Phân tích ứng xử nút dầm cột bê tông cốt thép sử dụng cốt sợi dưới tác động của tải trọng ngang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


LÊ THÁI TRI

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ NÚT DẦM - CỘT BÊ TƠNG CỐT
THÉP SỬ DỤNG CỐT SỢI DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI
TRỌNG NGANG

Chun ngành: Xây dựng cơng trình dân dụng và cơng nghiệp
Mã ngành:

60.58.20

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 09 năm 2013


Cơng trình được hồn thành tại: Trường đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học 1:

TS. NGUYỄN MINH LONG

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2:

TS. TRẦN CAO THANH NGỌC

Cán bộ chấm nhận xét 1:

TS. NGÔ HỮU CƯỜNG

Cán bộ chấm nhận xét 2:

TS. LÊ VĂN CẢNH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 09 tháng 09 năm 2013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS ĐỖ KIẾN QUỐC
2. TS. NGUYỄN SỸ LÂM
3. TS. NGÔ HỮU CƯỜNG
4. TS. LÊ VĂN CẢNH
5. TS. NGUYỄN MINH LONG
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Bộ môn quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

PGS. TS ĐỖ KIẾN QUỐC

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

----------------

---oOo---

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:LÊ THÁI TRI

Phái:

Ngày, tháng, năm sinh: 25/10/1986

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chun ngành: Xây dựng cơng trình DD&CN

MSHV:

Nam
11211021

1. TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ NÚT DẦM - CỘT BÊ TÔNG CỐT
THÉP SỬ DỤNG CỐT SỢI DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI
TRỌNG NGANG
2. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
 Khảo sát và phân tích ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép, cốt đai và lực dọc
trục trong cột đến ứng xử nút dầm-cột BTCT sử dụng sợi thép chịu tác động
của tải trọng ngang bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
 Xây dựng mơ hình dự đốn khả năng kháng cắt của nút dưới tác động của tải
trọng ngang theo phương pháp thanh chống-giằng.

3. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : tháng 01 năm 2013
4. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : tháng 07 năm 2013
5. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1: TS. NGUYỄN MINH LONG
HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2: TS. TRẦN CAO THANH NGỌC
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2013
CB HƯỚNG DẪN 1

CB HƯỚNG DẪN 2

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

BAN QUẢN LÝ
CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

TS. NGUYỄN MINH LONG

TS. TRẦN CAO THANH NGỌC

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Minh Long,
người đã tận tình dẫn dắt và hướng dẫn tơi ngay từ bước đầu làm quen với

công việc nghiên cứu khoa học đến lúc hồn thành luận văn. Thầy đã khun bảo
tơi về cách nhận định đúng đắn trong các vấn đề nghiên cứu của đề tài với những
lời khuyên bổ ích và truyền đạt cho tơi những kiến thức q báu. Lịng tận tình
của thầy cho tơi về hình ảnh một người thầy đáng kính trong sự nghiệp giáo dục.
Tơi cũng xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS. Trần Cao Thanh Ngọc, người
đã định hướng ban đầu và hướng dẩn cụ thể cho tơi trong suốt q trình thực hiện
luận văn.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trường đại học Bách khoa Tp. HCM, các thầy cô
trực tiếp tham gia giảng dạy đã truyền đạt những kiến thức và phương pháp học
tập, nghiên cứu.
Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ của bạn bè, các anh chị học viên khoá 2011.
Tôi xin cảm ơn ban giám đốc và đồng nghiệp công ty TNHH Tư Vấn Thiết Kế Phú
Mỹ đã hổ trợ và tạo điều kiện cho tơi trong q trình học tập.
Sau cùng, tơi muốn tỏ lịng biết ơn đến cha mẹ, em gái và bạn gái đã luôn bên cạnh
động viên tinh thần, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian học
tập và thực hiện luận văn.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2013

Lê Thái Tri


ii

MỤC LỤC
Lời cảm ơn ........................................................................................................ i
Danh mục hình vẽ ........................................................................................... v
Danh mục bảng biểu ...................................................................................... ix
Danh mục kí hiệu ............................................................................................ x
Chương 1. GIỚI THIỆU ................................................................................. 1

Chương 2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU .................................................... 4
2.1.

Sơ lược về bê tông sợi thép ........................................................................... 4

2.2.

Nghiên cứu thực nghiệm nút dầm-cột có sử dụng sợi thép ........................... 5

2.3.

Nghiên cứu ứng xử nút dầm-cột bằng phương pháp phần tử hữu hạn ........ 12

2.4.

