Mô phỏng ứng xử liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THÀNH NHÂN

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT CỘT ỐNG
THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG
BÊ TÔNG CỐT THÉP

Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp
Mã số
: 60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG
VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐÀO NGỌC THẾ LỰC

Phản biện 1: PGS. TS. Phạm Thanh Tùng

Phản biện 2: TS. Lê Anh Tuấn

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công

nghiệp họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 07 tháng 07
năm 2017.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học
Bách khoa
 Thư viện khoa Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và
Công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, các công trình nhà cao tầng được sử dụng nhiều ở
Việt Nam. Việc sử dụng hệ kết cấu hợp lý sẽ đem lại hiệu quả cao về
mặt kết cấu cũng như khả năng khai thác cho công trình.
Với nhà cao tầng, việc giảm chiều cao nhà sẽ giảm đáng kể tác
động của tải trọng ngang cho công trình. Kết cấu sàn phẳng bê tông
cốt thép (BTCT) được xem là hiệu quả cho việc giảm chiều cao tầng
nhưng vẫn đảm bảo khoảng thông thủy sử dụng. Ngoài ra, việc sử
dụng kết cấu sàn phẳng BTCT sẽ thuận lợi cho việc thi công, rút
ngắn thời gian xây dựng, thuận lợi cho việc bố trí đường ống thiết bị
kỹ thuật, dễ dàng thông gió và linh hoạt bố trí mặt bằng. Do đó sử
dụng hệ kết cấu sàn phẳng BTCT là hợp lý cho nhà cao tầng.
Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) được sử dụng phổ biến
trong kết cấu nhà cửa ở nhiều nước trên thế giới và tiến đến thay thế cho
cột bê tông cốt thép truyền thống vì những tính năng vượt trội về mặt kỹ
thuật như có độ cứng lớn, cường độ cao, độ dẻo, khả năng phân tán năng
lượng tốt và độ chống cháy cao. Về mặt công nghệ cột ống thép nhồi bê
tông dễ thi công, không cần hệ thống coffa nên rút ngăn được thời gian

thi công xây dựng công trình, đặc biệt loại cột này sẽ phát huy hiệu quả
trong thi công tầng hầm bằng phương pháp top – down. Do đó kết cấu
cột ống thép nhồi bê tông là giải pháp thích hợp cho việc thay thế cột bê
tông cốt thép truyền thống trong kết cấu nhà cao tầng.
Từ phân tích trên xét thấy việc kết hợp hai loại kết cấu sàn
phẳng BTCT và cột ống thép nhồi bê tông cho kết cấu nhà cao tầng
sẽ đem lại hiệu quả cao về mặt kinh tế, kỹ thuật. Tuy nhiên vấn đề
lớn nhất khi kết hợp hai loại kết cấu này đấy là liên kết giữa chúng,


2
hiện nay các nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc đề xuất liên kết và tiến
hành thí nghiệm đánh giá độ tin cậy của liên kết chứ chưa có những
mô phỏng và phân tích cụ thể về ứng xử của liên kết (trạng thái ứng
suất và cơ chế phá hoại), mức độ ảnh hưởng các chi tiết cấu tạo đến
sự làm việc của liên kết. Do đó việc mô phỏng liên kết giữa sàn
phẳng BTCT và cột ống thép nhồi bê tông là cần thiết nhằm cung cấp
một cơ sở lý luận chi tiết về ứng xử của liên kết giúp người thiết kế
hiểu rõ bản chất làm việc để cấu tạo chi tiết liên kết hợp lý và đó là lý
do để thực hiện luận văn với đề tài “Mô phỏng ứng xử liên kết cột
ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép”
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu tổng quan về cột CFST và sàn phẳng BTCT, liên kết
giữa CFST với sàn phẳng BTCT;
Nghiên cứu mô phỏng liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng
BTCT bằng phần mềm ABAQUS;
So sánh kết quả mô phỏng bằng ABAQUS với thí nghiệm;
Khảo sát sự ảnh hưởng của tấm thép chịu cắt đến sự làm việc
của kết cấu.
3. ối tƣ ng ph m vi nghiên cứu

ối tượng nghiên cứu Cột CFST và sàn phẳng BTCT.
hạm vi nghiên cứu

ô phỏng liên kết giữa cột CFST và sàn

phẳng BTCT.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông, sàn
phẳng BTCT;
Nghiên cứu mô phỏng sử dụng phần mềm ABAQUS.


