Áp dụng tính toán khả năng nén thủng cực hạn của m- 123docz.net

Chương 3 PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT SÀN PHẲNG

3.4. Áp dụng tính toán khả năng nén thủng cực hạn của mẫu S-02-M-V theo các tiêu chuẩn TCVN 5574:2012, EC2 và ACI 318-11

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số khả năng kháng nén thủng của mẫu S-02-M-V cho thấy hệ sườn và bản thép đầu cột đóng vai trò như mũ cột (Hình 3.56 và Hình 3.61) làm tăng khả năng kháng nén thủng của liên kết đề xuất nên có thể lấy hình dạng tháp nén thủng của mẫu S-02-M-V theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012 như Hình 3.62, Tiêu chuẩn Châu Âu EC2 như Hình 3.63 và Quy phạm Hoa Kỳ ACI 318-11 như Hình 3.64.

Hình 3.61: Hình ảnh chuyển vị của mẫu S-02-M-V

Hình dạng tháp nén thủng theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5574:2012

Hình 3.62: Tháp nén thủng của mẫu S-02-M-V theo TCVN 5574:2012 – um: giá trị trung bình của chu vi đáy trên và đáy dưới tháp nén thủng hình thành khi sàn bị nén thủng, trong phạm vi chiều cao làm việc của tiết diện.

Theo Hình 3.62, um được xác định theo biểu thức:

 2 (h ) 

m o

u = D+ + −L t (3-11)

D L

45°

Với D: đường kính ngoài của cột CFT;

L: độ vươn của bản thép mũ cột;

t: bề dày bản thép mũ cột.

Hình dạng tháp nén thủng theo Tiêu chuẩn Châu Âu EC2

Hình 3.63: Tháp nén thủng của mẫu S-02-M-V theo EC2 – u1: chu vi tháp nén thủng.

Theo Hình 3.63, u1 được xác định theo biểu thức:

 

1 2 4( )

u = D+ L+ d t− (3-12)

Hình dạng tháp nén thủng theo Quy phạm Hoa Kỳ ACI 318-11

Hình 3.64: Tháp nén thủng của mẫu S-02-M-V theo ACI 318-11

D L

t h

D L

d/2

A (Mặt cắt thủng) t

θ=arctan(1/2)

= 26,60

– u: chu vi tháp nén thủng.

Theo Hình 3.64, u được xác định theo biểu thức:

 2 ( ) 

u= D+ L+ −d t (3-13)

Kết quả tính toán khả năng kháng nén thủng của liên kết đề xuất S- 02-M-V theo các tiêu chuẩn

Gọi FbS− − −02 M V là giá trị tải trọng thể hiện khả năng kháng nén thủng cực hạn của mẫu S-02-M-V.

Áp dụng các công thức (1-1), (1-6), (1-9), (3-11), (3-12) và (3-13) ta thu được kết quả tính toán như thể hiện ở Bảng 3.8 và Bảng 3.9.

Bảng 3.8: Kết quả tính toán lực kháng nén thủng cực hạn theo các tiêu chuẩn của mẫu S-02-M-V

Tiêu chuẩn

Đường kính ngoài

cột thép

(D)

Độ vươn

của bản thép

mũ đầu cột (L)

Chiều cao sàn BTCT (h)

Chiều cao Làm việc

của sàn BTCT

(h0/d)

Chu vi tháp nén

thủng (um/u)

Lực nén thủng cực

hạn mẫu S-02-M-V

S M V

Fb − − −

(mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (kN)

TCVN

5574:2012 400 125 200 166 2513.30 883.2

EC2 400 125 200 166 3926.99 686.8

ACI 318-11 400 125 200 166 2513.27 791.6

Bảng 3.9 trình bày kết quả so sánh khả năng kháng nén thủng của mẫu S-C-V và mẫu S-02-M-V từ nghiên cứu thực nghiệm và tính toán theo TCVN 5574:2012 [4], EC2 [13] và ACI 318-11 [8] với cường độ bê tông lấy từ kết quả thí nghiệm.