Các cơng thức tính toán khả năng kháng cắt của nút dầm-cột .................... 15

2.4.1. Tiêu chuẩn Mỹ (ACI 318, 2005) ................................................................. 15
2.4.2. Tiêu chuẩn New Zealand (NZS 3101, 1995)............................................... 15
2.4.3. Công thức đề nghị bởi Somma (2010) ........................................................ 16
2.5.

Tình hình nghiên cứu ứng dụng sợi thép trong nước .................................. 17

Chương 3. MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ...... 19
3.1.

Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................... 19

3.2.

Ý nghĩa nghiên cứu...................................................................................... 19

3.2.1. Ý nghĩa khoa học ......................................................................................... 19
3.2.2. Ý nghĩa thực tiễn ......................................................................................... 19
3.3.

Nội dung nghiên cứu ................................................................................... 20

Chương 4. MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN ............................................ 21
4.1.

Mơ hình phần tử, ràng buộc, điều kiện biên, điều kiện tải trọng, phi tuyến

vật liệu và hình học. ................................................................................................ 21


iii

4.1.1. Phần tử khối ................................................................................................. 21
4.1.2. Phần tử thanh ............................................................................................... 22
4.1.3. Ràng buộc .................................................................................................... 22
4.1.4. Điều kiện biên .............................................................................................. 23
4.1.5. Điều kiện tải trọng ....................................................................................... 24
4.1.6. Phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học ..................................................... 24
4.2.

Mơ hình vật liệu ........................................................................................... 25

4.2.1. Mơ hình phá hoại của bê tơng ...................................................................... 25

4.2.2. Bê tông thường ............................................................................................ 27
4.2.3. Bê tông sợi thép ........................................................................................... 30
4.2.4. Cốt thép thanh .............................................................................................. 32
4.3.

Phương pháp giải ......................................................................................... 32

4.3.1. Giải bài toán phi tuyến trong Abaqus .......................................................... 33
4.3.2. Bước, bước tăng tải, và bước lặp (Steps, increments, and iterations) ......... 33
4.3.3. Sự hội tụ (convergence) ............................................................................... 34
4.4.

Mô phỏng số và kiểm chứng tính chính xác của kết quả mô phỏng với kết

quả thực nghiệm ...................................................................................................... 36
4.4.1. Nút biên Kwon và cộng sự (2011 ).............................................................. 37
4.4.2. Nút biên Liu và Cong (2006)....................................................................... 48
4.4.3. Nút biên Tang và cộng sự (1992) ................................................................ 56
4.5.

Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng thép đai và hàm lượng sợi đến ứng xử

của nút ..................................................................................................................... 61
4.5.1. Ảnh hưởng của hàm lượng thép đai ............................................................ 62
4.5.2. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi .................................................................... 65
4.6.

Khảo sát ảnh hưởng của tải trọng đứng đến ứng xử của nút ....................... 68

iv

Chương 5. MƠ HÌNH THANH CHỐNG GIẰNG ..................................... 73
5.1.

Phân tích lực tại nút ..................................................................................... 73

5.2.

Mơ hình thanh chống-giằng......................................................................... 75

5.3.

Kiểm chứng và nhận xét .............................................................................. 76

Chương 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................... 80
6.1.

Kết luận ...................................................................................................... 80

6.2.

Kiến nghị .................................................................................................... 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 82


v

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Cơng trình sụp đổ do động đất ở Turkey, 1999 ................................................................. 1
Hình 1.2. Nút dầm cột bị phá hoại do động đất (Kocaeli và Izmit, Turkey,1999) ............................ 2
Hình 1.3. Tịa nhà 15 tầng sụp đổ và nút khung bị phá hoại do động đất (Chichi, Taiwan, 9/1999) 2
Hình 2.1. Sự phá hủy của bê tơng sợi thép ........................................................................................ 4
Hình 2.2. Một số loại sợi thép ........................................................................................................... 5
Hình 2.3. Cấu tạo nút khung trong thí nghiệm của Gefken và Ramey (1989)................................... 6
Hình 2.4. Hình dạng và cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Tang và cộng sự (1992) .... 7
Hình 2.5. Hình dạng và cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Filiautrault và cộng sự
(1995): (a) Nút biên; (b) Nút giữa ..................................................................................................... 8
Hình 2.6. Chi tiết mẫu thí nghiệm điển hình trong nghiên cứu của Gebman (2001) ........................ 9
Hình 2.7. Hình dạng và cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Gencoglu và Eren (2002) .10
Hình 2.8. Hình dạng và cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Shannag và cộng sự (2005)
...........................................................................................................................................................11
Hình 2.9. Cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Liu và Cong (2006) ................................12
Hình 2.10. Mơ hình nút trong nghiên cứu của Mitra (2007): (a) Mơ hình PTHH; (b) Mơ hình các
thành phần của nút ............................................................................................................................13
Hình 2.11. Mẫu thí nghiệm và mơ hình thanh chống giằng trong nghiên cứu của Li và Tran (2009)
...........................................................................................................................................................14
Hình 2.12. Mơ hình phần tử hữu hạn của Li và cộng sự (2009) ......................................................14
Hình 2.13. Mơ hình nút trong nghiên cứu của Birely và cộng sự (2011) .........................................15
Hình 4.1. Phần tử Abaqus sử dụng ...................................................................................................22
Hình 4.2. Khai báo ứng xử nén của bê tơng trong Abaqus ..............................................................24
Hình 4.3. Hiệu ứng P-delta ..............................................................................................................25
Hình 4.4. Khai báo xét ứng xử phi tuyến hình học của kết cấu ........................................................25
Hình 4.5. Mặt phá hoại của bê tơng theo mơ hình của Lubliner và cộng sự (1989) ........................26
Hình 4.6. Quan hệ ứng suất-biến dạng bê tơng khi chịu nén ...........................................................28
Hình 4.7. Quan hệ ứng suất-biến dạng bê tơng khi chịu kéo ...........................................................29
Hình 4.8. Quan hệ ứng suất-biến dạng bê tông khi chịu nén ...........................................................30