3
5. Kết quả dự kiến
Tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông, sàn phẳng bê tông cốt
thép, liên kết giữa cột CFST với sàn phẳng BTCT;
Tổng quan về mô phỏng liên kết giữa cột CFST với sàn phẳng
BTCT bằng ABAQUS;
hân tích, đánh giá kết quả mô phỏng ABAQUS với thí
nghiệm;
ánh giá khả năng ảnh hưởng tấm thép chịu cắt đến sự làm việc
của kết cấu.
6. Bố cục đề bài
Mở đầu
1. Tính cấp thiết của đề tài
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
3. ối tượng và phạm vi nghiên cứu
4. hương pháp nghiên cứu
Chƣơng 1: Tổng quan về kết cấu cột CFST, sàn phẳng BTCT
và liên kết giữa cột CFST với sàn phẳng BTCT.

Chƣơng 2: Mô phỏng sự làm việc của liên kết bằng ABAQUS.
Chƣơng 3: hân tích, đánh giá kết quả mô phỏng.


4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CỘT CFST, SÀN PHẲNG BTCT VÀ LIÊN KẾT
GIỮA CỘT CFST VỚI SÀN PHẲNG BTCT
1.1. TỔNG QUAN VỀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
1.1.1. Khái niệm về cột ống thép nhồi bê tông
Cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube viết
tắt CFST) là một kết cấu liên hợp bao gồm vỏ ống thép và lõi bê
tông cùng làm việc chung với nhau.
1.1.2. Phân lo i cột ống thép nhồi bê tông
Dạng tiết diện phổ biến nhất của cột CFST là tiết diện mà bê
tông được nhồi vào phần rỗng bên trong ống thép có dạng hình tròn
(Circular Hollow Section - CHS), hay cột có tiết diện rỗng hình
vuông (Square Hollow Section - SHS) hoặc cột có tiết diện rỗng hình
chữ nhật (Rectangular Hollow Section - RHS)
1.1.3. Ƣu điểm,nhƣ c điểm của cột ống thép nhồi bê tông
a) Ưu điểm
ộ bền của lõi bê tông (lớp vỏ thép với chức năng như lớp áo
bọc chặt bên ngoài) đã được tăng khoảng 2 lần so với độ bền của bê
tông thường [1].
Cách sắp xếp vật liệu trên trên mặt cắt ngang làm tối ưu cường
độ và độ cứng của cấu kiện. Cốt thép được phân bố ở chu vi ngoài
cùng của tiết diện nên phát huy hiệu quả làm việc cao nhất khi chịu mô
men uốn. Bê tông tạo một lõi lý tưởng để chống lại tải trọng nén trong
quá trình làm việc, trì hoãn và chống lại sự bất ổn định cục bộ của ống
thép đặc biệt các cấu kiện có tiết diện hình vuông hoặc chữ nhật [2].

Ngoài ra, ống thép cản trở biến dạng nở hông của lõi bê tông làm tăng
cường độ chịu nén và độ dẻo dai đối với cấu kiện CFST;


