Ứng xử kháng chọc thủng của liên kết cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép tt
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.57 MB, 27 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
ĐINH THỊ NHƯ THẢO
ỨNG XỬ KHÁNG CHỌC THỦNG CỦA LIÊN KẾT
CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
VÀ SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
CHUYÊN NGÀNH : CƠ KỸ THUẬT
MÃ SỐ
: 62.52.01.01
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng – 2019
Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. NGÔ HỮU CƯỜNG
2. PGS.TS. TRƯƠNG HOÀI CHÍNH
Phản biện 1: …………………………………………………...
…………………………………………………………………
Phản biện 2: …………………………………………………...
…………………………………………………………………
Phản biện 3: …………………………………………………...
…………………………………………………………………
Luận án được bảo vệ tại Hội đồng chấm Luận án Tiến sĩ cấp Đại học
Đà Nẵng vào ngày …… tháng …… năm 2019.
Có thể tìm hiểu luận án tại:
− Thư viện Quốc gia Việt Nam.
− Trung tâm Thông tin − Học liệu và Truyền thông, Đại học Đà Nẵng.
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Trong những thập niên qua, kết cấu thép – bê tông liên hợp đã được
sử dụng ngày càng rộng rãi trong các công trình xây dựng dân dụng và
công nghiệp do có các ưu điểm nổi trội về mặt kết cấu và thi công. Công
trình sử dụng giải pháp kết cấu liên hợp có khả năng chịu lực, độ cứng và
độ dẻo dai cao, đáp ứng tốt công năng sử dụng, có hiệu quả về kinh tế và
đảm bảo tính thẩm mỹ, đồng thời tăng cường khả năng chống cháy so với
kết cấu thép truyền thống.
Trong nhà nhiều tầng, chiều cao tầng, kích thước cột và nhịp của cấu
kiện là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế và công
năng sử dụng của công trình. Do đó, nhu cầu cần có một hệ kết cấu mới có
thể giảm chiều cao tầng, giảm kích thước cột, tăng nhịp cấu kiện, rút ngắn
thời gian thi công và tiết kiệm chi phí xây dựng là một điều hết sức cần
thiết. Hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFT - Concrete Filled steel
Tube) và sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) là hệ kết cấu tương đối mới,
phù hợp với các tiêu chí trên và được mong đợi sẽ được áp dụng rộng rãi
trên thế giới trong tương lai gần. Tuy nhiên, dạng liên kết hiệu quả giữa
cột CFT và sàn phẳng BTCT cùng ứng xử kháng nén thủng của nó, là một
yếu tố then chốt trong việc đảm bảo khả năng chịu lực của hệ, vẫn chưa
được nghiên cứu đầy đủ và đang thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà
nghiên cứu. Đây cũng là lý do để tác giả chọn đề tài “Ứng xử kháng chọc
thủng của liên kết cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt
thép” để nghiên cứu.
Luận án đề xuất một chi tiết liên kết mới giữa sàn phẳng BTCT và
cột giữa CFT có cấu tạo đơn giản, dễ chế tạo và phù hợp với điều kiện thi
công ở Việt Nam. Thông qua tính toán và mô phỏng sơ bộ, kích thước và
cấu tạo của các chi tiết liên kết sẽ được đề xuất. Ứng xử chịu cắt và khả
năng kháng nén thủng của liên kết kích thước thật sẽ được khảo sát thông
qua nghiên cứu thực nghiệm. Liên kết cũng sẽ được mô phỏng bằng phần
mềm phần tử hữu hạn ba chiều ABAQUS và độ tin cậy của kỹ thuật mô
phỏng sẽ được kiểm chứng qua việc so sánh với kết quả thực nghiệm.
2
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nghiên cứu đề xuất loại liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột giữa
CFT phù hợp và hiệu quả với điều kiện thi công của Việt Nam.
- Nghiên cứu ứng xử và khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn
phẳng BTCT và cột giữa CFT được đề xuất bằng thực nghiệm và mô phỏng
số.
- Đề xuất công thức dự đoán khả năng kháng nén thủng của liên kết
sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT.
3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học
Ở Việt Nam, việc sử dụng cột CFT trong các công trình xây dựng
còn khá mới mẻ và chưa được phổ biến. Những kết quả thu được từ thí
nghiệm và mô phỏng trong nghiên cứu này sẽ góp phần bổ sung thêm
những luận điểm, kiến thức mới và là nguồn dữ liệu bổ ích phục vụ cho
những nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.
Ý nghĩa thực tiễn
Hiện nay liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột CFT đã được nhiều
tác giả đề xuất và khảo sát để tìm hiểu ứng xử kết cấu và sự hiệu quả nhằm
phục vụ cho việc ứng dụng vào thực tiễn. Việc đề xuất một chi tiết liên kết
giữa sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT có cấu tạo đơn giản nhưng hiệu
quả, phù hợp với điều kiện thi công tại Việt Nam sẽ là bước khởi đầu cho
việc nghiên cứu thêm các dạng liên kết khác để có thể phát triển giải pháp
kết cấu cột CFT – sàn phẳng BTCT cho công trình xây dựng. Đặc biệt, việc
xây dựng một mô hình số cho phép dự đoán khả năng chịu lực của liên kết
phù hợp với kết quả thực nghiệm là một điều cần thiết để có được kết quả
tin cậy trong việc áp dụng cho công tác thiết kế loại liên kết này trong thực
tiễn mà không cần thực hiện các thí nghiệm tốn kém và mất thời gian.
4. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài.
- Đề xuất chi tiết liên kết giữa sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT.
- Chế tạo liên kết và tiến hành đúc mẫu thí nghiệm.
- Thiết lập quy trình thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm.
3
- Xử lý, phân tích số liệu và đánh giá kết quả thí nghiệm.
- Mô phỏng số ứng xử của liên kết bằng phần mềm PTHH ba chiều
ABAQUS có xét tác động phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu.
- Kiểm chứng độ tin cậy của kỹ thuật mô phỏng qua việc so sánh kết
quả phân tích với kết quả thực nghiệm.
- Rút ra những kết luận, kiến nghị.
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với mô phỏng số bằng
phần mềm phần tử hữu hạn ba chiều ABAQUS
6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu
Ứng xử cắt thủng của liên kết sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT.
Phạm vi nghiên cứu
- Sàn phẳng BTCT thường, không có ứng suất trước, không có lỗ
mở gần liên kết;
- Cột CFT nằm ở giữa, không phải cột ở biên hoặc góc;
- Không xét đến ứng xử chịu mômen đồng thời của liên kết do tải
ngang với trục cột gây ra;
- Chỉ tác động tải tĩnh đẩy dần, không phải là lực lặp lại hoặc tải
động.
7. Bố cục luận án
Nội dung của luận án gồm 126 trang A4 có bố cục như sau:
Mở đầu.
Chương 1: Tổng quan về cột CFT và liên kết với sàn phẳng BTCT.
Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm liên kết sàn phẳng BTCT và cột
CFT.
Chương 3: Phân tích sự làm việc của liên kết sàn phẳng BTCT và
cột CFT bằng phương pháp số.
Kết luận – Hướng phát triển.
8. Đóng góp chính của luận án
- Đề xuất một chi tiết liên kết mới giữa sàn phẳng BTCT và cột giữa
CFT đơn giản, dễ chế tạo và phù hợp với điều kiện thi công trong nước.
4
- Thiết lập quy trình thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm để khảo sát
ứng xử chịu cắt và khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT
và cột giữa CFT mới đề xuất.
- Mô phỏng số phân tích ứng xử kháng nén thủng của liên kết bằng
phần mềm ABAQUS và so sánh với kết quả thực nghiệm.
- Đề xuất hướng dẫn tính toán để dự đoán khả năng kháng nén thủng
của liên kết sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT mới đề xuất theo Tiêu chuẩn
Việt Nam TCVN 5574:2012, Tiêu chuẩn Châu Âu EC2 và Quy phạm Hoa
Kỳ ACI 318-11.
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFT VÀ LIÊN KẾT VỚI
SÀN PHẲNG BTCT
1.1 Cột ống thép nhồi bê tông
1.2 Sàn phẳng bê tông cốt thép
1.3 Liên kết của sàn phẳng BTCT và cột CFT
1.3.1 Nghiên cứu của Satoh và Shimazaki (2004)
Satoh và Shimazaki (2004) đã đề xuất một chi tiết liên kết mới giữa
sàn phẳng BTCT với cột vuông CFT và tiến hành khảo sát thực nghiệm
cũng như xây dựng công thức dự đoán khả năng chịu lực của liên kết.
Vành cứng
Tấm thép liên kết
Hình 1.22 và Hình 1.23: Chi tiết liên kết và mô hình thí nghiệm của
Satoh và Shimazaki
1.3.2 Nghiên cứu của Su và Tian (2010)
Su và Tian (2010) đề xuất chi tiết liên kết bằng tấm thép tròn hàn
vào cột tròn CFT để đỡ sàn tấm phẳng BTCT cho công trình nhà nhiều
tầng chịu tác dụng của động đất. Kết quả thí nghiệm cho thấy liên kết được
đề xuất có cấu tạo đơn giản, dễ thi công, có khả năng chịu được tải trọng
5
đứng tốt và có độ dẻo dai đáng kể.
1.3.3 Nghiên cứu của Yan (2011)
Yan (2011) đã đề xuất hai loại liên kết sàn phẳng – cột giữa CFT
dùng chi tiết chịu cắt hàn vào vỏ cột thép nằm chìm trong bê tông sàn. Chi
tiết chịu cắt của liên kết của loại 1 có dạng chữ I trong khi của loại 2 có
dạng hộp. Kết quả thí nghiệm cho thấy tải trọng cắt thủng cực hạn của liên
kết loại 1 có giá trị là 417 kN và của liên kết loại 2 là 569 kN.