vi

Hình 4.9. Quan hệ ứng suất-biến dạng bê tơng khi chịu kéo ...........................................................31
Hình 4.10. Quan hệ ứng suất-biến dạng thép với ứng xử tái bền tuyến tính ....................................32
Hình 4.11. Ngoại lực và nội lực trên vật thể (Abaqus, 2010) ..........................................................34
Hình 4.12. Bước lặp đầu tiên (Abaqus, 2010)..................................................................................35
Hình 4.13. Bước lặp thứ hai (Abaqus, 2010) ...................................................................................36
Hình 4.14. Chi tiết mẫu NC3 ............................................................................................................38
Hình 4.15. Chi tiết mẫu NC2-F0, NC2-F1, NC2-F1.5 .....................................................................38
Hình 4.16. Chi tiết mẫu NC1-F0 ......................................................................................................39
Hình 4.17. Mơ hình thí nghiệm Kwon và cộng sự (2011 )................................................................39
Hình 4.18. Mơ hình PTHH trong Abaqus.........................................................................................40
Hình 4.19. Quan hệ lực ngang và chuyển vị tại vị trí đầu dầm mẫu NC3........................................42
Hình 4.20. Quan hệ lực ngang và chuyển vị tại vị trí đầu dầm mẫu NC2-F0 ..................................42
Hình 4.21. Quan hệ lực ngang và chuyển vị tại vị trí đầu dầm mẫu NC1-F0 ..................................43
Hình 4.22. Quan hệ lực ngang và chuyển vị tại vị trí đầu dầm mẫu NC2-F1 ..................................43
Hình 4.23. Quan hệ lực ngang và chuyển vị tại vị trí đầu dầm mẫu NC2-F1.5 ...............................44
Hình 4.24. Kiểu phá hoại của nút NC2-F0: (a) từ PTHH; (b) từ thí nghiệm ..................................45
Hình 4.25. Hướng nứt của nút NC2-F0 ............................................................................................45
Hình 4.26. Kiểu phá hoại của nút NC2-F0: (a) từ PTHH; (b) từ thí nghiệm ..................................46
Hình 4.27. Hướng nứt của nút NC2-F1.5.........................................................................................46
Hình 4.28. Ứng suất trong cốt thép nút NC2-F0 ..............................................................................47
Hình 4.29. Ứng suất trong cốt thép mẫu NC2-F1.5 .........................................................................47
Hình 4.30. Chi tiết mẫu RC-6 ...........................................................................................................48
Hình 4.31. Chi tiết mẫu SF-4 ...........................................................................................................49
Hình 4.32. Chi tiết mẫu SF-5 ...........................................................................................................49
Hình 4.33. Mơ hình mơ phỏng ..........................................................................................................50
Hình 4.34. Quan hệ lực ngang và chuyển vị tại vị trí đầu dầm mẫu RC-6 ......................................52
Hình 4.35. Quan hệ lực ngang và chuyển vị tại vị trí đầu dầm mẫu SF-4 .......................................52