Bảng 3.9: Giá trị lực nén thủng mẫu S-C-V và S-02-M-V nghiên cứu thực nghiệm và tính toán theo các tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn

Giá trị lực nén thủng (kN)

Tỷ lệ Mẫu S-C-V Mẫu S-02-M-V

Cực hạn

u, ,1 S C V b

F V

− −

Thí nghiệm

Ve,1

Cực hạn

u, ,2

S M V

b d

F V

− − −

Thí nghiệm

Ve,2

e,1 , ,1 u d

V V

e,2 , ,2 u d

V V

e,2 e,1

V V

TCVN

5574:2012 624.878 827.3 883.220 1024 1.32 1.16 1.24 EC2 584.563 827.3 686.752 1024 1.42 1.49 1.24 ACI 318-11 560.049 827.3 791.588 1024 1.48 1.29 1.24

Nhận xét

− Kết quả ở Bảng 3.8 có tỷ lệ giữa lực nén thủng theo thí nghiệm của mẫu S- 02-M-V so với mẫu S-C-V là 1.24 lần cho thấy cấu tạo của liên kết đề xuất có tính hợp lý, đảm bảo khả năng chịu nén thủng cho sàn phẳng BTCT.

− Các tỷ lệ giữa lực nén thủng của thí nghiệm và lực nén thủng tính theo các tiêu chuẩn với cường độ bê tông lấy theo thực nghiệm của các mẫu S-C-V và mẫu S- 02-M-V có kết quả xấp xỉ nhau và mức độ chênh lệch lực nén thủng của nghiên cứu thực nghiệm so với lực nén thủng cực hạn của của các mẫu lên đến 49% (Bảng 3.9) điều đó chứng tỏ các tiêu chuẩn dự đoán mức tải cực hạn khá an toàn.

− Kết quả thực nghiệm và mô phỏng số chứng tỏ rằng hệ sườn và bản gối thép ở đầu cột đóng vai trò như mũ cột trong sàn phẳng BTCT giúp tăng khả năng kháng nén thủng của liên kết S-02-M-V. Kết quả này cho thấy ta có thể tính toán khả năng kháng nén thủng của liên kết S-02-M-V dựa trên các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.

3.5. Kết luận

Chương 3 giới thiệu tổng quan về phần mềm 3 chiều ABAQUS cũng như kỹ thuật và quy trình xây dựng mô hình liên kết trong mô phỏng. Các liên kết mẫu S-C- V và mẫu S-02-M-V được mô phỏng theo đúng cấu tạo và các điều kiện liên kết giống

với thực tiễn thí nghiệm. Kết quả mô phỏng được thể hiện qua các biểu đồ quan hệ giữa lực nén thủng và các đại lượng cơ học như chuyển vị và biến dạng trong bê tông và cốt thép của mẫu S-C-V và S-02-M-V. Các giá trị trong mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS cho thấy tải trọng nén thủng và giá trị của các đại lượng cơ học trong nghiên cứu thực nghiệm và phân tích số chênh lệch trong phạm vi 10%, tuy nhiên độ dốc của các đường quan hệ lực – chuyển vị hay lực – biến dạng từ phân tích số lớn hơn kết quả của ứng xử tương ứng trong thực nghiệm. Điều này chứng tỏ độ cứng chịu cắt của liên kết khi chịu nén thủng từ phân tích số lớn hơn. Hình dạng của tháp nén thủng trong mô phỏng số bằng phần mềm ABAQUS của mẫu S-C-V và mẫu S- 02-M-V tương đối giống với kết quả thực nghiệm.

Kết quả thực nghiệm và mô phỏng số cho thấy cấu tạo của hệ sườn thép và bản gối thép đầu cột đóng vai trò như mũ cột của sàn phẳng để tạo khả năng kháng nén thủng của liên kết. Tác giả đã tính toán khả năng kháng nén thủng cực hạn của liên kết đề xuất S-02-M-V theo các tiêu chuẩn khác nhau và kết quả tính toán cho thấy giá trị tính toán luôn nhỏ hơn khả năng chịu cắt thủng thực nghiệm của liên kết.

Điều này cho thấy đề xuất tính toán là phù hợp và an toàn cho liên kết đề xuất.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 1. Kết luận

− Nghiên cứu đã đề xuất một loại liên kết mới giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT có cấu tạo và đặc điểm khác với các liên kết của các tác giả đã công bố như sau:

+ Cột thép tròn có khoan lỗ để lớp cốt thép trên chịu lực của sàn phẳng xuyên qua lõi bê tông trong cột thép tạo ra sự liên tục của cốt thép chịu lực để đảm bảo sự liên tục của sàn phẳng BTCT.

+ Phía dưới của sàn phẳng BTCT ngay sát mép cột sẽ được liên kết với một bản thép. Bản thép này được hàn vào cột thép và được gia cường thêm bởi hệ sườn thép, bản thép đóng vai trò như một mũ cột nhằm tăng khả năng chịu cắt thủng cho sàn phẳng BTCT.

