Mô phỏng ứng xử liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ VĂN NHƯỢNG MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KĨ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CƠNG NGHIỆP Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ VĂN NHƯỢNG MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC Chuyên ngành: Kĩ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Mã số: 8580201 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC Đà Nẵng – Năm 2019 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nghiên cứu lớp cao học K34.XDD, Khoa xây dựng dân dụng công nghiệp, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng, giảng dạy các thầy giáo khoa, giúp đỡ tận tình Ban chủ nhiệm Khoa các thầy cô Khoa, cố vấn hướng dẫn nhiệt tình Thầy giáo hướng dẫn khoa học, cộng với nỗ lực thân, tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp cao học với đề tài: “Mô ứng xử liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước” Tôi xin chân thành cảm ơn các cấp lãnh đạo Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng, Khoa xây dựng dân dụng công nghiệp các thầy cô giáo tập thể cán công nhân viên trường tạo điều kiện thuận lợi cho tơi quá trình học tập, nghiên cứu trường Tôi đặc biệt cảm ơn thầy giáo TS Đào Ngọc Thế Lực – Người có cơng lớn việc hướng dẫn khoa học, tận tình bảo tơi giúp tơi hồn thành tốt luận văn Tác giả luận văn HỒ VĂN NHƯỢNG LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bớ cơng trình khác Tác giả luận văn HỒ VĂN NHƯỢNG MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC Học viên: HỒ VĂN NHƯỢNG Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình DD& CN Mã số: 8580201 Khóa: K34 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Trong các cơng trình nhà cao tầng, kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) ngày sử dụng rộng rãi ưu điểm vượt trội so với cột bê tơng cốt thép (BTCT) truyền thống Do đó, kết hợp cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước hay sàn phẳng BTCT tạo các hệ kết cấu có tính ứng dụng cao cho nhà cao tầng Trong trường hợp nhà có nhịp khung lớn mà kết cấu sàn phẳng không đáp ứng độ cứng ngang cho cơng trình giải pháp sàn có dầm bẹt xem hiệu (tăng độ cứng ngang hạn chế tăng chiều cao tầng so với dầm cao) Tuy nhiên, việc liên kết cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước khá phức tạp, các nghiên cứu liên kết dừng lại việc đề xuất liên kết tiến hành thí nghiệm đánh giá độ tin cậy liên kết Luận văn trình bày quá trình mơ liên kết cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước sử dụng phần mềm ABAQUS Kết mô so sánh với kết thí nghiệm với mục đích kiểm chứng xác việc mơ liên kết sử dụng ABAQUS Từ khóa – Cột ống thép nhồi bê tông; CFST; dầm bẹt BTCT; dầm bê tông ứng lực trước; liên kết; mô ABAQUS MODELING CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMN WITH REINFORCED CONCRETE BAND BEAM CONNECTIONS USING ABAQUS SOFTWARE Abstract - In the high rise buildings, concrete filled steel tube (CFST) column structure are more widely used due to the advantages compared to the traditional reinforced concrete column Therefore, the combination of CFST column with prestressed concrete beam or reinforced concrete plate slab will create highly effective structural systems for high rise buildings In cases where the buildings have a large frame span but the plate slab structure does not provide enough horizontal stiffness for the building, the band beam solution is considered effective (increasing the horizontal stiffness and reducing the height of the floor compared to the beam high) However, the connection between the CFST column and the prestressed concrete beams is quite complex, most of current studies only foccus on proposing connection and carrying out the test This thesis presents the simulation of