Hình 1.32: Cấu tạo liên kết loại 1
của Yan
Hình 1.34: Cấu tạo liên kết loại 2
của Yan
1.3.4 Nghiên cứu của Kim cùng cộng sự (2014)
Kim cùng cộng sự (2014) đề xuất một số sơ đồ liên kết kháng cắt dùng
cốt cứng cho liên kết cột giữa CFT − sàn phẳng BTCT. Kết quả thực
nghiệm cho thấy khả năng kháng cắt của liên kết sử dụng liên kết thép hình
kháng cắt cao hơn rất nhiều so với liên kết sàn phẳng BTCT − cột CFT
không sử dụng liên kết thép hình kháng cắt.
1.3.5 Các nghiên cứu trong nước
1.4 Ưu và nhược điểm của các liên kết đã công bố
1.4.1 Ưu điểm: Đều đảm bảo khả năng chịu lực và độ dai cần thiết.
1.4.2 Nhược điểm: Các liên kết của Satoh và Shimazaki, Yan và Kim cùng
cộng sự: Có các chi tiết cấu tạo phức tạp, khó gia công, nằm chìm trong
sàn nên cản trở việc lắp đặt cốt thép sàn; Liên kết của Satoh và Shimazaki,
Su và Tian và liên kết loại 1 của Yan: Cốt thép sàn bị gián đoạn bởi cột
CFT; Liên kết của Su và Tian: Bản gối có khả năng chịu uốn và độ cứng
thấp; Các liên kết của Satoh và Shimazaki, Su và Tian, Yan và Kim cùng
cộng sự: Sự truyền lực từ sàn vào vỏ ống thép của cột CFT thông qua chi
tiết chịu cắt, không truyền trực tiếp vào lõi bê tông ngay vị trí liên kết.
1.5 Khả năng kháng nén thủng của sàn phẳng BTCT theo các tiêu
chuẩn hiện hành
6
1.5.1 Tiêu chuẩn Việt Nam 5574:2012
1.5.2 Tiêu chuẩn Châu Âu EC2
1.5.3 Quy phạm Hoa Kỳ ACI 318-11
1.6 Kết luận
Chương 1 đã trình bày các ưu điểm của cấu kiện kết cấu cột CFT và
sàn phẳng BTCT cũng như giải pháp kết cấu cột CFT – sàn phẳng BTCT,
tổng quan tình hình nghiên cứu về các liên kết đã được công bố. Qua đó
nêu lên sự cần thiết trong việc đề xuất một chi tiết liên kết mới và từ đó
tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số sự làm việc của liên kết
này để làm rõ ứng xử chịu cắt thủng và sự hiệu quả của liên kết đề xuất.
CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
LIÊN KẾT SÀN PHẲNG BTCT VÀ CỘT CFT
2.1 Mô hình thí nghiệm
2.1.1 Mở đầu
Liên kết mới được đề xuất giữa sàn phẳng BTCT − cột CFT được
ký hiệu là S-02-M-V và liên kết sàn phẳng − cột BTCT đối chứng có cùng
đường kính cột và thông số sàn BTCT được ký hiệu là S-C-V.
2.1.2 Đặc điểm và cấu tạo của liên kết đề xuất
2.1.2.1 Cấu tạo của liên kết đề xuất
Cấu tạo liên kết gồm (Hình 2.1 và Hình 2.2):
20
20
25
80
8
8
100
180
180
20 20 20 20
155
25
Bản thép dày
16mm
155 16
155
20202020
20
Cột thép D=400mm
120
120
8
Chi tiết sườn thép
80 100
180
125
400
400
125
650
Hình 2.1 và Hình 2.2: Cấu tạo chi tiết của liên kết
2.1.2.2 Ưu và nhược điểm của liên kết mới đề xuất
– Ưu điểm
7
d14a120
21-d14a120 = 2400
2500
50
50
50
d14a240
1050
50
11-d14a240 = 2400
2500
50
Hình 2.3: Mặt bằng bố
trí lớp thép trên mẫu SC-V
900
50
11-d14a240 = 2400
2500
A
A
8d16
d6a150
200 200
50
A
A
21-d14a120 = 2400
2500
+ Cốt thép chịu lực của sàn phẳng BTCT có cấu tạo liên tục.
+ Cấu tạo của hệ sườn thép và bản gối có tác dụng nhận tải trọng từ
sàn phẳng BTCT truyền vào cả vỏ thép và lõi bê tông và làm tăng tính toàn
khối của liên kết.
+ Thêm nữa, với việc dùng hệ sườn và bản gối nằm hẳn ở dưới sàn,
việc lắp đặt cốt thép sàn trở nên dễ dàng như với sàn BTCT thông thường.
– Nhược điểm
Do hệ sườn cứng nằm hẳn dưới sàn phẳng BTCT nên tính thẩm mỹ
không được đảm bảo.
