(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ bê tông đến khả năng chịu cắt của sàn trong liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẶNG CÔNG ĐẠT NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG 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 ĐẶNG CÔNG ĐẠT NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA SÀN TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình dân dụng công nghiệp Mã số: 8580201 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC Đà Nẵng – Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Đặng Công Đạt NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA SÀN TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG Học viên: Đặng Công Đạt Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình DD&CN Mã số: 8580201 Khóa: 34 Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng 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, kỹ 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 bê tông nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến khả chịu cắt sàn Luận văn nghiên cứu thực nghiệm ứng xử chịu cắt sàn liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông ứng lực trước Kết thí nghiệm cho nhìn chi tiết ứng xử sàn mơ hình phá hoại Trên sở chương trình Abaqus sử dụng để khảo sát trường hợp khác cường độ bê tông, kết cho thấy với tăng cường độ bê tông khả chịu cắt sàn tăng tương ứng mức độ tăng không đáng kế Từ khóa – CFST, Cột ống thép nhồi bê tơng, liên kết, cường độ bê tông, khả chịu cắt thủng RESEARCH EFFECTS OF CONCRETE STRENGTH TO THE SHEAR STRENGTH OF THE SLAB IN THE CONCRETE FILLED STEEL TUBE TO FLAT SLAB CONNECTION Abstract - The structural system combined with flat slab (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 connection 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 concern is the punching shear strength of the flat slab and concrete which is an important factor affecting the shear resistance of the slab The thesis has studied and experimented with the shear-resistant behavior of the floor at the connection of concrete filled steel tube with pre-stressed concrete slab Experimental results for detailed view of behavior of floors and destructive models On that basis, Abaqus program is used to investigate other cases of concrete strength, the results show that with increasing concrete strength, the punching shear strength of the floor increases correspondingly but the increase is not significant Key words - CFST, Concrete filled steel tube column, Connection, Strength concrete, Punching shear strength MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KẾT QUẢ DỰ KIẾN BỐ CỤC CỦA 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 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 lực trước 1.2.3 Sàn U-boot Beton 10 1.2.4 Sàn lõi rỗng công nghệ S-VRO 12 1.3 TỔNG QUAN VỀ LIÊN KẾT GIỮA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP 13 1.3.1 Nghiên cứu Hiroki Satoh 14 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 Jin-Won Kim 18 1.3.6 Nghiên cứu Micael M.G Inácio 20 1.3.7 Nghiên cứu Thibault Clément 20 1.3.8 Nhận xét 21 1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 21 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA SÀN 22 2.1 KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA BÊ TÔNG TRÊN TIẾT DIỆN NGHIÊNG 22 2.1.1 Sự cài khóa cốt liệu 23 2.1.2 Ảnh hưởng bê tông vùng nén 24 2.1.3 Cơ chế truyền lực cắt minh họa qua mơ hình giàn ảo 25 2.2 CÁC TIÊU CHUẨN TÍNH TOÁN CƯỜNG ĐỘ CHỊU CẮT CỦA SÀN 27 2.2.1 Tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318-14 27 2.2.2 Tiêu chuẩn châu Âu Eurocode (EC2 2004) [11] 31 2.3 ẢNH HƯỞNG CỦA BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC ĐẾN KHẢ NĂNG KHÁNG CẮT CỦA SÀN 33 2.3.1 Phân tích ảnh hưởng bê tông ứng lực trước đến khả kháng cắt sàn 33 2.3.2 Công thức tính tốn khả chịu cắt sàn có xét đến ảnh hưởng ứng lực trước 33 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 35 CHƯƠNG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA SÀN BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG SỐ 36 3.1 KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM 36 3.1.1 Đề xuất mẫu thí nghiệm 36 3.1.2 Chế tạo mẫu thí nghiệm 37 3.1.3 Thiết bị thí nghiệm 39 3.1.4 Thiết lập thí nghiệm 42 3.1.5 Thí nghiệm xác định cường độ bê