5
Việc nhồi bê tông vào trong ống thép làm nâng cao độ chống
ăn mòn bên trong ống thép, làm giảm độ mảnh, làm tăng độ ổn định
cục bộ của thành ống và làm tăng khả năng chống móp méo của vỏ
ống thép khi va đập [1];
Giá thành tổng thể của công trình làm bằng kết cấu ống thép
nhồi bê tông nói chung nhỏ hơn nhiều so với giá thành của công trình
tương tự làm bằng kết cấu bê tông cốt thép hay kết cấu thép thông
thường. Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn so với
kết cấu bê tông do đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn đồng
thời làm giảm tải trọng xuống móng. Kết cấu ống thép nhồi bê tông
kinh tế hơn so với kết cấu bê tông cốt thép vì không cần ván khuôn,
giá vòm, đai kẹp và các chi tiết đặt sẵn, nó có sức chịu đựng tốt hơn
ít hư hỏng do va đập. Do không có cốt chịu lực và cốt ngang nên có
thể đổ bê tông với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỉ lệ N/X có thể lấy
nhỏ hơn) và sẽ dễ dàng đạt chất lượng bê tông cao hơn [1],[2].
b) Nhược điểm
Một cấu kiện CFST bao gồm hai vật liệu với sự khác nhau về
đường cong ứng suất-biến dạng và ứng xử cũng có sự khác biệt rõ rệt.
Sự tương tác giữa hai vật liệu này đặt ra một bài toán khó trong việc
xác định thuộc tính kết hợp như mô men quán tính, môdul đàn hồi;
Cơ chế phá hoại cấu kiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưhình
dạng, chiều dài, đường kính, chiều dày ống thép, cường độ thép và
cường độ bê tông cùng với các thông số về sự kết dính giữa hai mặt
tiếp xúc của vật liệu thép và bê tông, sự giam hãm của bê tông ứng
suất dư, hiện tượng từ biến, sự co ngót và các dạng tải trọng làm

phức tạp thêm sự phân tích và thiết kế đối với cấu kiện CFST[2];
Một hạn chế nữa ảnh hưởng đến việc sử dụng rộng rãi loại kết
cấu này đó là cấu tạo liên kết giữa cột CFST và sàn bê tông cốt thép,


6
dầm bê tông cốt thép hay dầm thép. Các ứng xử, cơ chế làm việc,
trạng thái phá hoại liên kết chưa được hiểu rõ do đó gây ra không ít
những khó khăn cho tính toán thiết kế cấu tạo liên kết;
Hiện nay, các hạn chế tồn tại của loại kết cấu CFST tiếp tục
được nghiên cứu để dần dần hoàn thiện các yêu cầu về mặt cấu
tạo, lý thuyết tính toán cũng như nhận thức sâu hơn về ứng xử của
loại kết cấu này.
1.2. TỔNG QUAN CÁC LOẠI SÀN PHẲNG BTCT
1.2.1. Sàn phẳng BTCT thƣờng
Là hệ thống chịu lực theo một hoặc hai phương được kê trực
tiếp lên cột hoặc tường chịu lực. Nó là một trong những dạng kết
cấu sàn phổ biến nhất trong các tòa nhà.

iểm đặc biệt của loại sàn

này là chiều dày không đổi hoặc gần như không đổi tạo ra mặt
phẳng phía dưới của sàn dẫn tới sự đơn giản trong việc làm cốt pha
và thi công. Sàn này cho phép linh hoạt trong việc tạo vách ngăn và
có thể không cần phải sử dụng trần giả.
1.2.2. Sàn phẳng bê tông ứng suất trƣớc
Trong cấu kiện bê tông ứng suất trước, bằng cách đặt vào
một lực nén trước tạo bởi lực kéo cốt thép, nhờ tính đàn hồi, cốt
thép có xu hướng co lại tạo nên lực nén trước và gây ra ứng suất
trước trong bê tông.Ứng suất nén trước trong bê tông sẽ triệt tiêu

hay làm giảm ứng suất kéo do tải trọng sử dụng gây ra. Do đó, khả
năng chịu kéo của bê tông được nâng cao và hạn chế sự phát triển
vết nứt. Ứng suất trước chính là việc tạo cho kết cấu một cách có
chủ ý các ứng suất tạm thời nhằm tăng cường sự làm việc của vật
liệu trong các điều kiện sử dụng khác nhau. Nói cách khác trước
khi cấu kiện chịu tải trọng sử dụng cốt thép đã bị căng trước còn
bê tông đã bị nén trước [3].