2.1.3 Kích thước và cấu tạo mẫu thí nghiệm
2.1.3.1 Cấu tạo chi tiết mẫu S-C-V
400
2500
1050
50
Hình 2.4: Mặt bằng
bố trí lớp thép dưới
mẫu S-C-V
Hình 2.5: Mặt cắt A-A
mẫu S-C-V
21-d14a120 = 2400
2500
50
50
11-d14a240 = 2400
2500
2380
80100
180
50
20
50
Hình 2.6: Mặt bằng bố
trí lớp thép trên
mẫu S-02-M-V
Hình 2.7: Mặt bằng bố
trí lớp thép dưới
mẫu S-02-M-V
2.1.4 Sơ đồ thí nghiệm
– Thí nghiệm chia làm 2 giai đoạn như sau:
200 200
50
50
155
A
120
11-d14a240 = 2400
2500
A
50
A
120
180
180
8
A
21-d14a120 = 2400
2500
50
50
2.1.3.2 Cấu tạo chi tiết mẫu S-02-M-V
400
440
20
21-d14a120 = 2400
2500
50
Hình 2.8: Mặt cắt A-A
mẫu S-02-M-V
8
Liên
kết
đã chịu
chuyển
vị
cưỡng
bức
Tải lặp tăng dần
Khoảng trống
Hình 2.10: Giai đoạn 1 − Cho
liên kết chịu chuyển vị cưỡng bức
đến trị mục tiêu H/140
Hình 2.11: Giai đoạn 2 − Tiến hành gia
tải đứng cho đến khi liên kết phá hoại do
nén thủng
2.2 Thiết bị thí nghiệm
2.2.1 Khung gia tải
2.2.2 Danh mục các thiết bị và vật tư thí nghiệm
2.3 Tiến hành thí nghiệm và xử lý kết quả
2.3.1 Vật liệu
2.3.1.1 Bê tông
a) Các mẫu dùng để xác định
cường độ chịu nén trung bình
fcm
b) Các mẫu dùng để xác định cường độ kéo
chẻ trung bình fsp
Hình 2.13: Thí nghiệm nén và kéo chẻ mẫu bê tông
Kết quả cường độ nén trung bình mẫu hình trụ fcm = 40.4 MPa và
cường độ kéo trung bình của bê tông fctm = 0.9fsp = 3.16 MPa được thể hiện
trong Bảng 2.4 và Bảng 2.5.
2.3.1.2 Thép tấm
Các thép tấm và vỏ thép của cột CFT mẫu S-02-M-V sử dụng thép
Q345B. Thí nghiệm kéo cho thấy thép tấm có giới hạn chảy nhỏ nhất là
351 MPa, giới hạn bền là 489 MPa.
Ứng suất kéo (MPa)
9
500
400
300
200
100
0
0
0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14
Biến dạng
Hình 2.14: Quan hệ ứng suất – biến dạng của thép tấm
Ứng suất kéo
(N/mm2)
2.3.1.3 Cốt thép sàn
Cốt thép chịu lực sử dụng trong sàn phẳng BTCT là thép Việt Nhật,
đường kính 14 − SD390. Thí nghiệm kéo cho thấy cốt thép có giới hạn
chảy nhỏ nhất là 532.5 MPa và giới hạn bền là 614.0 MPa.
700
600
500
400
300
200
100
0
0
0.05 0.1 0.15
Biến dạng
0.2
Hình 2.15: Quan hệ ứng suất – biến dạng của cốt thép sàn 14
2.3.2 Sơ đồ lắp đặt chuyển vị kế và cảm biến đo biến dạng
2.3.2.1 Sơ đồ lắp đặt chuyển vị kế cho mẫu S-C-V và S-02-M-V
Các chuyển vị kế được gắn phía trên sàn sau khi mẫu đã được lắp vào giá
gia tải với các ký hiệu D1, D2, D3, D4, D5, D6 (Hình 2.16 và Hình 2.17).
100
2500
1050
1050
475
50 200
200 50
100
100
D2A
D3A
200
D6
20
100
200
100
D4A
D1 D3
D5
20
475
200
160
100
200
D4A
1050
D6
200
475
2500
H
D3A
D3
50
D1
850
400
D2
D4
100
850
200
2500
475
100
D1A
100
100
100
475
50 200
D3A
50
100
50
200 50
475
100
D2A
100
D1A
D3
200
1050
D1
D5
D2
D4
H
20
D2A
200
100
200
100
200
160
20
1050
D5
1050
850
400
850
200
200
2500
Hình 2.16: Mặt bằng lắp chuyển vị kế
cho mẫu S-C-V và S-02-M-V
2500
Hình 2.17: Mặt đứng lắp chuyển vị kế
cho mẫu S-C-V và S-02-M-V
10
2.3.2.2 Sơ đồ lắp đặt cảm biến cho mẫu S-C-V và S-02-M-V
Cảm biến đo biến dạng cốt thép có ký hiệu S1, S2, S3, S4, S5, S6 (Hình
2.18 và Hình 2.20). Cảm biến đo biến dạng của bê tông có ký hiệu C1, C2,
C3, C3, C5 (Hình 2.5 và Hình 2.6).