vii

Hình 4.36. Quan hệ lực ngang và chuyển vị tại vị trí đầu dầm mẫu SF-5 .......................................53
Hình 4.37. Kiểu phá hoại của nút RC-6: (a) từ mơ hình PTHH; (b) từ thí nghiệm ........................54
Hình 4.38. Kiểu phá hoại của nút SF-5: (a) từ mơ hình PTHH; (b) từ thí nghiệm .........................54
Hình 4.39. Ứng suất trong cốt thép mẫu RC-6 .................................................................................55
Hình 4.40. Chi tiết mẫu SF3 .............................................................................................................56
Hình 4.41. Chi tiết mẫu SF5 .............................................................................................................57
Hình 4.42. Mơ hình PTHH ...............................................................................................................57
Hình 4.43. Quan hệ lực ngang và chuyển vị tại vị trí đầu dầm mẫu SF3 ........................................59
Hình 4.44. Quan hệ lực ngang và chuyển vị tại vị trí đầu dầm mẫu SF5 ........................................59
Hình 4.45. Kiểu phá hoại của nút SF3: (a) từ PTHH; (b) từ thí nghiệm ........................................60
Hình 4.46. Ứng suất trong cốt thép mẫu SF3 ...................................................................................60
Hình 4.47. Ứng suất trong cốt thép mẫu SF5 ...................................................................................61
Hình 4.48. Ảnh hưởng của hàm lượng thép đai đến sự làm việc của nút khung theo mơ hình mẫu
RC-6 (Liu và Cong, 2006) .................................................................................................................63
Hình 4.49. Ảnh hưởng của hàm lượng thép đai đến sự làm việc của nút khung theo mơ hình mẫu
NC-3 (Kwon và cộng sự, 2011) .........................................................................................................63
Hình 4.50. Ảnh hưởng của hàm lượng thép đai đến sự làm việc của nút khung theo mơ hình mẫu
SF3 (Tang và cộng sự, 1992) ............................................................................................................64
Hình 4.51. Độ gia tăng khả năng chịu lực ngang theo hàm lượng thép đai ....................................64
Hình 4.52. Độ gia tăng khả năng hấp thụ năng lượng theo hàm lượng thép đai .............................65
Hình 4.53. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến sự làm việc của nút khung theo mơ hình mẫu
NC2 (Kwon và cộng sự, 2011) ..........................................................................................................66
Hình 4.54. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến sự làm việc của nút khung theo mơ hình mẫu
SF-4 (Liu và Cong, 2006) .................................................................................................................66
Hình 4.55. Ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến sự làm việc của nút khung theo mơ hình mẫu
SF5 (Tang và cộng sự, 1992) ............................................................................................................67
Hình 4.56. Độ gia tăng khả năng chịu lực ngang theo hàm lượng sợi thép.....................................68

Hình 4.57. Độ gia tăng khả năng hấp thụ năng lượng theo hàm lượng sợi thép .............................68
Hình 4.58. Ảnh hưởng của lực đứng đến sự làm việc của nút bê tơng thường theo mơ hình mẫu
RC-6 (Liu và Cong, 2006) .................................................................................................................69


viii

Hình 4.59. Ảnh hưởng của lực đứng đến sự làm việc của nút bê tơng sợi thép theo mơ hình mẫu
SF-4 (Liu và Cong, 2006) .................................................................................................................70
Hình 4.60. Ảnh hưởng của lực đứng đến sự làm việc của nút bê tông sợi thép theo mơ hình mẫu
SF3 (Tang và cộng sự, 1992) ............................................................................................................70
Hình 4.61. Độ gia tăng khả năng chịu lực ngang theo giá trị lực dọc .............................................71
Hình 4.62. Độ giảm khả năng hấp thụ năng lượng theo giá trị lực dọc ..........................................71
Hình 5.1. Lực tác dụng tại nút biên dầm - cột ..................................................................................74
Hình 5.2. Cơ cấu truyền lực qua nút biên dầm và cột (Tsonos, 2007) .............................................75
Hình 5.3. Bề rộng của thanh chống xiên ..........................................................................................76
Hình 5.4. Hình dạng vết nứt trong nút khi bị phá hoại ....................................................................77
Hình 5.5. Mơ hình thanh chống-giằng cho nút dầm-cột NC1-F0 ....................................................77
Hình 5.6. Mơ hình thanh chống-giằng cho nút dầm-cột RC-6 .........................................................78
Hình 5.7. Mơ hình thanh chống-giằng cho nút dầm-cột: (a) NC1-F1 (Kwon và cộng sự, 2011); (b)
SF-4 (Liu và Cong, 2006) .................................................................................................................79


ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 4.1. Đặc trưng vật liệu mẫu NC3, NC2-F0, NC1-F0 .............................................................40
Bảng 4.2. Đặc trưng vật liệu mẫu NC2-F1, NC2-F1.5 ...................................................................41
Bảng 4.3. Bảng so sánh kết quả giữa thực nghiệm và PTHH ..........................................................44
Bảng 4.4. Đặc trưng vật liệu mẫu RC-6 ...........................................................................................50