7
1.2.3. Sàn Bubbledeck
Sàn Bubbledeck là loại sàn sử dụng các quả bóng rỗng từ
nhựa tái chế để thay thế phần bê tông không hoặc ít chịu lực ở giữa
chiều cao tiết diện sàn. Ở bên trên và bên dưới của quả bóng được
gia cường bằng các lớp lưới thép được tính toán cụ thể. Các quả
bóng nhựa có vai trò giảm thiểu phần bê tông không cần thiết đối
với khả năng chịu lực của kết cấu sàn, giảm nhẹ trọng lượng của
sàn, cải thiện các khả năng cách âm, cách nhiệt.
1.2.4. Sàn U-boot Beton
U-boot Beton là sản phẩm công nghệ sàn nhẹ của hai tập
đoàn Daliform Group (Italy) và eikko Group ( hần Lan) sử dụng
các khối nhựa tái chế polypropylen để thay thế phần bê tông
không hoặc ít tham gia chịu lực ở thớ giữa của bản sàn, giúp giảm
trọng lượng kết cấu, giảm kích thước hệ cột, vách, móng, tường,
vách chịu lực và tăng khoảng cách lưới cột. Bản sàn U-boot Beton
là loại kết cấu rỗng, phẳng, không dầm, liên kết trực tiếp với hệ
cột, vách chịu lực nên có nhiều ưu điểm về mặt kỹ thuật và kinh
tế. Ngoài ra bản sàn U-boot Beton còn là một sản phẩm cải tiến
của BubbleDeck.
1.3. TỔNG QUAN VỀ LIÊN KẾT GIỮA CỘT ỐNG THÉP

NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
Jin-Won Kim (2014) [5] tiến hành nghiên cứu thực nghiệm
liên kết cột CFST và sàn phẳng BTCT dựa trên các điều khoản thiết
kế của tiêu chuẩn ACI 318-11[6].
Cheol-Ho Lee (2007) [7] đã nghiên cứu cường độ chịu cắt
thủng và ứng xử sau chọc thủng của liên kết giữa cột CFST và sàn
phẳng BTCT.


8
Tại hội nghị thế giới về kĩ thuật động đất lần thứ 13 tại
Vancouver. B.C, Canada, Hiroki Satoh (2004) [8] đã công bố kết quả
về nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu tải của liên kết giữa cột
CFST và sàn phẳng BTCT.
1.4. TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG LIÊN KẾT GIỮA CỘT
CFST VỚI SÀN PHẲNG BTCT
P.Y. Yan, Y.C. Wang (2016) [9] đề xuất liên kết giữa cột
CFST và sàn phẳng BTCT, tiến hành thí nghiệm, và xác thực kết quả
thí nghiệm bằng mô phỏng sử dụng phần mềm ABAQUS.
Young K. Ju (2013) [10]dựa trên cơ sở phân tích ưu nhược
điểm các liên kết giữa cột CFST và sàn BTCT mà các tác giả trước
đó đã nghiên cứu và thí nghiệm. Tác giả đã đề xuất một liên kết mới
với tấm thép được hàn vào cột và có chừa các lổ ren để nối với thép
chờ, các thép chờ này được nối ren với cốt thép thường của sàn và
sau đó đổ bê tông. ồng thời tác giả sử dụng phần mềm ANSYS để
phân tích sự làm việc của kết cấu.
Y. Su, Y.Tian (2010) [11] nghiên cứu thực nghiệm liên kết
giữa cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép dưới tác
dụng của tải trọng động và xác thực kết quả thí nghiệm bằng mô
phỏng sử dụng phần mềm DIANA v9.3.

