Phân tích tĩnh phi tuyến kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông

1 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ HỒNG PHƯƠNG PHÂN TÍCH TĨNH PHI TUYẾN KẾT CẤU ỐNG THÉP CHỮ NHẬT NHỒI BÊ TÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng cơng trình Dân dụng Cơng nghiệp Mã số:60.58.02.08 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN ANH THIỆN Đà Nẵng - Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin xam đoan Luận văn tốt nghiệp cao học ngành kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp với đề tài: “Phân tích tĩnh phi tuyến kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tơng” cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Lê Hồng Phương TRANG TĨM TẮT TIẾNG ANH PHÂN TÍCH TĨNH PHI TUYẾN KẾT CẤU ỐNG THÉP CHỮ NHẬT NHỒI BÊ TƠNG Học viên: Lê Hồng Phương Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 60.58.02.08, Khố 33, Trường Đại Học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Hệ thống kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông (CFT) có nhiều ưu điểm so với kết cấu truyền thống vật liệu thép hay bê tông cốt thép mặt cường độ, độ cứng, khả chống cháy thuận tiện cho việc thi công nên sử dụng ngày nhiều giới Luận văn phân tích đánh giá ứng xử kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông tác dụng động đất thơng qua phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến sử dụng phần mềm SAP2000 Ứng xử kết cấu khung tầng cột ống thép nhồi bê tông tiết diện chữ nhật phân tích so sánh với kết cấu cột ống thép nhồi bê tơng tiết diện trịn kết cấu bê tông cốt thép để rút nhận xét Từ khố – phân tích đẩy dần; khớp dẻo; tĩnh phi tuyến; cột liên hợp thép bê tông NONLINEAR STATIC ANALYSIS OF CONCRETE FILLED STEEL RECTANGULAR TUBE Abstract: Due to several advantages compared with ordinary steel or reinforced concrete structures in terms of strength, stiffness, fire resistance and construction efficiency, concrete-filled tube (CFT) column systems have been widely used in civil engineering worldwide This thesis investigated the seismic response of concrete-filled rectangular tube (CFRT) structures through the nonlinear static analysis using SAP2000 The seismic behavior of a 6-story frame CRFT structure was analyzed and compared with those of CFT and reinforced concrete (RC) structures; and remarks were discussed Key words – pushover analysis; hinges; nonlinear static; composite concretesteel column MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN TRANG TĨM TẮT TIẾNG ANH MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đối tượng nghiên cứu: .1 Phạm vi nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu Cơ sở khoa học thực tiễn luận văn: Bố cục đề tài: CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU ỐNG THÉP CHỮ NHẬT NHỒI BÊ TÔNG (CFRT) 1.1 Quá trình hình thành phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tơng 1.1.1 Q trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép – bê tông giới 1.1.2 Quy trình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông Việt Nam 1.2 Một số cơng trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông 1.2.1 Một số