Bảng 4.5. Đặc trưng vật liệu mẫu SF-4 và SF-5 ..............................................................................51
Bảng 4.6. Bảng so sánh kết quả giữa thực nghiệm và PTHH ..........................................................53
Bảng 4.7. Đặc trưng vật liệu mẫu SF3, SF5 .....................................................................................58
Bảng 4.8. Bảng so sánh kết quả giữa thực nghiệm và PTHH ..........................................................60
Bảng 4.9. Bảng so sánh kết quả khi tăng hàm lượng sợi thép ..........................................................67


x

DANH MỤC KÍ HIỆU
σc

ứng suất nén của bê tơng, MPa

εc

biến dạng của bê tông

ε c'

biến dạng tương ứng với cường độ nén f c'

γm

thông số được dùng định nghĩa đường cong ứng suất-biến dạng của bê tông

E

module đàn hồi của bê tông thường, MPa

Ecf

module đàn hồi của bê tông sợi thép, MPa

Es

module đàn hồi của thép, MPa

f c'

cường độ chịu nén của bê tơng thường (mẫu hình trụ), MPa

f cf'

cường độ chịu nén của bê tông sợi thép, MPa

f ct

cường độ chịu kéo của bê tông thường, MPa

f cft

cường độ chịu kéo của bê tông sợi thép, MPa

f sy

ứng suất chảy dẻo của thép, MPa

f su

ứng suất cực hạn của thép, MPa

ν

hệ số poisson

ε su

biến dạng cực hạn

Vf

hàm lượng sợi thép

lf

chiều dài sợi thép

df

đường kính sợi thép sợi thép

k

hệ số dẻo (plasticity number)

Ec1

mô đun cát tuyến từ gốc tọa độ đến vị trí ứng suất nén cực hạn

Ag

diện tích tiết diện cột

N

tải trọng đứng


1

Chương 1. GIỚI THIỆU
Trong khung bê tông cốt thép (BTCT) của các cơng trình dân dụng, nút dầm-cột
đóng vai trị rất quan trọng. Dưới tác động của tải trọng ngang, đặc biệt là tải trọng
động đất, nút bị phá hoại dẫn đến sự sụp đổ hồn tồn của cả cơng trình (Hình 1.1,
1.2 và 1.3).

Hình 1.1. Cơng trình sụp đổ do động đất ở Turkey, 1999
Dưới tác động của tải ngang hay động đất, nút khung BTCT là vị trí bị phá hoại đầu
tiên và gây sụp đổ toàn bộ cơng trình sau đó. Từ thực tế trên, một số tiêu chuẩn hiện
hành (ACI 318, 2005; NZS 3101, 1995) đã đề xuất các phương pháp cấu tạo cốt
thép đặc biệt nhằm tăng cường khả năng chịu lực cho nút và song song với đó là các
phương pháp tính tốn kiểm tra. Một số các phương pháp cấu tạo cốt thép cho nút
khung chịu tải trọng ngang đã được biết như là cốt đai dạng lưới, bổ sung thêm cốt
dọc thành dầm… Gần đây, phương pháp dùng sợi thép tăng cường vào nút khung
đã và đang được nghiên cứu và bước đầu đã cho thấy được tính khả thi và hiệu quả
trong việc làm tăng khả năng chịu lực, độ dẻo dai, khả năng hấp thụ năng lượng của
nút (Filiautrault và cộng sự, 1995; Gebman, 2001; Shannag và cộng sự, 2005; Liu
và Cong, 2006). Ngồi ra, sợi thép cịn làm tăng khả năng bám dính và tăng khả
năng neo của cốt thép (Tang và cộng sự, 1992; Shannag và cộng sự, 2005). Bên

cạnh đó việc bổ sung sợi thép làm giảm khoảng cách cốt đai, giúp cho quá trình thi


2

công trở nên thuận tiện hơn (Gefken và Ramey, 1989). Tuy vậy, do đặc điểm cơ học
phức tạp của nút dưới tác động của tải trọng ngang, cùng với nhiều yếu tố kỹ thuật
và kinh tế, việc khảo sát ảnh hưởng của tất cả các biến số đối với sự làm việc và khả
năng chịu lực của nút BTCT có hay khơng có sử dụng sợi thép bằng phương pháp
thực nghiệm gặp rất nhiều khó khăn. Cho đến thời điểm hiện tại, số lượng các
nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử của nút khung BTCT có sử dụng sợi thép là rất
ít. Trước thực trạng trên, phương pháp nghiên cứu số thật sự đã trở thành một lựa
chọn thích hợp hơn cho việc nghiên cứu ứng xử của nút khung.