1.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1
Trong chương này đã thực hiện tổng quan các vấn đề sau:
+ Tổng quan về kết cấu CFST mà cụ thể là cột CFST;
+ Tổng quan về các loại sàn phẳng đang sử dụng hiện nay như
sàn phẳng bê tông cốt thép thường, sàn bê tông dự ứng lực, sàn
Bubbledeck và sàn U-Boot Beton;
+ Tổng quan về mối liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT


9
+ Tổng quan về mô phỏng liên kết giữa cột CFST và sàn
phẳng BTCT;
Qua tổng quan nhận thấy các nghiên cứu hiện nay về liên
kết giữa cột CFST với sàn phẳng BTCT chủ yếu là các thực
nghiệm, chưa có nhiều nghiên cứu về việc mô phỏng sự làm việc
của liên kết. Nhìn chung các liên kết đề xuất đều đảm bảo yêu cầu
đặt ra cho một liên kết(độ bền, độ cứng và tính thi công thuận lợi),
tuy nhiên cấu tạo vẫn còn phức tạp.Vì vậy, việc sử dụng phần
mềm ABQUS để mô phỏng cấu tạo và khảo sát chi tiết hơn ứng xử
của từng bộ phần trong liên kết là cần thiết.


10
CHƯƠNG 2
MÔ PHỎNG SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT BẰNG ABAQUS
2.1. MÔ TẢ VỀ LIÊN KẾT
Trong hệ kết cấu cột CFST - sàn phẳng BTCT thì liên kết đóng
vai trò quan trọng trong việc đảm bảo cho các cấu kiện phát huy hết
khả năng làm việc cũng như sự ổn định tổng thể của hệ. Do đó, liên kết
phải đáp ứng được độ bền, độ cứng và dễ dàng cho thi công. Vì vậy tác

giả [4]đã đề xuất cấu tạo cho liên kết mới gồm: (1) Cột ống thép nhồi
bê tông, (2) Cốt thép sàn neo vào cột, (3) Tấm thép chịu cắt xuyên cột,
(4) Cốt thép đai bọc tấm thép, (5) khoan lỗ sẵn trên mặt cột để neo cốt
thép vào cột.

Hình 2.1. Cấu tạo liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT[4]


11
2.2. MÔ PHỎNG LIÊN KẾT BẰNG ABAQUS
2.2.1. Giới thiệu về phần mềm ABAQUS
2.2.2. Xây dựng mô hìnhcho liên kết
ABAQUS sẽ mô phỏng các bộ phận này dưới dạng các phần tử
phản ánh phù hợp nhất với trạng thái làm việc thực của nó.
Bảng 2.1. Các loại phần tử mô phỏng trong liên kết
Cấu kiện

Phần tử

Kích thước

mô phỏng
2

Sàn bê tông
Cột thép hộp CFST
Lõi Bê tông cột
CFST
Tấm sườn thép

2.800 x 2.800 mm dày
180mm

C3D8R

300 x 300 mm2 dày 9 mm

C3D8R

210 x 210 mm2

C3D8R

100 x 400 mm2 dày 15 mm

C3D8R

Dài 2800 mm
Cốt thép Ø10, Ø12

(riêng cốt thép neo dài
1.250mm, đoạn neo thép dài

T3D2

300 mm)
Cốt đai Ø10

180 x 100 mm

T3D2

Trong ABAQUS mỗi cấu kiện được xây dựng trong hệ tọa độ cục
bộ của nó ( art), độc lập trong mô hình. Chức năng (Assembly) sử
dụng để lắp ghép các cấu kiện rời rạc tạo thành một mô hình hoàn
chỉnh như Hình 2.2.


12

Hình 2.2. Mô phỏng 1/4 liên kết đề xuất giữa cột CFST và sàn phẳng
BTCT [4]
2.2.3. Mô hình vật liệu trong Abaqus
Trong ABAQUS miền đàn hồi của bê tông được khai báo bởi
mô đun đàn hồi E và hệ số Poisson μC cho trong Bảng 2.2.
Bảng 2.2. Thông số miền đàn hồi của bê tông
odule đàn hồi

Hệ số Possion

Cường độ chịu nén

E (Mpa)



fc' (MPa)

21.564

0,2

17

Trong luận văn này sử dụng mô hình phá hoại dẻo của bê
tông là Concrete Damaged

lasticity

odel (CD ) để mô phỏng

trạng thái làm việc của vật liệu ở cả vùng kéo và vùng nén, trong
phần mềm ABAQUS trạng thái phá hoại dẻo được khai báo qua các
thông số cho ở Bảng 2.3:


13
Bảng 2.3. Thông số mô hình phá hoại dẻo.
Kc

ε

0,6667

0,1

1,16

ψ

μ

13

0

Ngoài miền đàn hồi trạng thái làm việc của bê tông được mô tả qua
đường cong quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, phá hoại và biến
dạng cho vùng kéo, nén. Các đường cong này được xây dựng dựa
vào lý thuyết của B. Alfarah (2017) [12] như Hình 2.3, Hình 2.4.

a) Mối quan hệ ứng suất – biến dạng
b) Mối quan hệ phá hoại – biến dạng
Hình 2.3. Các đường cong quan hệ bê tông vùng chịu kéo

a) Mối quan hệ ứng suất – biến dạng
b) Mối quan hệ phá hoại – biến dạng
Hình 2.4. Các đường cong quan hệ bê tông vùng chịu nén
Vật liệu thép sử dụng là mô hình đàn hồi - dẻo để mô tả ứng xử,
mô đun đàn hồi của thép là Es= 2,1.105 MPa, hệ số Poisson là 0,3. Ống
thép và tấm thép chịu cắt chọn thép có cường độ giới hạn chảy tương


14
ứng là fy = 220 MPa. Thép dọc chịu lực và cốt thép đai trong dầm có
cường độ giới hạn chảy tương ứng là fy = 350 MPa.
Trong mô phỏng, để kết cấu làm việc đồng thời, các bộ phận
của kết cấu phải liên kết với nhau. Có nhiều hình thức liên kết được
ABAQUS cung cấp như tương tác bề mặt (Contact Surface to
surface), liên kết nhúng (Embedded element), liên kết ràng buộc

(Tie)... Như vậy, việc lựa chọn liên kết sẽ quyết định nhiều đến kết
quả mô phỏng. Trong Bảng 2.4 là các hình thức tương tác sử dụng
cho kiên kết giữa cột CFST- sàn phẳng BTCT.
Bảng 2.4. Các dạng tương tác sử dụng trong mô phỏng
Dạng tương tác

Cấu kiện

Cấu kiện tương tác

Sàn BTCT

Surface to surface

Cột CFST

Cột thép hộp CFST

Surface to surface

Lõi Bê tông

Tấm sườn thép

Tie

Cột CFST

Cốt thép Ø10, Ø12

Embedded element

Sàn BTCT

Cốt đai Ø10

Embedded element

Sàn BTCT

ể có được kết quả đạt độ chính xác cao, việc chia nhỏ phần tử
là cần thiết. Do liên kết được tạo nên bởi các phần tử khác nhau nên
kích thước phần tử được lấy sao cho phù hợp nhất để kết quả phân
tích được hợp lý và không làm tốn nhiều tài nguyên máy tính.
Bảng 2.5. Kích thước chia nhỏ phần tử
Kích

Sàn

Cột

Lõi

Cốt

Cốt

Tấm

thước

BTCT

thép

Bê

thép

thép

sườn

CFST

tông

đai

thép

20

45

60

20

mm

30

100


15
2.2.4. Gán điều kiện biên cho kết cấu
Sau khi chia lưới, tiến hành điều kiện biên và gán tải trọng
cho mô hình. Trong mô hình này, gán điều kiện biên là tựa khớp
xung quanh chu vi sàn. Tải trọng được áp dụng theo phương pháp
gia tải bằng cách tăng dần chuyển vị tại chân cột như Hình 2.6.
(Khống chế chuyển vị
theo phương đứng U3=0)

( ối xứng hệ kết cấu qua trục
X XSYMM (U1=UR2=UR3=0)

( ối xứng hệ kết cấu qua trục Y
YSYMM (U1=UR2=UR3=0)

Hình 2.6. Điều kiện biên, điều kiện chuyển vị cho kết cấu
2.3. TRÌNH TỰ THỰC HIỆN CÁC BƢỚC MÔ PHỎNG
TRONG ABAQUS
2.3.1. Xây dựng cấu kiện
2.3.2. ịnh nghĩa vật liệu và thuộc tính mặt cắt
2.3.3. ịnh nghĩa thuộc tính mặt cắt
2.3.4. ịnh nghĩa lắp ghép cấu kiện
2.3.5. Thiết lập bƣớc phân tích
2.3.6. ịnh nghĩa tải trọng và điều kiện biên