S6
C3
Hình 2.19: Sơ đồ lắp đặt cảm biến đo
biến dạng của bê tông mẫu S-C-V
d = 184
Hình 2.18: Sơ đồ lắp đặt cảm biến đo
biến dạng của cốt thép lớp trên mẫu
S-C-V
C4
d = 184
d = 184
S3
d = 184
C1
S1
S2
45°
S3
C2
S2
S1
d = 184 S4
S4
C5
d = 184
A
C1
B
C2
S5
400
Hình 2.20: Sơ đồ lắp đặt cảm biến đo biến dạng của bê tông
và cốt thép lớp trên mẫu S-02-M-V
2.3.3 Tiến hành quá trình thực nghiệm
2.3.3.1 Tạo mẫu thí nghiệm
Hình 2.21. Lắp đặt
ván khuôn và cốt
thép cho mẫu
S-C-V
Hình 2.22: Đổ bê
tông cho mẫu
S-C-V
Hình 2.23: Lắp đặt
ván khuôn và cốt
thép cho mẫu
S-02-M-V
2.3.3.2 Vận chuyển mẫu, lắp mẫu vào vị trí
Hình 2.24: Đổ bê
tông cho mẫu
S-02-M-V
11
Hình 2.25: Lắp đặt mẫu S-C-V vào
giá gia tải
Hình 2.26: Lắp đặt mẫu S-02-M-V
vào giá gia tải
2.3.3.3 Lắp đặt thiết bị gia tải
Hình 2.27: Lắp đặt thiết bị gia tải cho mẫu S-C-V và S-02-M-V
2.3.3.4 Lắp đặt dụng cụ, thiết bị đo
Hình 2.28: Lắp đặt chuyển vị
kế cho mẫu S-C-V
Hình 2.29: Lắp đặt chuyển vị
kế cho mẫu S-02-M-V
Hình 2.30: Gắn cảm biến đo biến dạng của bê tông và cốt thép sàn cho
mẫu S-C-V và S-02-M-V
12
Hình 2.31: Kết nối các dây cảm biến và chuyển vị kế vào data logger
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Lực (kN)
Lực (kN)
2.3.4 Tiến hành gia tải – Kết quả thực nghiệm mẫu S-C-V
2.3.4.1 Gia tải thí nghiệm
Bắt đầu gia tải đứng khoảng 5% tổng lực phá hoại theo tính toán,
khoảng 30 kN/cấp tải.
2.3.4.2 Kết quả thí nghiệm của mẫu S-C-V
Lực phá hoại nén thủng: 827.3 kN
Thực nghiệm-D1
Thực nghiệm-D2
Thực nghiệm-D3
Thực nghiệm-D4
0
4
8
12 16 20
Chuyển vị (mm)
Thực nghiệm-S2
0
24
Hình 2.32: Đường quan hệ lực chuyển vị mẫu S-C-V
Thực nghiệm-S1
0.01
0.02
0.03
Biến dạng
0.04
Hình 2.33: Đường quan hệ lực - biến
dạng của cốt thép sàn mẫu S-C-V
Lực (kN)
2.3.4.3 Hình dạng tháp nén thủng của mẫu S-C-V
Sàn bị phá hoại do nén thủng với giá trị lực là 827.3 kN (Hình 2.36).
-0.0015
Thực nghiệm
Thực nghiệm
Thực nghiệm
Thực nghiệm
Thực nghiệm
C1
C2
C3
C4
C5
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-0.001
-0.0005
Biến dạng
Hình 2.35: Đường quan hệ lực - biến
dạng của bê tông sàn mẫu S-C-V
0
Hình 2.36: Hình dạng tháp nén thủng
của mẫu S-C-V
13
2.3.5 Tiến hành gia tải – Kết quả thực nghiệm mẫu S-02-M-V
Lực (kN)
2.3.5.1 Thí nghiệm giai đoạn 1
Dùng kích thủy lực động gắn tại đầu để tiến hành gia tải ngang theo phương
pháp gia tải bằng điều khiển chuyển vị. Giá trị lực kích đo được ứng với
cấp chuyển vị đỉnh cột 17 mm là 74 kN.
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
4
8
12 16 20
Chuyển vị ngang đầu cột (mm)
Hình 2.38: Quan hệ lực – chuyển vị ngang đầu cột
2.3.5.2 Thí nghiệm giai đoạn 2
Gia tải đứng đến khi liên kết sàn phẳng BTCT - cột CFT bị phá hoại hoàn
toàn do nén thủng với lực nén thủng là 1024.00 kN.
2.3.5.3 Kết quả thí nghiệm giai đoạn 2 của mẫu S-02-M-V
Chuyển
Chuyển
Chuyển
Chuyển
Chuyển
0
3
6
vị D1
vị D2
vị D3
vị D4
vị D5
Lực (kN)
Biến dạng C1
Biến dạng C2
Biến dạng C3
Biến dạng C4
-0.002
Biến dạng S1
Biến dạng S2
Biến dạng S3
Biến dạng S4
Biến dạng S5
Biến dạng S6
0
9 12 15 18 21 24 27
Chuyển vị (mm)
Hình 2.39: Đường quan hệ lực −
chuyển vị mẫu S-02-M-V
-0.003
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Lực (kN)
Lực (kN)
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0.005
0.01
Biến dạng
0.015
0.02
Hình 2.40: Đường quan hệ lực − biến
dạng của cốt thép sàn mẫu S-02-M-V
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
-0.001
0
0.001
Biến dạng
Hình 2.41: Đường quan hệ lực − biến
dạng của bê tông sàn mẫu S-02-M-V
Hình 2.42: Hình dạng tháp nén
thủng của của mẫu S-02-M-V
14
2.3.5.4 Hình dạng tháp nén thủng của mẫu S-02-M-V
Giai đoạn 1: Gia tải chuyển vị ngang đầu cột đạt giá trị 17 mm
ứng với lực đo là 74 kN, trên sàn không xuất hiện vết nứt.