+ Phần dưới của cột thép được xẻ rãnh để hàn hệ sườn thép gồm 8 sườn đứng xung quanh cột. Hệ sườn thép này được chia ra 2 phần: phần nằm bên ngoài cột thép có tác dụng đỡ bản thép đầu cột và nhận tải trọng truyền từ sàn vào bản thép đầu cột và truyền vào cột thép và lõi bê tông trong cột. Phần nằm bên trong cột thép và lõi bê tông cột được khoét lỗ tròn có tác dụng như những chốt ảo khi liên kết với lõi bê tông nằm trong cột thép. Với sự liên tục của cốt thép chịu lực của sàn phẳng, cấu tạo của hệ sườn thép và bản thép đầu cột làm tăng tính toàn khối của liên kết nên liên kết có thể tiếp nhận được tải trọng đứng từ sàn và tải trọng ngang tại đầu cột.

− Nghiên cứu đã thiết kế quy trình và thực hiện thí nghiệm khả năng kháng nén thủng của liên kết đề xuất. Việc mô phỏng số mô hình thí nghiệm bằng phần mềm chuyên dụng ABAQUS cũng được thực hiện để so sánh kết quả giữa mô phỏng số và thực nghiệm. Qua kết quả nghiên cứu khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng – cột BTCT toàn khối S-C-V và liên kết mới được đề xuất S-02-M-V, có thể đưa ra một số kết luận sau:

+ Sự làm việc chịu cắt của liên kết có sự tương đồng so với kết quả nghiên cứu đã được công bố của các nhà khoa học trước đó.

+ Quá trình gia tải ngang tạo chuyển vị cho đỉnh cột đến giá trị 17 mm ứng với độ lệch 1/140 không ảnh hưởng đến khả năng chịu nén thủng của liên kết mới đề xuất.

+ Bản thép đầu cột đóng vai như mũ cột làm cho chu vi đáy dưới của tháp nén thủng thép được mở rộng làm tăng khả năng nén thủng của liên kết.

+ Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho thấy giá trị lực kháng nén thủng của liên kết mới đề xuất (P = 1024.00 kN) lớn hơn khoảng 24% so với giá trị lực kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng – cột BTCT toàn khối (P = 827.3 kN) có cùng tiết diện, hàm lượng cốt thép chịu lực và cường độ bê tông sàn. Điều này chứng tỏ liên kết đề xuất đã được thiết kế đảm bảo khả năng chịu lực.

+ Kết quả mô phỏng số cho kết quả lực phá hoại mẫu do nén thủng gần với kết quả thực nghiệm nhưng độ dốc ở phần đầu của các đường quan hệ lực – chuyển vị hay lực – biến dạng từ phân tích số lớn hơn kết quả của ứng xử tương ứng trong thực nghiệm. Như vậy độ cứng chống cắt của liên kết khi chịu nén thủng từ phân tích số lớn hơn so với thực nghiệm. Ta cũng có thể nhận thấy điều vừa nêu ở

các nghiên cứu tương tự khác khi mô phỏng cấu kiện bê tông cốt thép chịu cắt.

+ Kết quả trong mô phỏng số cho ra kết quả lực gây thủng, chuyển vị và biến dạng chênh lệch so với kết quả nghiên cứu thực nghiệm khoảng dưới 10%.

Điều này chứng tỏ có thể sử dụng mô hình số như một công cụ dự đoán khả năng làm việc của liên kết sàn phẳng – cột BTCT và một số dạng liên kết khác của sàn phẳng – cột CFT.

+ Dựa vào quy định của các tiêu chuẩn TCVN 5574:2012, EC2, ACI 318-11, tác giả đã tính toán khả năng kháng nén thủng cực hạn cho liên kết mới đề xuất S-02-M-V. Kết quả tính toán cho thấy giá trị lực nén thủng cực hạn theo các tiêu chuẩn đều nhỏ hơn khả năng chịu cắt thủng thực nghiệm của liên kết. Điều này cho thấy đề xuất tính toán là phù hợp và an toàn cho liên kết mới đề xuất S-02-M-V.

2. Hướng phát triển

− Kết quả nghiên cứu của đề tài này có thể được phát triển để đề xuất chi tiết liên kết giữa sàn phẳng BTCT với cột biên và cột góc CFT.