cơng trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông giới: 1.2.2 Một số cơng trình tiêu biểu sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông Việt Nam 1.3 Đặc tính kết cấu liên hợp thép – bê tông 11 1.3.1 Kiến trúc .11 1.3.2 Kinh tế 12 1.3.3 Chịu nhiệt chống ăn mòn 12 1.3.4 So sánh tính ưu việt kết cấu liên hợp thép – bê tông so với kết cấu khác 12 1.4 Tổng quan kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông 14 1.5 Đặc điểm chịu lực kết cấu ống thép nhồi bê tông 16 1.6 Ưu điểm loại ống thép nhồi bê tông 17 1.6.1 Khả chịu lực độ tin cậy cao 17 1.6.2 Công sử dụng hiệu 18 1.6.3 Hiệu kinh tế 19 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHI TUYẾN CHO KẾT CẤU 20 2.1 Giới thiệu phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến .20 2.1.1 Nội dung phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến 20 2.1.2 Đặc trưng khớp dẻo mặc định theo ASCE 41-13 (Hinges properties) 22 2.1.3 Sử dụng kết phương pháp đẩy dần: 23 2.1.4 Ưu nhược điểm phạm vi áp dụng phương pháp đẩy dần: .23 2.1.5 Phương pháp nghiên cứu: 24 2.2 Giới thiệu phương pháp phân tích động phi tuyến: 24 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CFRT QUA PHÂN TÍCH TĨNH PHI TUYẾN BẰNG PHẦN MỀM SAP2000 26 3.1 Phần mềm phân tích kết cấu SAP2000: 26 3.2 Xây dựng mơ hình phân tích: .29 3.3 Khung tầng sử dụng cột CFRT: .29 3.4 Khung tầng sử dụng cột liên hợp CFT 43 3.5 Khung tầng sử dụng cột bê tông cốt thép (RC) .48 3.6 Kết luận chương .57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .58 TÀI LIỆU THAM KHẢO .59 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 So sánh kích thước dầm liên hợp với dầm không liên hợp khả chịu lực .13 Bảng 1.2 So sánh kích thước dầm cột liên hợp với dầm cột bê tông cốt thép thường khả chịu lực 14 Bảng 3.1 Giá trị đường cong đẩy dần khung CFRT tầng 43 Bảng 3.2 Giá trị đường cong đẩy dần khung CFT tầng .48 Bảng 3.3 Giá trị đường cong đẩy dần khung RC tầng .53 Bảng 3.4 Giá trị đường cong đẩy dần khung RC tầng .55 Bảng 3.5 Kích thước loại cột hệ kết cấu 55 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Tịa nhà 35 tầng Major Bank Dallas, Texas (USA) Hình 1.2 Tồ nhà Burj Khalifa (Dubai) .7 Hình 1.3 Willis Tower (Hoa Kì) .8 Hình 1.4 Tịa nhà Diamond Plaza, TP.HCM Hình 1.5 Trung tâm thương mại tài Bitexco, TP Hồ Chí Minh Hình 1.6 Vietinbank Tower, Hanoi 10 Hình 1.7 Khách sạn JW Marriott, Hà Nội 10 Hình 1.8 Dự án nhà hoạt động đa 169 Nguyễn Ngọc Vũ 11 Hình 1.9 Các dạng tiết diện cột liên hợp thép bê tông .15 Hình 2.1 Đường cong đẩy dần tổng thể kết cấu .21 Hình 2.2 Đường cong quan hệ lực – biến dạng khớp dẻo 21 Hình 3.1a Hộp thoai “Load case data – Nonlinear Static” tham số SAP2000 27 Hình 3.1b Hộp thoại “Load Application Control for Nonlinear Static Analysis” tham số SAP2000 27 Hình 3.2 Hộp thoai “Result Saved for Nonlinear Static Load Cases” tham số SAP2000 28 Hình 3.3 Tổng quát mối quan hệ lực – chuyển vị khớp dẻo SAP2000 28 Hình 3.4 Mặt 30 Hình 3.5 Khai báo tải trọng gió theo tiêu chuẩn ASCE 7-10 .31 Hình 3.6 Khai báo tải trọng gió đẩy theo tiêu chuẩn ASCE 7-10 32 Hình 3.7 Khai báo tải trọng gió hút theo tiêu chuẩn ASCE 7-10 .32 