Tài liệu ứng xử kháng chọc thủng của liên kết cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép

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 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Đà Nẵng − Năm 2019 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 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. NGÔ HỮU CƯỜNG PGS.TS. TRƯƠNG HOÀI CHÍNH Đà Nẵng − Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là Đinh Thị Như Thảo. Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi mà kết quả nghiên cứu là một phần của đề tài nghiên cứu hợp tác giữa Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. Hồ Chí Minh và Tập đoàn Thép JFE – Nhật Bản do PGS.TS Ngô Hữu Cường chủ trì. Công tác thí nghiệm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Kết cấu Công trình Bách Khoa (BKSEL), Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM. Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Đà Nẵng, ngày 20 tháng 4 năm 2019 Tác giả luận án Đinh Thị Như Thảo i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC ............................................................................................................. i DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................... v DANH MỤC BẢNG ........................................................................................... vi DANH MỤC HÌNH ẢNH ................................................................................. vii MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 1. Tính cấp thiết của luận án .......................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................... 2 3. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án ................................. 2 4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................... 2 5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 3 6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................. 3 7. Bố cục luận án .............................................................................................. 4 8. Đóng góp chính của luận án ....................................................................... 4 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFT VÀ LIÊN KẾT VỚI SÀN PHẲNG BTCT .................................................................................................................... 6 1.1. Cột ống thép nhồi bê tông ........................................................................... 6 1.2. Sàn phẳng bê tông cốt thép ....................................................................... 11 ii 1.3. Liên kết của sàn phẳng BTCT và cột CFT ............................................. 19 1.4. Ưu nhược điểm của các liên kết đã công bố của các tác giả .................. 40 1.5. Khả năng kháng nén thủng của sàn phẳng BTCT theo các tiêu chuẩn hiện hành ............................................................................................................ 42 1.6. Kết luận ...................................................................................................... 46 Chương 2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM LIÊN KẾT SÀN PHẲNG BTCT VÀ CỘT CFT .................................................................................................... 47 2.1. Mô hình thí nghiệm ................................................................................... 47 2.2. Thiết bị thí nghiệm .................................................................................... 56 iii 2.3. Tiến hành thí nghiệm và xử lý kết quả .................................................... 58 2.4. Kết luận ...................................................................................................... 81 Chương 3 PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA LIÊN KẾT SÀN PHẲNG BTCT VÀ CỘT CFT BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỐ....................................... 82 3.1. Đặt vấn đề ................................................................................................... 82 3.2. Giới thiệu về phần mềm ABAQUS .......................................................... 82 3.3. Các bài toán mô phỏng số của tác giả đã thí nghiệm ............................. 94 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 ............................... 118 iv 3.5. Kết luận .................................................................................................... 122 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................... 124 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC TÀI LIỆU THAM KHẢO v DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Ý nghĩa Ký hiệu BTCT Bê tông cốt thép CFT Ống thép nhồi bê tông (Concrete-Filled steel Tube) TTGH Trạng thái giới hạn ACI Viện Bê tông Hoa Kỳ (American Concrete Institute) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam EC Tiêu chuẩn Châu Âu (Eurocode) PTHH Phần tử hữu hạn vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Thông số mẫu thí nghiệm chuỗi thứ 1 của Satoh và Shimazaki (2004) [37] ...................................................................................................................... 21 Bảng 1.2: Thông số mẫu thí nghiệm chuỗi thứ 2 của Satoh và Shimazaki (2004) [37] ...................................................................................................................... 