2.3.7. Chia nhỏ phần tử
2.3.8. Phân tích dữ liệu


16
2.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2
Trong chương này đã tiến hành các vấn đề liên quan đến mô
phỏng liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT bằng ABAQUS
gồm: Xây dựng mô hình cho liên kết, Mô hình vật liệu cho
ABAQUS, gán điều kiện biên cho kết cấu. ồng thời Chương 2 cũng
trình bày cụ thể trình tự các bước thực hiện trong mô phỏng liên kết
giữa cột CFST – sàn phẳng BTCT bằng ABAQUS.
ể xác thực kết quả mô phỏng với thí nghiệm, trong Chương 3
sẽ tiến hành so sánh với kết quả thí nghiệm, đồng thời Chương 3
cũng tiến hành thực hiện các phân tích khác liên quan đến sự làm
việc của mô hình liên kết.


17
CHƯƠNG 3
PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
3.1. SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM
3.1.1. Mô tả thí nghiệm [4]
3.1.2. Phân tích quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị của kết cấu
Mối quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị là yếu tố quan trọng
để đánh giá khả năng chịu lực và sự làm việc của kết cấu. Hình 3.6 là
các đường cong tải trọng – chuyển vị tại vị trí gia tải (tại cột CFST)
được xác địnhtừ kết quả thí nghiệm và mô phỏng bằng ABAQUS.

Hình 3.6. Đường cong tải trọng chuyển vị theo thí nghiệm và ABAQUS

ồ thị Hình 3.6 cho thấy mối quan hệ giữa tải trọng - chuyển
vị theo thí nghiệm và mô phỏng ABAQUS có sự tương đồng.


18
3.1.3. ánh giá ứng xử bề mặt sàn từ mơ hình ABAQUS và
thực nghiệm
Bảng 3.1. So sánh phản ứng bề mặt sàn từ mơ hình ABAQUS và
thực nghiệm

Cấp tải

Mơ hình ABAQUS

Mơ hình thí nghiệm

140 kN

300

Vùng BT
bò phá hoại

3/4(L v-0,5C1 )=350
d/2=150

3/4(L v-0,5C1 )=350
d/2=150

hs =180

d=150

260 kN

Cột vuông
(300×300)

480 kN

(Tiết diện tới hạn thứ hai)
(Tiết diện tới hạn thứ nhất)


19
Qua đối chiếu trạng thái bề mặt mẫu của hai mô hình cho
thấy sự tương đồng, chứng tỏ mô hình phá hoại CDP của bê tông
được sử dụng là phù hợp cho mô hình phân tích liên kết sàn
phẳng BTCT – cột CFST sử dụng ABAQUS.
3.1.4. Phân tích ứng suất biến d ng của tấm thép chịu cắt.

a) Đường cong quan hệ tải trọng –
b) Đường cong quan hệ tải
Biến dạng
trọng - ứng suất
Hình 3.1. Các đường cong quan hệ của thép tấm chị cắt
ồ thị từ Hình 3.1 cho thấy kết quả theo mô phỏng bằng
ABAQUS có sự tương đồng so với thí nghiệm.
3.1.5. Phân tích sự hình thành và phát triển tháp chọc thủng.
Bảng 3.2. Sự hình thành và phát triển tháp chọc thủng qua từng

cấp tải
Cấp
tải
268
kN

Góc trực diện
(1/4 mô hình)

Góc xiên 450
(1/4 mô hình)