− Dựa trên kết quả của luận án, có thể đề xuất thêm một số loại liên kết sàn phẳng BTCT– cột CFT có ưu điểm hơn tạo sự tối ưu trong giải pháp kết cấu cột CFT và sàn phẳng BTCT.

− Việc mô phỏng cấu kiện chịu cắt, đặc biệt là ứng xử chịu cắt thủng, trong các phần mềm PTHH tương đối phức tạp và chưa thật chính xác cho giai đoạn trước khi phá hoại do mô hình vật liệu bê tông vẫn chưa được hoàn thiện cho việc mô phỏng ứng xử cắt. Cần nghiên cứu sử dụng thêm một số mô hình vật liệu khác của các phần mềm khác nhau, hoặc phát triển thêm mô hình vật liệu phù hợp để việc mô phỏng ứng xử chịu cắt đạt kết quả chính xác hơn.

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC

1. Đinh Thị Như Thảo, Lưu Thanh Bình, Trần Duy Phương, Nguyễn Tấn Phát, Đoàn Ngọc Tịnh Nghiêm, Trương Hoài Chính, Ngô Hữu Cường (2017), Phân tích phi tuyến cấu kiện ống thép nhồi bê tông chịu tải trọng cơ và nhiệt, Tạp chí Xây dựng, ISSN 0866-8762, Số 10/2017, Trang 96- 101.

2. Đinh Thị Như Thảo, Lưu Thanh Bình, Trần Duy Phương, Nguyễn Văn Hiệp, Trương Hoài Chính, Ngô Hữu Cường (2018), Phân tích bậc hai phi đàn hồi cột ống thép nhồi bê tông, Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, ISSN 1859-2996, Số 12(02), Trang 18-23.

3. Đinh Thị Như Thảo, Lưu Thanh Bình, Trương Hoài Chính, Hồ Hữu Chỉnh, Ngô Hữu Cường (2018), So sánh việc tính toán nén thủng của liên kết sàn phẳng – cột tròn giữa bê tông cốt thép theo các Tiêu chuẩn Việt Nam, Châu Âu và Hoa Kỳ, Tạp chí Xây dựng, ISSN 0866-8762, Số 10/2018, Trang 191-194.

4. Đinh Thị Như Thảo, Lưu Thanh Bình, Lê Minh Hoàng, Trương Hoài Chính, Nguyễn Văn Hiệp, Ngô Hữu Cường (2019), Khảo sát thực nghiệm và mô phỏng số ứng xử chịu cắt thủng của liên kết sàn phẳng – cột tròn giữa bê tông cốt thép, Tạp chí Xây dựng, ISSN 0866-8762, Số 01/2019, Trang 145-150.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Tiếng Việt

[1] Đào Ngọc Thế Lực, Trương Hoài Chính, Trương Quang Hải, Nguyễn Thành Nhân, Mô phỏng liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép bằng ABAQUS, Tạp chí Xây dựng, Số 5/2017, Trang 180-182, 2017.

[2] Nguyễn Quốc Nhật, Nghiên cứu liên kết cột biên ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép, Luận văn cao học, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng, 2018.

[3] Nguyễn Thành Nhân, Mô phỏng ứng xử liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép, Luận văn cao học, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng, 2017.

[4] TCVN 5574:2012, Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép − Tiêu chuẩn thiết kế, 2012.

[5] Trần Phan Nhật, Nghiên cứu liên kết cột giữa cột góc ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép, Luận văn cao học, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng, 2018.

[6] Trần Thế Truyền, Nguyễn Xuân Huy, Phá Hủy, Rạn Nứt Bê Tông Cơ Học và Ứng Dụng. Nhà xuất bản Xây dựng, 2011.

2. Tiếng Anh

[7] ABAQUS, Analysis Theory Manual, USA, 2013.

[8] ACI 318-11, Building Code Requirements for Structural Concrete, American Concrete Institute, 2011.

[9] AIJ-RC, AIJ Standard for Structural Calculation of Reinforced Concrete Structures − Based on Allowable Stress Concept, Architectural Institute of Japan, 1999.

[10] CEB-FIB (Fédération Internationale du Béton), Punching of Structural Concrete Slabs, Technical Report, International Federation for Structural Concrete, 2001.

[11] Corley W.G., Hawkins N.M., Shearhead reinforcement for slabs, ACI Journal Proceedings, Vol. 65, Issue 10, pp. 811-824, 1968.

[12] Cornelissen H., Hordijk D., Reinhardt H., Experimental determination of crack softening characteristics of normal weight and light weight concrete, Heron, Vol. 31, No. 2, 1986.