Hình 1.2. Nút dầm cột bị phá hoại do động đất (Kocaeli và Izmit, Turkey,1999)

Hình 1.3. Tịa nhà 15 tầng sụp đổ và nút khung bị phá hoại do động đất (Chichi,
Taiwan, 9/1999)


3

Để phục vụ cho việc tính tốn khả năng chịu lực của nút khung sử dụng sợi thép,
một số tác giả đã đề xuất cơng thức tính (Somma, 2010; Liu và Cong, 2006). Tuy
nhiên, hầu hết là dựa trên kết quả thực nghiệm của một số lượng mẫu thí nghiệm rất
hạn chế. Thực tế này cho thấy, việc đề xuất một mơ hình tính tốn cơ học thể hiện
được bản chất vật lý để mô phỏng ứng xử và dự đốn được khả năng chịu lực của
nút khung bê tơng cốt sợi nhằm phục vụ cho công tác thiết kế là thật sự cần thiết.
Đề tài áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) để mô phỏng và phân tích
ứng xử của nút khung BTCT có sử dụng sơi thép. Kết quả từ phương pháp PTHH

bước đầu được so sánh với kết quả thực nghiệm để kiểm tra tính chính xác của
phương pháp. Dựa vào phương pháp này, sau đó ảnh hưởng của các tham số như
hàm lượng thép đai, hàm lượng sợi thép và giá trị lực dọc đối với sự làm việc của
nút sẽ được khảo sát chi tiết. Ngồi ra, một mơ hình thanh chống-giằng đơn giản
cũng được đề xuất để mô phỏng ứng xử và dự đoán khả năng chịu lực của nút
khung BTCT dùng sợi thép chịu tác dụng của tải trọng ngang.


4

Chương 2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
2.1.

Sơ lược về bê tông sợi thép

Bê tông sợi thép (SFRC) là hỗn hợp gồm vữa xi măng, cốt liệu mịn. cốt liệu thô và
sợi thép. Dưới tác dụng của lực kéo, bê tông sợi thép sẽ bị phá hoại khi sợi thép bị
đứt gãy hoặc bị kéo tuột ra khỏi bê tơng (Hình 2.1).

Hình 2.1. Sự phá hủy của bê tông sợi thép
Sợi thép được sử dụng trong hỗn hợp bê tơng có chiều dài từ 7 đến 80mm, tỉ lệ
chiều dài trên đường kính từ 20 đến 100. Sợi thép có nhiều hình dạng khác nhau:
dạng thẳng, dạng có gờ và dạng lượn sóng Hình 2.2.
Khả năng bám dính và cường độ là hai đặc tính quan trọng của sợi thép. Khả năng
bám dính phụ thuộc vào tỉ lệ chiều dài sợi thép trên đường kính thép và dạng hình
học của sợi.


5

Đặc tính của bê tơng sợi thép phụ thuộc vào đặc tính của bê tơng (cường độ và mơ
đun đàn hồi), đặc tính của sợi thép (hàm lượng, cường độ, mơ đun đàn hồi và khả
năng bám dính của sợi thép).

Hình 2.2. Một số loại sợi thép
So với bê tơng truyền thống, sử dụng sợi thép với hàm lượng 1.5% không làm tăng
đáng kể cường độ chịu nén của bê tông (0 đến 15%), nhưng làm tăng đáng kể cường
độ chịu kéo của bê tơng (30% đến 40%). Ngồi ra, khả năng kháng cắt có thể tăng
đến 30% ứng với hàm lượng sợi thép 1%.
2.2.

Nghiên cứu thực nghiệm nút dầm-cột có sử dụng sợi thép

Gefken và Ramey (1989) khảo sát thực nghiệm ứng xử của nứt khung biên có sử
dụng sợi thép chịu tải trọng ngang. Thí nghiệm được tiến hành trên 10 mẫu có kích
thước hình học giống nhau (Hình 2.3). Hàm lượng sợi thép trong các mẫu như nhau
và bằng 2% (tính theo thể tích). Sợi thép sử dụng trong thí nghiệm thuộc dạng sợi
thẳng, tiết diện trịn. Chiều dài và đường kính sợi thép lần lượt là 25 mm và 0.41
mm. Các kết quả về tính dẻo, tải trọng giới hạn và bề rộng vết nứt của những nút


6

khung sử dụng sợi thép được so sánh với nút khung BTCT truyền thống. Kết quả
cho thấy rằng sử dụng sợi thép trong nút khung không chỉ tăng khoảng cách cốt đai
mà cịn có thể bỏ cốt đai, tăng tính dẻo tốt hơn và tăng khả năng chịu lực so với mẫu
nút khung BTCT truyền thống.