22 Bảng 1.3: Thông số mẫu thí nghiệm chuỗi thứ 3 của Satoh và Shimazaki (2004) [37] ...................................................................................................................... 23 Bảng 1.4: Thông số vật liệu mẫu thí nghiệm của Yan (2011) [44] .................... 30 Bảng 2.1: Số liệu của mẫu S-C-V và S-02-M-V................................................. 51 Bảng 2.2: Danh mục các thiết bị thí nghiệm ....................................................... 57 Bảng 2.3: Cấp phối bê tông B30 ......................................................................... 58 Bảng 2.4: Cường độ nén trung bình .................................................................... 59 Bảng 2.5: Cường độ kéo chẻ trung bình ............................................................. 59 Bảng 2.6: Lực nén thủng cực hạn của liên kết sàn phẳng BTCT − cột CFT và liên kết sàn phẳng − cột BTCT toàn khối .................................................................. 80 Bảng 3.1: Các công thức xác định các thông số đặc trưng của vật liệu bê tông. 84 Bảng 3.2: Các thông số đặc trưng của vật liệu bê tông mô phỏng ..................... 94 Bảng 3.3: Các dạng tương tác khi mô phỏng mẫu S-C-V .................................. 98 Bảng 3.4: So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng mẫu S-C-V .................. 101 Bảng 3.5: Các dạng tương tác khi mô phỏng mẫu S-02-M-V .......................... 107 Bảng 3.6: So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng mẫu S-02-M-V ............ 112 Bảng 3.7: So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng mẫu S-C-V và mẫu S-02M-V ................................................................................................................... 117 Bảng 3.8: Kết quả tính toán lực kháng nén thủng cực hạn theo các tiêu chuẩn của mẫu S-02-M-V .................................................................................................. 121 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 ........................................................................ 122 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cấu tạo điển hình của cột ống thép nhồi bê tông .................................. 7 Hình 1.2: Cấu tạo cột CFT đặc [17] ...................................................................... 7 Hình 1.3: Cấu tạo cột CFT mặt cắt rỗng [17] ....................................................... 8 Hình 1.4: Cấu tạo cột CFT được bọc BTCT [17] ................................................. 8 Hình 1.5: Cấu tạo cột CFT được gia cường bằng cốt thép, cốt cứng (thép hình) và sườn tăng cứng [17] .......................................................................................... 9 Hình 1.6: Tòa nhà Fleet Place House [34] .......................................................... 10 Hình 1.7: Tòa nhà Queensberry House [34] ....................................................... 10 Hình 1.8: Tòa nhà Strong Building ..................................................................... 11 Hình 1.9: Nén thủng sàn dạng hình côn với những góc 60o, 45o và 30o [31] ..... 12 Hình 1.10: Dạng phá hoại mẫu thí nghiệm của Kinnuen và Nylander (1960) [25] ............................................................................................................................. 13 Hình 1.11: Sự hình thành tháp nén thủng theo thí nghiệm Kinnuen và Nylander [25] ...................................................................................................................... 13 Hình 1.12: Sự sụp đổ của cao ốc Sampoong-Hàn Quốc do phá hoại nén thủng [16] ............................................................................................................................. 14 Hình 1.13: Sự sụp đổ của chung cư 2000 Commonwealth Avenue, Boston, Massachusetts, Hoa kỳ do phá hoại nén thủng [24]............................................ 14 Hình 1.14: Sự sụp đổ của căn hộ cao tầng Skyline Plaza ở Bailey’s Crossroad, Virginia, Hoa Kỳ do phá hoại nén thủng [38]..................................................... 15 Hình 1.15: Ba dạng phá hoại do nén thủng trong sàn phẳng BTCT − Menetrey (2002) [10]........................................................................................................... 16 Hình 1.16: Cốt thép chịu cắt tại liên kết cột − sàn phẳng BTCT [10], [32] ....... 16 Hình 1.17: Hệ cốt cứng chịu cắt − Corley và Hawkins (1968) [11] ................... 17 Hình 1.18: Sử dụng các chốt chịu cắt của Elgabry và Gali (1987) [14] ............. 18 Hình 1.19: Hệ băng kháng cắt của Pilakoutas và Li (2003) [36]........................ 18 Hình 1.20: Hệ liên kết chịu cắt “NUUL” của Subedi và Baglin (2003) [41] ..... 18 Hình 1.21: Hình dạng phá hoại của liên kết “NUUL” khi bị nén thủng [41] ..... 18 Hình 1.22: Chi tiết liên kết của Satoh và Shimazaki (2004) [37] ....................... 19 viii Hình 1.23: Mô hình thí nghiệm của Satoh và Shimazaki (2004) [37] ................ 20 Hình 1.24: Mô hình thí nghiệm chuỗi số 2 của Satoh và Shimazaki (2004) [37] ............................................................................................................................. 21 Hình 1.25: Cấu hình vết nứt của mẫu Ps.8 [37] .................................................. 