Bề mặt sàn


20

302
kN

342
kN

382
kN

412
kN

452

kN


21

480
kN

Từ Bảng 3.2 quan sát sự hình thành phổ phân bố ứng suất
kéo chính tại mặt cắt nghiêng góc 45 0. Thấy ứng suất hình thành
đầu tiên ở mặt trên của sàn, tăng dần tải trọng ứng suất kéo chính
lan dần vào vùng bụng. Mặc khác các phân tố mặt dưới của sàn
chưa đạt đến trạng thái phá hoại, phù hợp với ứng xử tại mặt dưới
(vùng nén) của sàn trong thí nghiệm.
3.2. KHẢO SÁT SỰ ẢNH HƢỞNG CỦA CHIỀU DÀI TẤM
THÉP CHỊU CẮT
Thực hiện mô phỏng 3 mẫu với các yếu tố về liên kết giống
nhau, chỉ khác nhau về chiều dài đoạn vươn của tấm thép ra khỏi mặt
cột. Kích thước cụ thể của các mô hình cho trong Bảng 3.3.
Bảng 3.3. Kích thước các mẫu khảo sát
Mẫu
hs
d(mm)
Tiết diện ngang
oạn
(mm)
tấm thép
vươn(mm)
Mẫu 1
180

160
15 × 100
180 (1hs)
Mẫu 2

180

160

15 × 100

360 (2hs)

Mẫu 3

180

160

15 × 100

540 (3hs)

Thực hiện phân tích các mẫu đề xuất theo chiều dài cánh tay
vươn, được kết quả ứng xử trong từng mẫu như Bảng 3.5


22
Bảng 3.5. Trạng thái ứng suất trên các mặt cắt cho từng mẫu
khảo sát

Số
Góc trực diện
Góc xiên 450
Bề mặt sàn
Mẫu
(1/4 mô hình)
(1/4 mô hình)
Mẫu 1

Mẫu 2

Mẫu 3

Trên Bảng 3.5 là các hình ảnh phản ánh phổ phân bố ứng
suất kéo chính trên các mặt cắt của sàn. Qua so sánh ứng xử của 3
mẫu nhận thấy:
- Khi tăng chiều dài của tấm thép chịu cắt, vùng phá hoại cắt
thủng xuất hiện tại đầu mút của tấm thép và phát triển ra phía xa của sàn;
- Tại mặt cắt nghiêng góc 450 so với mặt cột, thấy vị trí và
vùng phá hoại cắt thủng là như nhau cho 3 trường hợp khảo sát chiều
dài tấm chịu cắt. Nhận thấy khoảng cách tối thiểu của vùng phá hoại
đến cạnh cột bằng d/2, phù hợp với chỉ dẫn của ACI318-11 [6];
- Kết quả khảo sát còn cho thấy, với chiều tăng chiều dài của
tấm thép chịu cắt thì khả năng chịu cắt thủng của sàn tăng lên do chu
vi của tháp chọc thủng tăng. Kết quả này phản ánh đúng với thí
nghiệm thực hiện bởi Jin-Won Kim [5].


23
3.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3

Trong chương này đã thực hiện các nội dung sau:
- Mô tả cấu tạo của liên kết trong nghiên cứu thực nghiệm
của tác giả [4];
- Thực hiện so sánh kết quả giữa mô phỏng và thí nghiệm
trên các khía cạnh về: quan hệ tải trọng - chuyển vị của sàn,
trạng thái ứng suất và biến dạng của tấm thép chịu cắt, trạng thái
ứng xử bề mặt sàn qua các cấp tải trọng cho kết quả phân tích và
thí nghiệm có sự phù hợp;
- Thực hiện phân tích sự hình thành và phát triển của tháp chọc
thủng theo các cấp tải trọng. Với mô hình mô phỏng ABAQUS, dễ
dàng quan sát và hiểu rõ được phản ứng của liên kết qua từng giai
đoạn mà thí nghiệm không thể thực hiện được;
- Thực hiện khảo sát ảnh hưởng chiều dài của tấm thép chịu cắt
với các kích thước 1hs, 2hs , 3hs, kết quả cho thấy với chiều tăng của tấm
thép chịu cắt thì khả năng chịu cắt thủng tăng lên và phù hợp với kết quả
nghiên cứu thực nghiệm trước đó và tiêu chuẩn ACI 318-11 [6].