tông 43 3.1.6 Mơ tả kết thí nghiệm đánh giá kết đo 44 3.2 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CƯỜNG ĐỘ CỦA BÊ TÔNG BẰNG ABAQUS 48 3.2.1 Lựa chọn loại phần tử mơ hình 48 3.2.2 Mơ hình vật liệu ABAQUS 48 3.2.3 Tương tác phần tử 51 3.2.4 Xây dựng mơ hình phân tích 53 3.2.5 Gán tải trọng định nghĩa điều kiện biên 53 3.2.6 Chia lưới phần tử 54 3.2.7 Kết mô 55 3.3 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA SÀN 56 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 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 qn 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 : Chu vi tiết diện tới hạn tháp chọc thủng cách mặt cột d/2 b01 : 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 toán 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 μ : Hệ số ma sát khe nứt nghiêng Δs : Độ trượt vết nứt dg : Đường kính cốt liệu lớn ρk : Tổng thể tích cốt liệu đơn vị thể tích bê tơng DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Kết thí nghiệm nén mẫu bê tông 44 Bảng 3.2 Lựa chọn phần tử mô .48 Bảng 3.3 Thông số mơ hình phá hoại dẻo .49 Bảng 3.4 Kết tải trọng tới hạn sàn phân tích theo Abaqus 57 53 3.2.4 Xây dựng mơ hình phân tích Một mơ hình phân tích phần tử hữu hạn xây dựng để khảo sát ứng xử dự đoán chuyển vị tải trọng giới hạn bằng phần mềm Abaqus Hình 3.33 Lõi bê tơng Ống thép Sàn bê tông Tấm đỡ Tấm thép neo Shear-head Tấm đế Cáp DUL Thép 14a85 Đai C 10a100 Thép 10a100 Hình 3.33 Mơ hình phân tích ứng xử sàn liên hợp 3.2.5 Gán tải trọng định nghĩa điều kiện biên Điều kiện biên gồm điều kiện mặt đối xứng sàn chân cột Điều kiện gia tải, thực bằng phương pháp chuyển vị đặt trịn sàn Hình 3.34 54 Hình 3.34 Tải trọng điều kiện biên mơ hình sàn 3.2.6 Chia lưới phần tử Dựa nghiên cứu [Bomba] kích thước phần tử bê tông phù hợp đảm bảo độ hội tụ 30mm Do mơ hình sàn chia lưới với kích thước phần tử 30mm Hình 3.35 Hình 3.35 Mơ hình sàn sau chia lưới 55 3.2.7 Kết quả mơ Thực phân tích mơ hình, ứng xử sàn trạng thái phá hoại mô tả hình: Hình 3.36 Ứng xử sàn trạng thái phá hoại kéo Thực so sánh kết mơ với thí nghiệm ứng xử bê tơng sàn ta có kết đồ thị hình dưới: Hình 3.37 Bố trí strain gauge đo biến dạng bề mặt bê tông 56 Hình 3.38 Đồ thị so sánh biến dạng bê tơng mặt sàn Qua so sánh ta thấy biến dạng bê tông mặt sàn phát triển xu hướng tương đồng với kết thí nghiệm điều cho thấy mơ hình mơ đáng tin cậy đáp ứng cho việc sử dụng khảo sát ảnh hưởng bê tông đến khả chịu cắt thủng cho sàn 3.3 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CƯỜNG ĐỘ BÊ TÔNG ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA SÀN Chương trình thực nghiệm thực với bê tơng có cường độ f’c = 47.8MPa Để đánh giá mức độ ảnh hưởng mức bê tông khác luận văn thực khảo sát thêm với mức cường độ bê tông khác Kết phân tích thể đồ thị Bảng sau: Hình 3.39 Đường cong tải trọng – chuyển vị sàn mức cường độ khác 57 Bảng 3.4 Kết tải trọng tới hạn sàn phân tích theo Abaqus f c' (MPa) Pu (kN) Thí nghiệm C30 C35 C40 C45 47.8 30 35 40 45 1780 1641 1680 1704 1717 Nhìn vào kết đồ thị bảng ta thấy rằng, với tăng cường độ bê tông sàn khả chịu cắt thủng sàn tăng tương ứng Sự chênh lệch cường độ chịu nén C30 C45 15MPa (tăng 50% cường độ so với C30) tương ứng với chênh lệch tải trọng phá hoại 76kN (tăng 4.6% so với mẫu C30) cho thấy tăng cường độ bê tông không làm tăng đáng kể khả chịu cắt thủng sàn Do tương quan xét chịu lực tính kinh tế, để tăng khả chịu cắt thủng ta không cần sử dụng bê tơng có cường độ lớn mà cân nhắc biện pháp gia cường khác tăng mật độ cốt đai, tăng chiều dài shear-head để tăng khả chịu cắt thủng cho sàn 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương thực nội dung sau: - Tiến hành chế tạo mẫu thí nghiệm liên kết sàn phẳng bê tông ứng lực trước với cột ống thép nhồi bê tông sử dụng shear-head để làm chi tiết liên kết - Thiết lập thí nghiệm, tham số đo đo bằng cảm biến điện ghi lại kết bằng chương trình máy tính - Kết thí nghiệm giúp hiểu ứng xử sàn lúc phá hoại biến dạng bê tông vùng nén - Sử dụng Abaqus để khảo sát ảnh hưởng cường độ bê tông đến khả chịu cắt sàn Kết cho thấy với tăng cường độ bê tông làm tăng khả chịu cắt cho sàn 58 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN Luận văn thực nghiên cứu ảnh hưởng cường độ bê tông đến khả chịu cắt thủng sàn Kết nghiên cứu nhận sau: - Luận văn nghiên cứu