CFST column and prestressed concrete beam connecction using ABAQUS software The simulation results are then compared with the results of the experiment with the aim of verifying the accuracy of the simulation using ABAQUS Keywords – Concrete filled steel tube column; CFST; prestressed concrete beam; connection; simulation; ABAQUS MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH 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 CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG, DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC, LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI HỆ DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC 1.1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFST 1.1.1 Cấu tạo cột CFST 1.1.2 Đặc điểm chịu lực cột CFST 1.1.3 Ưu điểm, nhược điểm cột ống thép nhồi bê tông 1.1.4 Các lĩnh vực áp dụng cột CFST 1.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC 10 1.2.1 Kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước 10 1.2.2 Cần thiết sử dụng bê tông ứng lực trước 10 1.2.3 Nguyên lý làm việc 11 1.2.4 Bê tông ứng lực trước căng trước 12 1.2.5 Bê tông ứng lực trước căng sau 13 1.3 LIÊN KẾT CỘT CFST VỚI DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP 13 1.3.1 Nghiên cứu Nie (2008) [1] Bai (2008) [2] 14 1.3.2 Nghiên cứu Qing Jun Chen (2015) [3] 15 1.3.3 Nghiên cứu H.Y Yu (2013)[5] 16 1.4 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ MÔ PHỎNG LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI DẦM BT ƯLT 18 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 18 CHƯƠNG - MÔ PHỎNG LIÊN KẾT GIỮA CỘT THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC BẰNG PHẦN MỀM ABAQUS 19 2.1 MÔ TẢ LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI DẦM BT ƯLT 19 2.2 MÔ PHỎNG LIÊN KẾT BẰNG ABAQUS 20 2.2.1 Giới thiệu phần mềm ABAQUS 20 2.2.2 Xây dựng mơ hình hình học cho liên kết 21 2.2.3 Mơ hình vật liệu ABAQUS 21 2.2.4 Tương tác các phần tử 27 2.3 CÁC BƯỚC MƠ HÌNH HĨA TRÊN PHẦN MỀM ABAQUS 29 2.3.1 Xây dựng cấu kiện: Từ module chọn Part 29 2.3.2 Khai báo đặc trưng vật liệu: Từ module chọn Property 33 2.3.3 Lắp ghép cấu kiện: Từ module chọn Assembly 39 2.3.4 Các bước phân tích: Từ module chọn Step 41 2.3.5 Tương tác các cấu kiện: Từ module chọn Interaction 42 2.3.6 Định nghĩa tải trọng điều kiện biên: Từ module chọn Load 48 2.3.7 Chia lưới cho cấu kiện mơ hình: Từ module chọn Mesh 51 2.3.8 Cơng tác phân tích: Từ module chọn Job 54 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 54 CHƯƠNG - PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 55 3.1 MƠ TẢ THÍ NGHIỆM 55 3.1.1 Chế tạo mẫu thí nghiệm 55 3.1.2 Tiến hành đổ bê tông mẫu: 56 3.1.3 Thí nghiệm xác định cường độ vật liệu: 57 3.1.4 Thiết bị thí nghiệm 59 3.1.5 Thiết lập, bố trí thi nghiệm 60 3.2 SO SÁNH KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM 63 3.2.1 So sánh đường cong tải trọng- chuyển vị đầu dầm 63 3.2.2 So sánh ứng xử dầm làm việc 63 3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CFST : Ống thép nhồi bê tông BTCT : Bê tông cốt thép BT ƯLT : Bê tông ứng lực trước PPPTHH : Phương pháp phần tử hữu hạn PTVPTP : Phương trình vi phân phần f'c : Cường độ chịu nén bê tông fy : Cường độ chịu kéo cốt thép Ec : Môđun đàn hồi bê tông Es : Môđun đàn hồi cốt thép d : chiều cao làm việc dầm b : Bề rộng dầm a : Chiều cao vùng nén bê tông tw : Chiều dày thép hw : Chiều cao thép S : Mô men tĩnh tiết diện chữ nhật thép Ix : Mơ men quán tính trục x tiết diện chữ nhật thép DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Lựa chọn phần tử mô 21 Bảng 2.2 Thơng số mơ hình phá hoại dẻo 23 Bảng 2.3 Tương tác các cấu kiện mơ hình 29 Bảng 3.1 Kết thí nghiệm bê tơng 58 Bảng 3.2 Kết thí nghiệm cốt thép 58 Bảng 3.3 So sánh ứng xử mơ hình thí nghiệm với mơ hình ABAQUS .64 62 sức nâng 2500kN