Giai đoạn 2: Kết quả thí nghiệm cho thấy sàn bị phá hoại do nén
thủng. Lực nén thủng phá hoại hoàn toàn cho liên kết sàn phẳng BTCT cột CFT là P = 1024.00 kN Hình 2.42.
2.4 Kết luận
Chương 2 đã trình bày cấu tạo liên kết sàn phẳng – cột BTCT toàn
khối và sàn phẳng BTCT - cột CFT được đề xuất mới, các kết quả thí
nghiệm vật liệu bê tông, thép tấm và cốt thép của sàn phẳng và quy trình
thực nghiệm xác định ứng xử cắt thủng của mẫu S-C-V và mẫu S-02-MV. Kết quả thí nghiệm được thể hiện qua các biểu đồ quan hệ giữa lực nén
thủng và các đại lượng như chuyển vị, ứng suất, biến dạng trong bê tông
và cốt thép của mẫu S-C-V và S-02-M-V. Kết quả hình dạng của tháp nén
thủng và ứng xử chịu lực khá tương đồng với các nghiên cứu của các tác
giả trên thế giới.
Chương 3 PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT
SÀN PHẲNG BTCT VÀ CỘT CFT BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ
3.1 Đặt vấn đề
3.2 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS
3.2.1 Một số loại phần tử trong thư viện của ABAQUS
3.2.2 Các loại phần tử được sử dụng trong mô phỏng
3.2.3 Mô hình vật liệu bê tông
3.2.3.1 Ứng xử của bê tông khi chịu nén
3.2.3.2 Ứng xử của bê tông khi chịu kéo
3.2.3.3 Mô hình phá hoại dẻo của bê tông
3.2.3.4 Khái niệm bề mặt chảy dẻo trong mô hình phá hoại dẻo
3.2.4 Các loại tương tác giữa các mặt tiếp xúc của phần tử
3.2.4.1 Tương tác “tie”
3.2.4.2 Tương tác “embedded”
3.2.4.3 Tương tác “coupling”
15
50
Ứng suất kéo (MPa)
Ứng suất nén (MPa)
3.2.4.4 Tương tác “hard contact”
3.3 Các bài toán mô phỏng số của tác giả đã thí nghiệm
3.3.1 Các thông số đặc trưng vật liệu
40
30
20
10
0
0
0.001 0.002 0.003 0.004
Biến dạng
Hình 3.16: Quan hệ ứng suất – biến
dạng của bê tông khi chịu nén
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Bề rộng vết nứt (mm)
Hình 3.17: Quan hệ ứng suất – bề
rộng vết nứt của bê tông khi chịu kéo
Đường cong ứng xử quan hệ biến dạng và ứng suất kéo của thép tấm và
cốt thép sàn d = 14 mm của mẫu S-C-V và S-02-M-V đã được trình bày
trong Hình 2.14 và Hình 2.15.
3.3.2 Mô phỏng ứng xử chịu nén thủng của liên kết sàn phẳng − cột giữa
BTCT S-C-V
3.3.2.1 Các bộ phận của mẫu S-C-V
Hình 3.18: Hình
dạng mô phỏng
Hình 3.19: Mô
phỏng sàn cột bê
tông
Hình 3.20: Mô
phỏng cốt thép
sàn và cột
Hình 3.21: Mô
phỏng gối đệm
trên, dưới
3.3.2.2 Các dạng tương tác khi mô phỏng mẫu S-C-V
Bảng 3.3: Các dạng tương tác khi mô phỏng mẫu S-C-V
Cấu kiện
Dạng tương tác
Cấu kiện được tương tác
Sàn BTCT
Hard contact
− Bản thép đệm biên
trên và biên dưới
Cốt thép sàn
Embedded element
− Sàn phẳng BTCT
d=14mm
− Cột BTCT
16
3.3.2.3 Điều kiện biên mô phỏng mẫu S-C-V
Khai báo điều kiện biên tương tự khi tiến hành thực nghiệm, 4 biên trên và
biên dưới đều sử dụng biên liên kết khớp u1 = u2 = u3 = 0 như Hình 3.24 và
Hình 3.25.
Hình 3.24: Mô phỏng
điều kiện biên mặt trên
của mẫu S-C-V
Hình 3.25: Mô phỏng
điều kiện biên mặt dưới
của mẫu S-C-V
Hình 3.26: Mô phỏng
chia lưới tạo phần tử
của mẫu S-C-V
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Lực (kN)
Lực (kN)
3.3.2.4 Mô phỏng tạo lưới chia mẫu S-C-V
Việc chọn lưới chia cho phần tử bê tông; đệm thép; cốt thép sàn,
cột đều chọn lưới chia có kích thước l = 50 mm. Kết quả chia lưới cho mẫu
S-C-V như Hình 3.26.