Hình 2.3. Cấu tạo nút khung trong thí nghiệm của Gefken và Ramey (1989)
Tang và cộng sự (1992) thực hiện nghiên cứu thực nghiệm trên 5 mẫu nút khung

biên (Hình 2.4a) và 7 mẫu nút khung giữa (Hình 2.4b) chịu tác động của tải trọng
đứng điều hịa. Thí nghiệm sử dụng hai loại sợi thép khác nhau: (i) sợi thép hình
chữ nhật dài 25-30mm, có kích thước tiết diện 4×4 mm và 5×5mm, được cắt ra từ
những tấm thép có hàm lượng carbon thấp; và (2i) sợi thép trịn có đường kính 0.70.8 mm dài 50-55mm. Dựa trên kết quả thí nghiệm, tác giả đã đề xuất một công
thức để xác định khả năng kháng cắt của sợi thép có dạng như sau:
Ff = 2

lf
df

V f Aj

Ngồi ra, kết quả thí nghiệm cho thấy sử dụng sợi thép làm tăng khả năng kháng
nứt cắt và khả năng hấp thụ năng lượng. Với những mẫu nút khung biên, sự trượt
của thép dọc trong nút có cốt sợi giảm nhiều so với nút không sợi (8 mm xuống còn


7

0.46 mm). Với những mẫu nút khung giữa, sợi thép tăng khả năng bám dính và khả
năng neo của cốt thép dọc.

Hình 2.4. Hình dạng và cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Tang và
cộng sự (1992)
Filiautrault và cộng sự (1995) nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ số chiều dài và đường
kính và hàm lượng của sợi thép đến ứng xử của nút khung biên. Nghiên cứu được
tiến hành trên 4 mẫu nút khung biên và 4 mẫu nút khung giữa (Hình 2.5a và 2.5b).
Trong 4 mẫu nút biên, có hai mẫu nút khung BTCT truyền thống gồm 1 mẫu không
thiết kế cốt kháng chấn và 1 mẫu thiết kế cốt kháng chấn theo tiêu chuẩn Canada
(CSA-A23.3, 1994); 2 mẫu cịn lại khơng thiết kế cốt kháng chấn nhưng được bổ

sung sợi thép với hàm lượng (1% và 1.6%) và khác nhau về tỷ số về chiều dài và
đường kính ( l f / d f ) của sợi thép. Trong 3 mẫu nút giữa, mẫu 1 là mẫu nút khung
BTCT không được thiết kế cốt kháng chấn dùng để đối chứng; mẫu 2 được thiết kế
cốt kháng chấn; và mẫu 3 không được thiết kế kháng chấn nhưng có sử dụng sợi


8

thép. Các mẫu có kích thước hình học như nhau. Kết quả cho thấy việc sử dụng sợi
thép trong nút dầm-cột không những giảm hàm lượng cốt đai mà đảm bảo tính dẻo,
khả năng tiêu tán năng lượng như các nút khung được thiết kế cốt thép kháng chấn
truyền thống.

(a)

(b)
Hình 2.5. Hình dạng và cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Filiautrault
và cộng sự (1995): (a) Nút biên; (b) Nút giữa


9

Gebman (2001) thực hiện thí nghiệm trên 6 mẫu (Hình 2.6) nút dầm-cột biên với tỉ
lệ mơ hình 1/2, trong đó, gồm 2 mẫu BTCT truyền thống và 4 mẫu BTCT sử dụng
sợi thép với hàm lượng 2%. Khoảng cách cốt đai trong 2 mẫu BTCT truyền thống là
102 mm, trong 4 mẫu có sử dụng cốt sợi cịn lại là 152 mm và 203 mm. Kết quả thí
nghiệm cho thấy sợi thép cải thiện đáng kể khả năng chịu tải của nút và giảm bề
rộng vết nứt. Khả năng tiêu tán năng lượng của nút có sợi thép tăng xấp xỉ 100%
cho mẫu có khoảng cách thép đai là 203 mm và 300% cho mẫu có khoảng cách cốt
đai là 152 mm so với nút BTCT truyền thống và những nút có sợi thép có nhiều vết

nứt hơn.
#2 ties @4'
2 #8

#3 ties @4''

#2 ties @4''

2 #8

#4

2 #5

2 #6

#4

1'

2 #4

0'-10''

2 #5
2 #5

#3 ties @4''

4 #5 Vertical

1'-3'

0'-10''

4 #7 Vertical

1'

2 #5

3 #4

2 #6
#6

#4
1'

2'

#6

Second Floor Level Ductile Frame

0'-10''