chế chịu cắt bê tông vết nứt nghiêng lực cắt, từ trình bày mơ hình tính tốn sức kháng cắt bê tông cho sàn tìm hiểu ảnh hưởng cường độ bê tơng đến khả kháng cắt tính theo tiêu chuẩn ACI 318 EU2 cho trường hợp có khơng có ứng lực trước bê tơng - Nghiên cứu thực nghiệm liên kết cột CFST với sàn phẳng bê tơng 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 - Sử dụng Abaqus để khảo sát ảnh hưởng cường độ bê tông đến khả chịu cắt sàn Với chênh lệch cường độ chịu nén C30 C45 (tăng 50% cường độ so với C30) tương ứng với chênh lệch tải trọng phá hoại 76kN (tăng 4.6% so với mẫu C30) cho thấy tăng cường độ bê tông không làm tăng đáng kể khả chịu cắt thủng sàn Do đó, thực tế thiết kế, xét tương quan khả chịu lực tính kinh tế để tăng khả chịu cắt thủng ta khơng cần sử dụng bê tơng có cường độ cao mà cân nhắc biện pháp gia cường khác tăng mật độ cốt đai, tăng chiều dài shear-head để tăng khả chịu cắt thủng cho sàn KIẾN NGHỊ Cần nghiên cứu mơ hình tính toán khả chịu cắt thủng sàn liên kết cột CFST với sàn bê tông ứng lực nhằm áp dụng kiểu kết cấu vào thực tế thiết kế 59 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.Hiroki Satoh and Kazushi Shimazaki, “Experimental research on load resistance performance of CFT column/flat plate connection”, 13 th World Conference on Earthquake Engineering Vancouver, B.C., Canada, 2004 [2] Y Su and Y Tian, "Experimental study of RC slab-CFT column connections under seismic deformations", Challenges, Opportunities and Solutions in Structural Engineering and Construction, pp 315-320, 2010 [3] Cheol-Ho Leea, Jin-Won Kim, and Jin-Gyu Song, "Punching shear strength and post-punching behavior of CFT column to RC flat plate connections", Journal of Constructional Steel Research 64 (2008) 418–428, 2007 [4] Young K Ju, Yong Chul Kim and Jaeho Ryu, "Finite element analysis of concrete fi lled tube column to fl at plate slab joint", Journal of Constructional Steel Research 64 (2008) 418–428, 2013 [5] Jin-Won Kim, Cheol-Ho Lee and Thomas H.-K Kang, "Shearhead Reinforcement for Concrete Slab to Concrete-Filled Tube Column Connections", ACI Structural Journal, Vol 111, No 3, pp 629-638, 2014 [6] Micael M.G Inácio, André F.O Almeida, Duarte M.V Faria, Válter J.G Lúcio, António Pinho Ramos, “Punching of high strength concrete flat slabs without Shear Reinforcement”, Structural Journal, 2015 [7] Thibault Clément, António Pinho Ramos, Miguel Fernández Ruiz, Aurelio Muttoni, “Influence of prestressing on the punching strength of post-tensioned Slab”, Structural Journal, 2014 [8] KS Lê Xuân Dũng, “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, 2015 [9] Nguyễn Viết Trung, T V H., “Kết cấu ống thép nhồi bê tông, Nhà xuất xây dựng Hà Nội”, 2006 [10] ACI318 (2014), “Building code requirements for structural concrete and commentary”, 2014 [11] British Standard, “Design of concrete structures”, Eurocode 2, 2004 [12] Phan Quang Minh, Ngơ Thế Phong, 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: Đặng Công Đạt 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: Nghiên cứu ảnh hưởng cường độ bê tông đến khả chịu cắt sàn liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng Các điểm bổ sung, sửa chữa luận văn theo ý kiến đóng góp Hội đồng chấm luận văn: Nhận xét Ủy viên Phản biện – GS.TS Phan Quang Minh: Không có ý kiến chỉnh sửa nội dung luận văn Nhận xét Ủy viên Phản biện – TS Phạm Mỹ: - Lỗi đánh máy; - Sử dụng thuật ngữ xác (Vd: Sự cài khóa cốt liệu trang 23, biến dạng nén vỡ - trang 50…) Học viên kiểm tra, rà soát, chỉnh sửa nội dung nêu Đà Nẵng, ngày 12 tháng năm 2019 Học viên Đặng Công Đạt Người hướng dẫn TS Đào Ngọc Thế Lực Phòng Đào tạo ... sàn phẳng liên kết cột CFST với sàn phẳng, ảnh hưởng cường độ bê tông đến khả chịu cắt sàn; Nghiên cứu thực nghiệm đóng góp cường độ bê tông đến khả chịu cắt liên kết cột cột CFST với sàn phẳng; ... luận văn với đề tài: ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng cường độ bê tông đến khả chịu cắt sàn liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng? ?? MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu tổng quan cột CFST, sàn. .. quan kết cấu cột CFST, sàn phẳng mối liên kết cột CFST với sàn phẳng; Chương 2: Nghiên cứu ảnh hưởng cường độ bê tông đến khả chịu cắt sàn; Chương 3: Khảo sát ảnh hưởng cường độ bê tông đến khả chịu