đặt chân cột Cảm biến đo áp lực dầu xác định lực tác dụng kích, các LVDT đo chuyển vị đầu cột bố trí Hình 3.13 Tải trọng đặt hai đầu dầm theo quy trình nén tĩnh Tải trọng gia tải Tấn với cấp tải đầu trước xuất vết nứt Sau xuất vết nứt, cấp tải giảm nhằm đạt kết xác Cấp gia tải lúc 1Tấn Sau cấp tải, đợi chuyển vị biến dạng đạt ổn định tiến hành gia tải cấp tiếp theo Hình 3.14 Mẫu thí nghiệm phá hoại Trên Hình 3.15 đồ thị quan hệ tải trọng chuyển vị dầm thí nghiệm, cho thấy từ cấp tải P =840kN tải trọng tăng chậm biến dạng phát triển nhanh, điều phù hợp với quan sát từ mơ hình các vết nứt thẳng góc cạnh cột phát triển nhanh hơn, chuyển vị đứng cột tăng nhanh các vết nứt cắt không phát triển Mẫu dầm bị phá hoại Hình 3.14 840 kN P Hình 3.15 Đờ thị tải trọng – chuyển vị 63 1.7.1 So sánh đường cong tải trọng- chuyển vị tại đầu dầm Mối quan hệ tải trọng chuyển vị yếu tố quan trọng để đánh giá độ cứng kết cấu Tiến hành so sánh đường cong mô bằng ABAQUS với đường cong thí nghiệm, kết thể Hình 3.16 840 kN 800 kN Hình 3.16 Đường cong quan hệ tải trọng- chuyển vị đầu dầm Từ hình Hình 3.16 nhận thấy đồ thị mối quan hệ tải trọng – biến dạng từ kết mô có xu hướng phát triển phù hợp với ứng xử mẫu thí nghiệm mặt dù chúng có chênh lệch, diễn biến giai đoạn phá hoại mẫu lại khá tương đồng Điều khẳng định độ tin cậy quy trình mơ hình mơ phỏng, hợp lý mơ hình vật liệu sử dụng cho mô bằng phần mềm ABAQUS 1.7.2 So sánh ứng xử của dầm làm việc Quan sát ứng xử dầm qua các cấp tải, so sánh với ứng xử dầm theo thí nghiệm, ta thấy: - Tại cấp tải P = 250 kN, dầm làm việc bình thường, chưa có tượng nứt - Vết nứt bắt đầu xuất cấp tải P = 300 kN vị trí mép cột, với bề rộng vết nứt lớn 45.75 mm Vết nứt thể Hình 3.17 64 Hình 3.17 Vết nứt xuất ở cấp tải 300 kN Với bề rộng vết nứt chưa thể quan sát bằng mắt thường nên thí nghiệm chưa quan sát thấy vết nứt dầm cấp tải 300 kN Từ cấp tải P=400kN, Trạng thái ứng xử dầm thể qua cấp tải trọng ứng với kết thí nghiệm so sánh qua Bảng 3.3 Bảng 3.3 So sánh ứng xử mơ hình thí nghiệm với mơ hình ABAQUS Cấp tải Mơ hình ABAQUS Mơ hình thí nghiệm Vết nứt 400 kN Vết nứt 450 kN Vết nứt 500 kN 65 550 kN 600 kN 650 kN 700 kN 750 kN 800 kN Quan sát trạng thái ứng xử bề mặt kết cấu, hình thành phát triển vết nứt qua các cấp tải trọng phản ánh, nhận thấy mơ hình mơ phù hợp với ứng xử thí nghiệm Tại vị trí cấp tải P = 400kN, vết nứt bắt đầu xuất mép cột, nhiên bề rộng vết nứt quá nhỏ nên khơng thể quan sát bằng mắt thường được, thế đến cấp tải P = 450kN quan sát thấy vết nứt, điều hoàn toàn phù hợp với kết thí nghiệm Tiếp tục tăng tải trọng nhiều vết nứt hình thành, với vị trí xuất vết nứt phát triển vết nứt mơ hình ABAQUS mơ hình thí nghiệm khá tương 66 đồng Điều minh chứng thêm hợp lý quy trình mơ hình mơ mơ hình vật liệu sử dụng cho mô bằng phần mềm ABAQUS Trong chương thực nội dung sau: So sánh kết mơ hình mơ với mơ hình thí nghiệm Đường cong quan hệ tải trọng- chuyển vị đầu dầm mô đường cong thực nghiệm khá phù hợp Ngoài ra, so sánh ứng xử dầm làm việc cho thấy phù hợp mô thực nghiệm cấp tải xảy vết nứt, vị trí nứt, phát triển vết nứt qua các cấp tải, điều khẳng định độ tin cậy mơ hình mơ bằng ABAQUS 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn hoàn thành các mục tiêu đề là: Tổng quan cột CFST, dầm bẹt BTCT, liên kết cột CFST với dầm BTCT, tổng quan mơ liên kết Mơ tả quá trình thí nghiệm chi tiết cấu tạo cột CFST với dầm bê tơng ứng lực trước Đề xuất quy trình mô liên kết cột CFST với dầm BT ứng lực trước bằng phần mềm ABAQUS đồng thời trình bày các bước thực chi tiết mô Đề xuất giải pháp tạo ứng lực trước cáp bằng phần mềm mô ABAQUS Đối chiếu kết mô bằng phần mềm ABAQUS tương đồng với thí nghiệm chuyển vị, ứng xử vết nứt từ đánh giá đủ độ tin cậy để sử dụng cho các liên kết tương tự Kiến nghị Cần thực các phân tích