Half - Scale Conventional Joint

Hình 2.6. Chi tiết mẫu thí nghiệm điển hình trong nghiên cứu của Gebman

(2001)
Gencoglu và Eren (2002) khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng sợi thép trên 4 mẫu nút
biên (Hình 2.7). Hai mẫu đầu tiên có sử dụng thép đai, hai mẫu còn lại sử dụng sợi
thép và tăng khoảng cách cốt đai trong nút. Sợi thép có chiều dài 60 mm và đường
kính 0.8 mm, giới hạn chảy là 1000 MPa. Hàm lượng thép sợi được sử dụng là 1%.
Kết quả cho thấy sử dụng sợi thép trong nút cho phép giảm hàm lượng thép đai. Sợi
thép tăng tính dẻo, khả năng chịu cắt và cải thiện khả năng hấp thụ năng lượng. Tuy
vậy, các tác giả kiến nghị nên sử dụng cả sợi thép và thép đai trong nút.


10

Hình 2.7. Hình dạng và cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Gencoglu
và Eren (2002)
Shannag và cộng sự (2005) nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng và hàm lượng sợi
thép đến ứng xử và khả năng kháng cắt của nút khung giữa chịu tác dụng của tải
trọng ngang điều hòa. Nghiên cứu được thực hiện trên 6 mẫu nút dầm-cột có kích
thước hình học bằng 1/3 so với kích thước thật (Hình 2.8), trong đó, 1 mẫu khơng
thiết kế cốt thép kháng chấn, 1 mẫu được thiết kế cốt thép kháng chấn; 4 mẫu còn
lại sử dụng sợi thép với hình dạng và hàm lượng khác nhau. Từ kết quả thực
nghiệm, một số kết luận đã được rút ra như sau: (i) sử dụng sợi thép cải thiện đáng
kể ứng xử của nút như khả năng kháng cắt tốt hơn, tính dẻo cao hơn, khả năng tiêu
tán năng lượng tốt hơn và sự suy giảm độ cứng chậm hơn; (2i) những mẫu dùng sợi
thép có móc, ứng xử tốt hơn so với mẫu có sợi thép thẳng do khả năng bám dính tốt
hơn của những sợi thép có móc.


11

Hình 2.8. Hình dạng và cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Shannag

và cộng sự (2005)
Liu và Cong (2006) thử nghiệm 7 mẫu nút khung (Hình 2.9). Nhóm 1 gồm 3 mẫu
khơng thiết kế kháng chấn, trong đó 1 mẫu khơng có sợi thép và hai mẫu có sợi thép
trong nút với hàm lượng lần lượt là 1% và 2%. Nhóm 2 gồm 4 mẫu thiết kế kháng
chấn theo NZS 3101 (1995), trong đó mẫu số 1 kết hợp đai và sợi thép hàm lượng
1% trong nút; mẫu số 2 giống mẫu số 1 nhưng giảm hàm lượng cốt thép đai 50%;
mẫu số 3 với khoảng cách thép đai lần lượt là 60mm và 70mm cho vùng tới hạn của
dầm và cột, chỉ có một đai tại nút và khơng có sợi thép; mẫu số 4 được thiết kế
kháng chấn đầy đủ theo tiêu chuẩn NZS 3101 (1995). Kết quả thí nghiệm cho thấy
việc sử dụng sợi thép trong nút làm tăng đáng kể khả năng kháng cắt, tăng tính dẻo.
Sử dụng sợi thép và thép đai tăng khả năng chịu lực, khả năng tiêu tán năng lượng.
Với hàm lượng cốt sợi 1%, khả năng kháng cắt của nút bằng với nút có chi tiết
kháng chấn truyền thống. Nghiên cứu cũng đề xuất cơng thức tính sức kháng cắt
của sợi thép như sau:
Ff = K f

lf
df

Vf

( 2.1)

Ghi chú: Các ký hiệu sử dụng trong cơng thức được trình bày trong phần Danh mục
ký hiệu.


12

(a)

(b)

(c)

(d)

Hình 2.9. Cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Liu và Cong (2006)
2.3.

Nghiên cứu ứng xử nút dầm-cột bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Al-Ta'an và Al-Saffar (2007) dùng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) để phân
tích ứng xử phi tuyến của nút dầm-cột có sử dụng sợi thép chịu tác động của tải
trọng điều hịa. Mơ hình mơ phỏng bê tơng bằng phần tử đẳng tham số tám nút, cốt
thép bằng phần tử hai nút. Phương pháp Newton Raphson được sử dụng cho thuật
giải phi tuyến. Kết quả mô phỏng thu được phù hợp so với thực nghiệm và vì vậy
có thể dùng để dự đốn khả năng chịu lực của nút khung.