3.3.2.5 So sánh kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng mẫu S-C-V
Mô phỏng-D1
Thực nghiệm-D1
0
5
10
15
20
Chuyển vị (mm)
25
Hình 3.27: Quan hệ lực – chuyển vị D1
mẫu S-C-V
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Mô phỏng-S1
Thực nghiệm-S1
0
0.01
0.02
0.03
Biến dạng
0.04
Hình 3.29: Quan hệ lực – biến
dạng S1 mẫu S-C-V
3.3.2.6 Sự hình thành vết nứt và tháp nén thủng trong mô phỏng mẫu S-CV
Cùng với sự phát triển của vết nứt hướng tâm các vết nứt tiếp tuyến
bên ngoài chu vi cột được hình thành, sau đó các vết nứt tiếp tuyến này
liên kết với nhau hình thành nên tháp nén thủng với cấp tải 759.58 kN
(Hình 3.34).
17
b
Hình 3.32: Các vết nứt
tiếp tuyến đầu tiên xuất
hiện mẫu S-C-V
Hình 3.33: Các vết nứt
hướng tâm về phía 4
góc sàn mẫu S-C-V
b
a
Hình 3.34: Hình dạng
tháp nén thủng mẫu
S-C-V
3.3.2.7 Nhận xét
Kết quả cho thấy rằng lực nén thủng trong mô phỏng thấp hơn lực
nén thủng thực nghiệm 8.19% và chuyển vị D1 nhỏ hơn 6.82% so với thực
nghiệm. Kết quả cấp tải gây nứt và vùng tháp nén thủng trong mô phỏng
cũng gần với kết quả thực nghiệm.
3.3.3 Mô phỏng ứng xử chịu nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT –
cột giữa ống thép nhồi bê tông S-02-M-V
3.3.3.1 Các bộ phận của mẫu S-02-M-V
Hình 3.35: Hình
dạng mô phỏng
Hình 3.36: Mô
phỏng sàn cột bê
tông
Hình 3.37: Mô phỏng cốt thép sàn và cột
Hình 3.38: Mô phỏng hệ sườn, bản thép đầu cột và cột thép mẫu S-02-M-V
18
3.3.3.2 Các dạng tương tác khi mô phỏng mẫu S-02-M-V
Bảng 3.5: Các dạng tương tác khi mô phỏng mẫu S-02-M-V
Cấu kiện
Dạng tương tác
Sàn BTCT
Hard contact
Lõi cột bê tông
Hard contact
Cột thép
Hard contact
Cột thép
Tie
Hệ sườn thép
Hệ sườn thép
Hard contact
Tie
Tấm gối đệm thép
Cốt thép sàn d=14mm
Hard contact
Embedded element
Cấu kiện được tương
tác
− Cột thép
− Bản thép đầu cột
− Cột thép
− Hệ sườn thép
− Lõi cột bê tông
− Sàn BTCT
− Bản thép đầu cột
− Hệ sườn thép
− Lõi cột bê tông
− Cột thép
− Bản thép đầu cột
− Sàn BTCT
− Sàn BTCT
− Lõi bê tông cột
3.3.3.3 Điều kiện biên mô phỏng mẫu S-02-M-V
Khai báo điều kiện biên tương tự khi tiến hành thực nghiệm, 4 biên
trên và biên dưới đều sử dụng biên liên kết khớp u1 = u2 = u3 = 0 như Hình
3.43 và Hình 3.44.
3.4.3.4 Mô phỏng tạo lưới chia mẫu S-02-M-V
Việc chọn lưới chia cho phần tử bê tông; đệm thép; cốt thép sàn,
cột đều chọn lưới chia có kích thước l = 50 mm. Kết quả chia lưới cho mẫu
S-02-M-V như Hình 3.45.
Hình 3.43: Mô phỏng điều kiện biên
mặt trên của mẫu S-02-M-V
Hình 3.45: Mô phỏng chia lưới tạo
phần tử của mẫu S-02-M-V
19
Tải trọng (kN)
3.3.3.5 So sánh kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng mẫu S-02-M-V
Giai đoạn 1
Cho liên kết chịu chuyển vị xoay cưỡng bức đến giá trị mục tiêu H/140
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Thực nghiệm
Mô phỏng
0
2
4
6
8 10 12 14 16 18
Chuyển vị ngang đầu cột (mm)
Hình 3.46: Hình dạng của liên
kết S-02-M-V khi chuyển vị
ngang đầu cột có giá trị 17 mm
Hình 3.47: Quan hệ lực – chuyển vị ngang
đầu cột mẫu S-02-M-V
Hình 3.48: Ứng suất Mises trong sàn khi chuyển vị đầu cột có giá trị 17mm
mẫu S-02-M-V
Nhận xét: Trong quá trình mô phỏng giai đoạn gia tải ngang cũng không
làm xuất hiện vết nứt trong sàn Hình 3.48.