Hình 3.8 Khai báo tải trọng động đất 33 Hình 3.9 Mặt cắt điển hình cột CFRT 34 Hình 3.10 Mặt cắt điển dầm thép .36 Hình 3.11 Khai báo tiết diện cấu kiện cột liên hợp CFRT (Màu xanh đậm thể lớp vỏ thép, mài xám bên thể lõi bê tông) 37 Hình 3.12 Khai báo tiết diện dầm thép chữ I .38 Hình 3.13 Mơ hình khung tầng sử dụng cột CFRT ETABS 38 Hình 3.14 Kiểm tra tự động mơ hình khung tầng sử dụng cột CFRT ETABS 39 Hình 3.15 Khớp dẻo cho dầm thép I 400x200x10x8 41 Hình 3.16 Khớp dẻo cho cột liên hợp CFRT 400x400x20 .41 Hình 3.17 Đường cong đẩy dần khung sử dụng cột CFRT 42 Hình 3.18 Sự phân bố khớp dẻo 42 Hình 3.19 Khai báo tiết diện cấu kiện cột liên hợp CFT 44 Hình 3.20 Khai báo tiết diện cấu kiện dầm thép chữ I .45 Hình 3.21 Mơ hình khung tầng sử dụng cột liên hợp CFT SAP2000 45 Hình 3.22 Khớp dẻo cho dầm thép I 400x200x10x8 46 Hình 3.23 Khớp dẻo cho cột liên hợp CFT 450x22 47 Hình 3.24 Sự phân bố khớp dẻo 47 Hình 3.25 Đường cong đẩy dần khung CFT tầng 48 Hình 3.26 Mơ hình khung RC tầng SAP2000 50 Hình 3.27 Khai báo khớp dẻo cho cột RC 650x650 51 Hình 3.28 Khai báo khớp dẻo cho dầm bê tông cốt thép 51 Hình 3.29 Sự phân bố khớp dẻo 52 Hình 3.30 Đường cong đẩy dần khung RC tầng (Tương đương khả chịu lực với khung sử dụng cột CFRT) 52 Hình 3.31 Sự phân bố khớp dẻo (bước 14) 54 Hình 3.32 Đường cong đẩy dần khung RC tầng .54 Hình 3.33 Biểu đồ đường cong đẩy dần .56 Hình 3.34 Chuyển vị tầng hệ kết cấu 57 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Nhu cầu xây dựng nhà cao tầng siêu cao tầng bùng nổ mạnh mẽ Việt Nam, đặc biệt khu đô thị lớn Hà Nội TP Hồ Chí Minh, cộng với xu hướng phát triển xây dựng đại nên sử dụng giải pháp kết cấu cột bê tông cốt thép thông thường, cơng trình nhà cao tầng địi hỏi kích thước cấu kiện kết cấu cột lớn, nặng nề, tốn kém, giảm không gian sử dụng giảm tính thẩm mĩ Để khắc phục nhược điểm kể trên, giải pháp kết cấu cột liên hợp thép bê tông sử dụng phổ biến nhiều nước giới cho cơng trình nhà nhiều tầng Mục đích giải pháp tận dụng ưu điểm riêng đặc trưng lý vật liệu thép bê tông để tạo kết cấu cột liên hợp có khả chịu lực độ tin cậy cao, đồng thời tăng cường khả chống cháy Bên cạnh đó, cơng trình sử dụng giải pháp kết cấu cột liên hợp đáp ứng công sử dụng cao, hiệu kinh tế đảm bảo tính thẩm mĩ, đồng thời phải có khả chịu tải trọng ngang (tải trọng động đất) tốt kết cấu nhà cao tầng Trên sở đó, cột ống thép chữ nhật nhồi bê tông (CFRT) giải pháp thay hữu hiệu cho kết cấu cột bê tông cốt thép truyền thống vốn có tiết diện, kích thước lớn Ở nước ta, từ năm 2006 tiêu chuẩn thiết kế kết cấu liên hợp thép bê tông tiến hành nghiên cứu biên soạn theo tiêu chuẩn Châu Âu Để nghiên cứu ứng xử cột CFRT chịu tải trọng động đất cần phải có phương pháp phân tích, đánh giá cường độ biến dạng kết cấu chịu tải trọng động đất Do đó, đề tài: “ Phân tích phi tuyến tĩnh kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông” nghiên cứu hữu ích Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Đánh giá ứng xử kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông tác dụng tải trọng động đất Đối tượng nghiên cứu: - Kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông Phạm vi nghiên cứu: - Ứng xử kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tơng chịu tải trọng động đất phân tích tĩnh phi tuyến Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu sở lý thuyết phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến - Phương pháp mơ phỏng: Sử dụng phần mềm SAP2000 để mơ hình phân tích ứng xử kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông CFRT Cơ sở khoa học thực tiễn luận văn: Nghiên cứu luận văn dựa sở tiêu chuẩn ASCE 41-13 Hoa Kỳ biên soạn xuất năm 2013 số tài liệu tham khảo liên quan Ngoài luận văn áp dụng kiến thức sức bền vật liệu, học kết cấu phần mềm SAP2000 V20 để mô kết cấu Bố cục đề tài: Chương 1: Tổng quan kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông (CFRT) 1.1 Quá trình hình thành phát triển kết cấu liên hợp thép - bê tơng 1.2 Một số cơng trình sử dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông 1.3 Đặc tính kết cấu liên hợp thép – bê tông 1.4 Tổng quan kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông: 1.5 Đặc điểm chịu lực kết cấu ống thép nhồi bê tông 1.6 Ưu điểm loại ống thép nhồi bê tông Chương 2: Các phương pháp phân tích phi tuyến cho kết cấu 2.1 Giới thiệu phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến 2.2 Giới thiệu phương pháp phân tích động phi tuyến: Chương 3: Đánh giá ứng xử kết cấu CFRT qua phân tích tĩnh phi tuyến phần mềm SAP2000 3.1 Phần mềm phân tích kết cấu SAP2000: 3.2 Xây dựng mơ hình phân tích: 3.3 Khung tầng sử dụng cột CFRT: 3.4 Khung tầng sử dụng cột liên hợp CFT 3.5 Khung tầng sử dụng cột bê tông cốt thép (RC) 3.6 Kết luận chương 55 Bảng 3.4 Giá trị đường cong đẩy dần khung RC tầng Step 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Displacement m 0.000019 0.00681 0.125565 0.135284 0.194275 0.194284 0.195017 0.195025 0.195322 0.196007 0.196948 0.196957 0.197312 0.201681 0.20169 0.202163 0.208492 0.208492 0.208581 BaseForce KN 310.194 2617.983 2749.386 3136.041 3061.724 3080.005 3056.255 3064.407 3076.465 3084.559 3059.484 3068.095 3102.988 3079.435 3090.572 3141.991 3141.991 3142.697 TABLE: Pushover Capacity Curve AtoB BtoIO IOtoLS LStoCP 336 334 214 192 188 188 188 188 188 188 188 188 188 188 188 188 188 188 188 26 44 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 0 96 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 0 0 32 30 28 28 28 28 26 26 26 24 24 24 22 22 22 CPtoC CtoD DtoE Total 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 6 8 8 10 10 10 12 12 12 12 12 336 336 336 336 336 336 336 336 336 336 336 336 336 336 336 336 336 336 336 Từ bảng ta nhận thấy rằng, thực đẩy dần, từ bước đến bước kết cấu làm việc giới hạn cho phép Từ bước đến bước cuối kết cấu làm việc vùng giới hạn với trạng thái khớp dẻo từ D đến E Từ đánh giá hàm lượng cốt thép kích thước tiết diện không đảm bảo khả chịu lực kết cấu Sau tiến hành thiết kế, phân tích đẩy dần Pushover phần mềm SAP2000, biểu đồ thể so sánh đường cong quan hệ Lực – Chuyển vị khung CFRT, CFT, RC (tương đương khả chịu lực), RC (tương đương độ cứng): Bảng 3.5 Kích thước loại cột hệ kết cấu Tầng đến Đơn vị CFRT 400x400x20 mm CFT 450x22 mm Cột RC tương đương khả chịu lực 