[13] EC2, Design of concrete structures, De Normalisation, Comité Européen, 2004.

[14] Elgabry A.A., Ghali A., Design of stud-shear reinforcement for slabs, ACI Structural Journal, Vol. 87, Issue 3, pp. 350-361, 1990.

[15] Erberik M.A., Elnashai A.S., Seismic vulnerability of flat-slab structures, Technical Report, Mid-America Earthquake Center, University of Illinois at Urbana-Champaign, 2003.

[16] Gardner N., Huh J., Chung L., Lessons from the Sampoong department store collapse, Cement and Concrete Composites, Vol. 24, Issue 6, pp. 523-529, 2002.

[17] Han L.H., Li W., Bjorhovde R., Developments and advanced applications of concrete-filled steel tubular (CFST) structures: Members, Journal of Constructional Steel Research, Vol. 100, pp. 211-228, 2014.

[18] Hibbitt, Karlsson, Sorensen, ABAQUS/Standard User's Manual, 2011.

[19] Hordijk D.A., Tensile and tensile fatigue behaviour of concrete: Experiments, modelling and analyses, Heron, Vol. 37, No. 1, 1992.

[20] Islam R.M., Numerical Modelling of Slab-Column Joint of RC Flat Plates, M.Sc. thesis, Bangladesh University of Engineering and Technology, Bangladesh, 2014.

[21] Ju Y.K., Kim Y.C., Ryu J., Finite element analysis of concrete filled tube column to flat plate slab joint, Journal of Constructional Steel Research, Vol.

90, pp. 297-307, 2013.

[22] Kamali Z.A., Shear Strength of Reinforced Concrete Beams subjected to Blast Loading − Non-linear Dynamic Analysis, M.Sc. thesis, KTH Royal Institute of Technology, 2012.

[23] Kim J.-W., Lee C.-H., Kang T.H.-K., Shearhead reinforcement for concrete slab to concrete-filled tube column connections, ACI Structural Journal, Vol. 111, Issue 3, pp. 629-638, 2014.

[24] King S., Delatte N.J., Collapse of 2000 Commonwealth Avenue: Punching shear case study, Journal of Performance of Constructed Facilities, Vol. 18, Issue 1, pp. 54-61, 2004.

[25] Kinnunen S., Nylander H., Punching of concrete slabs without shear reinforcement, Transactions of the Royal Institute of Technology − No. 158, Stockholm, Sweden, 1960.

[26] Krọtzig W.B., Pửlling R., An elasto-plastic damage model for reinforced concrete with minimum number of material parameters, Computers &

structures, Vol. 82, No. 15, pp. 1201-1215, 2008.

[27] Lee J., Fenves G.L., Plastic-damage model for cyclic loading of concrete structures, Journal of Engineering Mechanics, Vol. 124, No. 8, pp. 892-900, 1998.

[28] Lips S., Ruiz M.F., Muttoni A., Experimental investigation on punching strength and deformation capacity of shear-reinforced slabs. ACI Structural Journal, Vol. 109, No. 6, pp. 889-900, 2012.

[29] Liu G.-R., The Finite Element Method: A Practical Course, Butterworth- Heinemann, 2013.

[30] Lubliner J., Oliver J., Oller S., Onate E., A plastic-damage model for concrete, International Journal of Solids and Structures, Vol. 25, No. 3, pp. 299-326, 1989.

[31] MC90, Comite Euro-International du Beton, CEB-FIP Model Code 1990, Bulletin D’Information, 1993.

[32] Menétrey P., Synthesis of punching failure in reinforced concrete, Cement and Concrete Composites 24(6) (2002) 497-507.

[33] Mokhtar A.S., Ghali A., Dilger W., Stud shear reinforcement for flat concrete plates, Journal Proceedings − American Concrete Institute, Vol. 82, Issue 5, pp.

676-683, 1985.

[34] Morino S., Tsuda K., Design and construction of concrete-filled steel tube column system in Japan, Earthquake Engineering and Engineering Seismology, Vol. 4, No. 1, pp. 51-73, 2003.

[35] Nguyen-Minh L., Rovňák M., Tran-Quoc T., Punching shear capacity of interior SFRC slab-column connections, Journal of Structural Engineering, Vol. 138, Issue 5, pp. 613-624, 2012.

[36] Pilakoutas K., Li X., Alternative shear reinforcement for reinforced concrete flat slabs, Journal of Structural Engineering, Vol. 129, Issue 9, pp.1164-1172, 2003.