Giai đoạn 2
Tiến hành gia tải gây nén thủng cho liên kết bằng phương pháp điều khiển
chuyển vị đến khi liên kết bị “phá hoại hoàn toàn”.
Bảng 3.6: So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng mẫu S-02-M-V
Lực nén
Chuyển vị Chuyển vị
thủng
D1
D3
(kN)
(mm)
(mm)
1024.00
23.43
17.56
Thí nghiệm S-02-M-V
925.15
22.38
15.25
Mô phỏng S-02-M-V
9.65%
4.48%
13.15%
Chênh lệch (%)
20
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
Mô phỏng-C1
200
100
Thực nghiệm-C1
0
-0.003-0.0025-0.002-0.0015-0.001-0.0005 0
Lực (kN)
Lực (kN)
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Mô phỏng-D1
Thực nghiệm-D1
0
3
6
9
12 15 18 21 24
Chuyển vị (mm)
Hình 3.49: Quan hệ lực – chuyển vị
D1 mẫu S-02-M-V
Biến dạng
Hình 3.53: Quan hệ lực – biến dạng
C1 mẫu S-02-M-V
3.3.3.6 Sự hình thành vết nứt và tháp nén thủng mẫu S-02-M-V
Cùng với sự phát triển của vết nứt hướng tâm các vết nứt tiếp tuyến
bên ngoài chu vi cột được hình thành. Sau đó các vết nứt tiếp tuyến này
liên kết với nhau hình thành nên tháp nén thủng với cấp tải P = 925.15 kN
(Hình 3.56 và Hình 3.57).
Hình 3.54: Các vết nứt tiếp tuyến đầu tiên xuất hiện
mẫu S-02-M-V
Hình 3.55: Các vết
nứt hướng tâm về phía
4 góc sàn mẫu
S-02-M-V
Hình 3.56: Hình dạng tháp nén thủng mẫu S-02-M-V
21
Hình 3.57: Hình dạng tháp nén thủng mẫu S-02-M-V bằng thực nghiệm
và mô phỏng số
3.3.3.7 Nhận xét
Kết quả nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số của các mẫu SC-V và S-02-M-V cho thấy khả năng kháng nén thủng của liên kết đề xuất
S-02-M-V lớn hơn mẫu đối chứng S-C-V trên 20% và độ cứng của mẫu S02-M-V cũng lớn hơn mẫu S-C-V tương đối nhiều (Hình 3.58).
1100
1000
900
800
Lực (kN)
700
600
500
Mô phỏng-D1-SCV
400
Thực nghiệm-D1-SCV"
300
Mô phỏng-D1-S02MV
200
Thực nghiệm-D1-S02MV
100
0
0
3
6
9
12
15
Chuyển vị (mm)
18
21
24
Hình 3.58: Quan hệ lực – chuyển vị D1 mẫu S-C-V và mẫu S-02-M-V
27
22
Bảng 3.7: So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng mẫu S-C-V
và mẫu S-02-M-V
Lực nén thủng
Chuyển vị D1
Chuyển vị D3
(kN)
(mm)
(mm)
Mẫu
Thực
Mô
Thực
Mô
Thực
Mô
nghiệ
phỏng nghiệm phỏng nghiệm phỏng
m
827.3
759.58
20.65
19.24
14.27
13.56
S-C-V
1024
925.15
22.38
21.68
17.56
15.25
S-02-M-V
8.38%
12.68%
23.06%
12.46%
Chênh lệch 23.78% 21.79%
Phân tích mô phỏng số cho kết quả lực phá hoại mẫu tương đối sát
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. Điều này chứng tỏ độ cứng chịu
cắt dự đoán của liên kết khi chịu nén thủng từ phân tích số lớn hơn so với
kết quả tương ứng từ thực nghiệm. Ta cũng có thể nhận thấy điều vừa nêu
ở các nghiên cứu tương tự khác đã được công bố khi mô phỏng ứng xử
chịu cắt của cấu kiện bê tông cốt thép, kể cả dầm chịu cắt lẫn liên kết sàn
– cột chịu cắt thủng. Điều này là do hạn chế của mô hình bê tông có sẵn
trong thư viện của phần mềm ABQUS và cần được nghiên cứu làm rõ trong
các nghiên cứu khác.
3.4 Áp dụng tính toán khả năng nén thủng cực hạn của mẫu S-02-MV theo các tiêu chuẩn TCVN 5574:2012, EC2 và ACI 318-11
3.5 Kết luận
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 cho thấy tải trọng nén thủng
và giá trị của các đại lượng cơ học chênh lệch trong phạm vi 10.0%. Hình
dạng và kích thước tháp nén thủng trong mô phỏng số bằng phần mềm ba
chiều ABAQUS tương đối tương đồng với kết quả thực nghiệm.
23
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
1. Kết luận
Nghiên cứu đã đề xuất một loại chi tiết liên kết mới giữa sàn phẳng
BTCT với 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.
Qua kết quả nghiên cứu thực nghiệm và kết quả mô phỏng số của
liên kết sàn phẳng – cột BTCT toàn khối và liên kết mới được đề xuất, có
thể đưa ra một số kết luận sau:
− 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