650x650 mm Cột RC tương đương độ cứng 510x510 mm 56 Hình 3.33 Biểu đồ đường cong đẩy dần 57 Hình 3.34 Chuyển vị tầng hệ kết cấu 3.6 Kết luận chương Trong luận văn này, ứng xử động đất năm loại cấu trúc khung tầng, bao gồm cột CFRT, cột CFT, cột RC, nghiên cứu Các phản ứng địa chấn CFRT, CFT, cấu trúc RC phân tích đẩy dần so sánh số kết luận nhận xét sau: Độ cứng, độ dẻo hệ khung ảnh hưởng vào loại tiết diện, kích thước cấu kiện thành phần hàm lượng cốt thép Thông qua biểu đồ đường cong đẩy dần ta thấy ưu điểm kết cấu cột liên hợp thép bê tông tác dụng tải trọng động đất so với loại kết cấu bê tông cốt thép thông thường 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn phân tích so sánh đánh giá ứng xử kết cấu khung tầng cột ống thép nhồi bê tông tiết diện chữ nhật với kết cấu khung sử dụng cột ống thép nhồi bê tơng tiết diện trịn kết cấu khung sử dụng cột bê tông cốt thép có khả chịu lực độ cứng Các phân tích đẩy dần cho hệ kết cấu khung cho thấy ứng xử hệ kết cấu sử dụng cột ống thép nhồi bê tông tiết diện chữ nhật tác động động đất ưu việt so với kết cấu cột bê tông cốt thép truyền thống Vì vậy, kết cấu cột ống thép nhồi bê tơng tiết diện chữ nhật sử dụng phù hợp cho kết cấu có yêu cầu kháng chấn Kiến nghị Để đánh giá đầy đủ ứng xử kết cấu cột ống thép nhồi bê tông tiết diện chữ nhật tác dụng tải trọng động đất, nghiên cứu cần thực với cơng trình có quy mơ lớn hơn, với phân tích động phi tuyến có xét đến hiệu ứng P- Đồng thời, nghiên cứu thực nghiệm cần thiết để kiểm chứng kết phân tích lý thuyết mơ 59 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Văn Hội (2006), “Kết Cấu Liên Hợp Thép Bê Tông Dùng Trong Nhà Cao Tầng” [2] ASCE standard ASCE/SEI 41-13 (2006): American Society of Civil Engineers : seismic evaluation and retrofit of existing buildings [3] FEMA 356 (11-2000): Prestandard And Commentary For The Seismic Rehabilitation of Buildings [4] Phạm Văn Hội, Đinh Văn Thuật, “Giải Pháp Kết Cấu Liên Hợp Thép Bê Tông Cho Nhà Nhiều Tầng Ở Việt Nam”, Trường Đại học xây dựng [5] Chu Thị Bình (2011), “Khả Năng Chịu Tải Của Cột Thép Ống Nhồi Bê Tông”, Tạp chí kết cấu cơng nghệ xây dựng, tháng [6] TCVN 5574:2012 Kết cấu bê tông bê tông cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế [7] TVCN 5575:2012 Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế [8] Eurocode 8: Design of structure for earthquake resistance [9] TCVN 9386-2012: Thiết kế cơng trình chịu động đất [10] PGS.TS Nguyễn Lê Ninh, Động đất thiết kế cơng trình chịu động đất ... làm kết cấu bê tông cố thép kết cấu thép thông thường Khối lượng kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ so với kết cấu bê tông cốt thép việc vận chuyển lắp ráp dễ dàng Kết cấu ống thép nhồi bê tông. .. mặt ống thép nhồi bê tông tương tự kết cấu bê tông cốt thép Do hệ thống kết cấu chịu lực nên dùng ống thép nhồi bê tông cho cấu kiện chịu nén Về nguyên tắc không nên dùng kết cấu ống thép nhồi bê. .. ống thép chữ nhật nhồi bê tông tác dụng tải trọng động đất Đối tượng nghiên cứu: - Kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông Phạm vi nghiên cứu: - Ứng xử kết cấu ống thép chữ nhật nhồi bê tông chịu