chi tiết để đánh giá mơ hình phá hoại dầm ứng lực trước 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 cột CFST với dầm ứng lực trước Cần nghiên cứu liên kết cho cột biên, cột góc 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bai, Y., Nie, J and Cai, a C S., “New Connection System for Confined Concrete Columns and Beams II: Theoretical Modeling”, J Struct Eng, 2008 [2] Nie, J., Bai, Y and Cai, a C S., “New Connection System for Confined Concrete Columns and Beams I: Experimental Study”, J Struct Eng, 2008 [3] Chen, Q., Cai, J., Bradford, M A., Dist.M.ASCE, Liu, X and Wu, a Y , “Axial Compressive Behavior of Through-Beam Connections between Concrete-Filled Steel Tubular Columns and Reinforced Concrete Beams”, J Struct Eng, 2015 [4] Chen, Q J., Cai, J., Bradford, M A., Liu, X and Zuo, Z.-L., “Seismic behaviour of a through-beam connection between concrete-filled steel tubular columns and reinforced concrete beams”, Engineering Structures 80, 2014 [5] H.Y Yu, Zhou, Y., Qu, G., Zhang, L., Chen, Y and Hu, K , “Experimental Study on Large-Scale Joints of Ring Beams and RC-CFSTL Columns for Tall Buildings”, 5th International Conference on Advances in Experimental Structural Engineering, 2013 [6] KS Lê Xuân Dũng (2015) Nghiên cứu thực nghiệm khả chịu lực cột ống [1] thép nhồi bê tông Báo cáo tổng kết đề tài khoa học công nghệ cấp sở, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng [7] Nguyễn Viết Trung, T V H (2006), Kết cấu ống thép nhồi bê tông, Nhà xuất xây dựng Hà Nội - 2006 [8] 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 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BÁO CÁO Về việc bổ sung, sửa chữa luận văn Họ tên học viên: Hồ Văn Nhượng Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp Khóa: K34 Ngày bảo vệ luận văn: ngày 20 tháng năm 2019 Tên đề tài luận văn: Mô ứng xử liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước Các điểm bổ sung, sửa chữa luận văn theo ý kiến đóng góp Hội đồng chấm luận văn: Nhận xét Ủy viên Phản biện - PGS.TS Phạm Thanh Tùng: - Thiếu trích dẫn tài liệu tham khảo; Nhiều hình vẽ khơng có tên (trang 65) để tên bằng tiếng Anh - Phần mơ mơ hình khơng đề cập rõ, đặt biệt cáp bê tông - Phần mô tả tạo ứng lực trước thí nghiệm chưa đề cập Tác dụng ứng lực trước chưa nêu + Học viên kiểm tra, rà sốt, chỉnh sửa, thích ký hiệu theo nội dung nêu Nhận xét Ủy viên Phản biện – PGS.TS Trần Quang Hưng: - Việc mô FEM sử dụng ứng xử thép cốt thép lý tưởng liệu có hợp lý không, không sử dụng ứng xử thực chúng thơng qua thí nghiệm - Kết theo biểu đồ 3.16 trang 63 có sai lệch quá lớn mơ hình thực nghiệm, ví dự chuyển vị 10mm tải trọng theo thí nghiệm 430 kN theo mô 620 kN Như khổng thể kết luận rằng mô cho kết phù hợp thực nghiệm - Trình bày cịn số lỗi tả Chương khơng nên trình bày quá chi tiết việc mơ ABAQUS + Học viên kiểm tra, rà soát, chỉnh sửa nội dung nêu Đà Nẵng, ngày tháng năm 2019 Học viên Hồ Văn Nhượng Người hướng dẫn TS Đào Ngọc Thế Lực Phòng Đào tạo ... VỀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG, DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC, LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI HỆ DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC 1.1.1 Cấu tạo cột CFST Hệ thống kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê. .. QUAN VỀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG, DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC, LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI HỆ DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC 1.1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFST 1.1.1 Cấu tạo cột CFST... cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước chưa hiểu rõ cần có nhiều nghiên cứu để phân tích loại liên kết Việc liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước