5E-05L + 0.5309 khoảng cách vùng tăng chọn khoảng từ đến 2000 (toàn 0.5 pt/(fc')0,5[-] cường (L) lựa 0.6 0.4 y = 8E-05L + 0.1628 0.3 0.2 dầm) Hơn nữa, Hình 0.1 4.21 cho thấy, thành phần ứng suất kéo chuẩn Điểm A Điểm C Điểm A thực nghiệm mẫu S2 Điểm C thực nghiệm mẫu S2 Điểm A thực nghiệm mẫu S3 Điểm C thực nghiệm mẫu S3 Điểm A trung bình Điểm C trung bình 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Khoảng cách tăng cường UHPSFRC (mm) Hình 4.21 Ảnh hưởng khoảng cách tăng cường UHPSFRC hóa thời điểm xuất vết nứt (điểm A) ứng suất lớn (điểm C) bị ảnh hưởng nhiều thay đổi khoảng cách tăng cường UHPSFRC Các giá trị tăng theo quy luật 5E-0.5L+0.5309 8E-0.5L+0.1628 với L khoảng cách tăng cường 20 4.5.2 Ảnh hưởng lực dọc cột Lực dọc tác dụng lên cột ảnh hưởng đáng kể tới cường độ cắt nút (cường độ cắt nút đặc trưng ứng suất kéo chuẩn hóa lớn nhất, điểm C) Đối với trường hợp với lực dọc trục 975 kN (0.15fcAg) ứng suất kéo lớn mẫu S2 S3 0.165 f c 0.2 f c Đây mức tăng trung bình khoảng 35% (cùng mức lực dọc) so với mẫu đối chứng S1 Ứng suất kéo chuẩn hóa cho trường hợp điểm A (xuất vết nứt đầu tiên) C (ứng suất đạt giá trị lớn nhất) tỉ lệ nghịch với giá trị lực dọc dạng hàm phi tuyến 0.9 Điểm A Điểm C Điểm A trung bình 0.6 Điểm C trung bình pt/(fc')0,5[-] pt/(fc')0,5[-] 0.8 0.6 0.4 Điểm A thực nghiệm mẫu S2 y= - 0.8018P + 0.2701 R² = 0.8856 0.2 Điểm C trung bình 0.4 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 Tỷ số nén lực dọc 0.7 0.8 0.9 y = 0.6288P2 - 0.9088P + 0.3463 R² = 0.9506 0.1 0 Điểm C trung bình 0.4 0.2 y = 0.5895P2 - 0.8414P + 0.3089 R² = 0.9515 0.1 Điểm C thực nghiệm mẫu S3 Điểm A trung bình 0.5 0.3 0.2 Điểm A thực nghiệm mẫu S3 y = 1.0563P2 - 1.6664P + 0.7923 R² = 0.9857 0.6 0.3 0.5872P2 Điểm C 0.7 Điểm C thực nghiệm mẫu S2 Điểm A trung bình 0.5 Điểm A 0.8 Điểm C y = 1.1254P2 - 1.6665P + 0.7689 R² = 0.9342 0.7 Điểm C thực nghiệm mẫu S1 0.9 Điểm A 0.8 Điểm A thực nghiệm mẫu S1 y = 1.2931P2 - 1.9948P + 0.9115 R² = 0.9756 pt/(fc')0,5[-] 1.2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Tỷ số nén lực dọc 0.8 0.9 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Tỷ số nén lực dọc 0.8 0.9 a) Mẫu S1 b) Mẫu S2 c) Mẫu S3 Hình 4.22 Ảnh hưởng lực dọc đến thành phần ứng suất kéo vùng nút chuẩn hóa 4.5.3 Ảnh hưởng hàm lượng cốt sợi thép Hình 4.23 cho 0.8 thấy ứng suất kéo 0.7 ( chuẩn fc ) hóa thời điểm xuất vết nứt (điểm A) hàm lượng cốt sợi thép khác gần tương đương 0.5 pt/(fc')0,5[-] pt / y = 0.0184Vf + 0.5945 0.6 0.4 0.3 y = 0.0042Vf + 0.2084 Điểm A Điểm C Điểm A thực nghiệm Điểm C thực nghiệm Điểm A trung bình Điểm C trung bình 0.2 0.1 0 Hàm lượng cốt sợi Vf (%) Hình 4.23 Ảnh hưởng hàm lượng cốt sợi 21 Đối với điểm C, ứng suất kéo chuẩn hóa tỉ lệ thuận với hàm lượng cốt sợi nút tăng cường tương đối nhỏ so với quan sát điểm A Dựa kết này, ứng suất kéo chuẩn hóa thời điểm xuất vết nứt cắt xác định biểu thức ka f c (trong ka số) Ngồi ra, ứng suất kéo chuẩn hóa thời điểm ứng suất cắt đạt giá trị lớn (điểm C) chịu ảnh hưởng thay đổi hàm lượng cốt sợi thép Vf Giá trị tăng tuyến tính theo quy luật kc = 0.0184Vf + 0.5945 4.6 Kết luận Chương Qua việc phân tích PTHH phần mềm mơ số ABAQUS cho thấy, kích thước mắt lưới phần tử 25 mm cho kết xác với kết thu thực nghiệm Ứng xử vật liệu thể qua đường cong ứng suất – biến dạng kết hợp với mơ hình phá hoại dẻo (CDP) giúp quan sát dạng phá hoại, ứng xử toàn nút suốt trình gia tải Ảnh hưởng ba thơng số đến ứng xử của nút khung nghiên cứu thấy rằng: cường độ nút (được biểu thị ứng suất kéo chuẩn hóa lớn nhất, Điểm C) tỷ lệ thuận với khoảng cách tăng cường UHPSFRC dạng hàm tuyến tính; lực dọc tác dụng lên cột có ảnh hưởng đáng kể tới cường độ cắt nút khung theo hàm số phi tuyến; thành phần ứng suất kéo điểm A, C khơng thay đổi nhiều thay đổi hàm lượng cốt sợi thép Thời điểm xuất vết nứt đầu tiên, ứng suất kéo chuẩn hóa xác định đơn giản hàm thông số ka không đổi 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I Những đóng góp luận án Luận án xây dựng sở khoa học nghiên cứu ứng xử nút khung biên sử dụng vật liệu bê tơng cốt sợi thép tính siêu cao thực nghiệm mơ số sử dụng phân tích PTHH Các kết tính tốn theo phương pháp tương đối phù hợp Từ kết nghiên cứu thấy việc sử dụng bê tông cốt sợi thép tính siêu cao cho nút khung biên BTCT giải pháp tăng cường tương đối hiệu Ứng xử nút khung tăng cường thể nhiều ưu điểm vượt trội hơn: làm tăng đáng kể khả chịu cắt, hạn chế tương đối phá hoại xảy vùng nút khung, đơn giản hóa cơng tác thi cơng nút khung có hàm lượng cốt thép lớn Kết nghiên cứu thực nghiệm cho thấy nút khung tăng cường khả chịu tải trọng lặp tăng lên đáng kể Sự tiêu tán lượng tăng lên, cụ thể mẫu tăng cường S2 S3 tăng 6.5% 14.7% so với mẫu BTCT thơng thường S1, kết cịn cao so với kết thu mẫu thiết kế theo mơ hình độ dẻo cao (DCH) Ngồi ra, mẫu tăng cường hoàn toàn đáp ứng tiêu chí hệ số độ dẻo chuyển vị kết cấu Qua kết phân tích PTHH cho thấy kích thước lưới phần tử ảnh hưởng đáng kể đến tính xác kết tính toán, lưới phần tử 25 mm phù hợp trường hợp nút khung sử dụng phân tích tính tốn Bên cạnh đó, việc sử dụng mơ hình phá hoại dẻo CDP phần mềm 23 ABAQUS giúp quan sát dạng phá hoại ứng xử tồn nút suốt q trình gia tải Luận án nghiên cứu ảnh hưởng tham số tới hiệu làm việc nút khung biên tăng cường như: khoảng cách tăng cường vật liệu UHPSFRC, giá trị lực dọc tác dụng lên cột hàm lượng cốt sợi thép Cụ thể là: - Khoảng cách tăng cường: Việc tăng cường nút khung biên vật liệu UHPSFRC nên nằm vùng khơng liên tục (D-region) mang lại hiệu tích cực Quan hệ khoảng cách tăng cường với ứng suất cắt nút quan hệ tuyến tính Khoảng cách tăng cường ảnh hưởng đáng kể tới khả chịu lực nút khung chưa thể tính hiệu việc dịch chuyển vị trí hình thành khớp dẻo; - Giá trị lực dọc tác dụng lên cột: Quan hệ lực dọc tác dụng lên cột ứng suất kéo nút quan hệ nghịch biến theo hàm số phi tuyến - Hàm lượng cốt sợi thép: Việc thay đổi hàm lượng cốt sợi thép khơng ảnh hưởng tới ứng suất kéo thời điểm xảy vết nứt có ảnh hưởng tới giá trị ứng suất lớn (quan hệ chúng tuyến tính kc, gia tăng không đáng kể) II Kiến nghị Việc ứng dụng vật liệu bê tơng tính siêu cao (UHPSFRC) cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng chuyên sâu trước áp dụng thực tế vật liệu vùng nút khung Các kết thu từ nghiên cứu luận án 24 xem thông tin tài liệu tham khảo cho nghiên cứu thí nghiệm vấn đề III Hướng phát triển đề tài Dựa nội dung thực luận án này, đề xuất hướng nghiên cứu sau: Nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá hiệu việc tăng cường vật liệu UHPSFRC nút khung góc nhằm kiểm chứng làm việc tổng thể tồn cơng trình Ngồi ra, phát triển nghiên cứu liên kết nút khung sàn vật liệu UHPSFRC Cần phát triển thêm nghiên cứu thực nghiệm đặc tính vật liệu bê tơng tính siêu cao UHPC số đơn vị khác, nhằm tạo loại bê tơng có cường độ chịu kéo cao DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ Trần Trung Hiếu (2019), "Khảo sát thực nghiệm khả kháng cắt nút khung biên sử dụng bê tơng cốt sợ thép tính siêu cao (UHPSFRC) chịu tải trọng lặp theo chu kì", Tạp chí Xây dựng 9, 8791 Trần Trung Hiếu, Đặng Vũ Hiệp, Vũ Quốc Anh, Lê Anh Tuấn (2018), "Khảo sát ứng xử dầm bê tơng cốt sợi thép tính siêu cao (UHPFRC)", Tạp chí Xây dựng 9, 289-293 Trần Trung Hiếu, Lê Anh Tuấn, Lê Thanh Tuấn, Đặng Vũ Hiệp (2017), "Khảo sát quan hệ M-φ tiết diện dầm bê tông cốt thép sử dụng mô hình vật liệu khác nhau", Tạp chí Khoa học Kiến trúc Xây dựng 28, 44-48 Trần Trung Hiếu, Lê Anh Tuấn, Vũ Quốc Anh, Đặng Vũ Hiệp (2019), "Nghiên cứu thực nghiệm nút khung biên sử dụng bê tơng cốt sợi thép tính siêu cao (UHPSFRC)", Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật 02, 54-64 Van, Tran Thi Thuy, Trung, Hieu Tran (2019), Evaluation of shear resistance for beam-column connections using ultra high performance steel fibre reinforced concrete (UHPSFRC) under cyclic loading by experimental research, Journal of Physics: Conference Series, IOP Publishing, 012049 T.H Tran, A.T.Le, A.Q.Vu (2016), A research on M-φ relationships for section of reinforced concrete beam by fiber method, The 7Th International conference of Asian concrete Federation "Sustainable Concrete for Now and the Future", HaNoi, VietNam ... đề nghiên cứu Chương Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử nút khung biên bê tơng cốt sợi thép tính siêu cao Chương Phân tích kết thí nghiệm Chương Nghiên cứu ứng xử nút khung biên bê tông cốt sợi thép. .. nghiệm ứng xử nút khung biên thông thường nút khung biên tăng cường chịu tải trọng lặp; tham số ảnh hưởng đến ứng xử nút khung; giới thiệu tóm tắt đặc trưng học vật liệu bê tơng cốt sợi thép tính siêu. .. 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I Những đóng góp luận án Luận án xây dựng sở khoa học nghiên cứu ứng xử nút khung biên sử dụng vật liệu bê tông cốt sợi thép tính siêu cao thực nghiệm mơ số sử dụng phân