22 Hình 1.26: Chi tiết mẫu thí nghiệm chuỗi số 3 của Satoh và Shimazaki (2004) [37] ............................................................................................................................. 23 Hình 1.27: Cấu hình vết nứt các mẫu chuỗi thí nghiệm thứ 3 [37] .................... 24 Hình 1.28: Chi tiết liên kết của Su và Tian (2010) [40] ..................................... 25 Hình 1.29: Cấu tạo mẫu thí nghiệm của Su và Tian (2010) [40] ........................ 26 Hình 1.30: Mô hình thí nghiệm của Su và Tian (2010) [40] .............................. 27 Hình 1.31: Quan hệ lực − chuyển vị đầu cột của mẫu SP1 [40] ......................... 27 Hình 1.32: Cấu tạo liên kết loại 1 của Yan (2011) [44] ...................................... 28 Hình 1.33: Mẫu thí nghiệm liên kết loại 1 của Yan (2011) [44] ........................ 29 Hình 1.34: Cấu tạo liên kết loại 2 của Yan (2011) [44] ...................................... 29 Hình 1.35: Mẫu thí nghiệm liên kết loại 2 của Yan (2011) [44] ........................ 30 Hình 1.36: Mô hình và công tác lắp đặt thí nghiệm của Yan (2011) [44] .......... 30 Hình 1.37: Sơ đồ vị trí theo phương đứng của liên kết chịu cắt [44] ................. 31 Hình 1.38: Mẫu thí nghiệm của Kim cùng cộng sự (2014) [23]......................... 33 Hình 1.39: Mô hình thí nghiệm của Kim cùng cộng sự (2014) [23] .................. 33 Hình 1.40: Hình dạng tháp nén thủng các mẫu thí nghiệm của Kim cùng cộng sự (2014) [23]........................................................................................................... 34 Hình 1.41: Chi tiết cấu tạo liên kết của Đào Ngọc Thế Lực cùng cộng sự (2017) [1], [3] .................................................................................................................. 35 Hình 1.42: So sánh ứng xử bề mặt sàn ở cấp tải P=480 kN và đường cong tải trọng – chuyển vị từ ABAQUS và thí nghiệm của Đào Ngọc Thế Lực cùng cộng sự (2017) [1], [3] ...................................................................................................... 35 Hình 1.43: Chi tiết cấu tạo liên kết của Nguyễn Quốc Nhật (2018) [2] ............. 36 Hình 1.44: Vết nứt trên sàn tại cấp tải 400 kN mẫu thí nghiệm của Nguyễn Quốc Nhật [2]................................................................................................................ 37 ix Hình 1.45: Sự phá hoại sàn tại cấp tải 440 kN mẫu thí nghiệm của Nguyễn Quốc Nhật [2]................................................................................................................ 37 Hình 1.46: Chi tiết cấu tạo liên kết của Trần Phan Nhật (2018) [5] ................... 38 Hình 1.47: Vết nứt đầu tiên tại cấp tải 43 kN mẫu thí nghiệm của Trần Phan Nhật [5] ........................................................................................................................ 39 Hình 1.48: Sự phá hoại sàn tại cấp tải 226 kN mẫu thí nghiệm của Trần Phan Nhật [5] ........................................................................................................................ 39 Hình 1.49: Tháp nén thủng theo TCVN 5574:2012 [4] ...................................... 42 Hình 1.50: Tháp nén thủng theo Tiêu chuẩn Châu Âu EC2 [13] ....................... 43 Hình 1.51: Tháp nén thủng theo Quy phạm Hoa Kỳ ACI 318-11 [8] ................ 45 Hình 2.1: Cấu tạo chi tiết của liên kết ................................................................. 49 Hình 2.2: Hình ảnh thực cấu tạo chi tiết cột, sườn, thép sàn của liên kết........... 49 Hình 2.3: Mặt bằng bố trí lớp thép trên mẫu S-C-V ........................................... 52 Hình 2.4: Mặt bằng bố trí lớp thép dưới mẫu S-C-V .......................................... 52 Hình 2.5: Mặt cắt A-A mẫu S-C-V ..................................................................... 53 Hình 2.6: Mặt bằng bố trí lớp thép trên mẫu S-02-M-V ..................................... 53 Hình 2.7: Mặt bằng bố trí lớp thép dưới mẫu S-02-M-V.................................... 54 Hình 2.8: Mặt cắt A-A mẫu S-02-M-V ............................................................... 54 Hình 2.9: Sơ đồ thí nghiệm ................................................................................. 55 Hình 2.10: Giai đoạn 1 − Cho liên kết chịu chuyển vị cưỡng bức đến giá trị mục tiêu H/140 ............................................................................................................ 55 Hình 2.11: Giai đoạn 2 − Tiến hành gia tải đứng cho đến khi liên kết phá hoại do nén thủng ............................................................................................................. 56 Hình 2.12: Cấu tạo hệ khung gia tải.................................................................... 57 Hình 2.13: Thí nghiệm nén và kéo chẻ mẫu bê tông .......................................... 59 Hình 2.14: Quan hệ ứng suất – biến dạng của thép tấm ..................................... 60 Hình 2.15: Quan hệ ứng suất – biến dạng của cốt thép sàn 14 ......................... 61 Hình 2.16: Mặt bằng lắp đặt chuyển vị kế cho mẫu S-C-V và S-02-M-V ......... 61 Hình 2.17: Mặt đứng lắp đặt chuyển vị kế cho mẫu S-C-V và S-02-M-V ......... 62 x Hình 2.18: Sơ đồ lắp đặt cảm biến đo biến dạng của cốt thép lớp trên mẫu S-C-V ............................................................................................................................. 63 Hình 2.19: Sơ đồ lắp đặt cảm biến đo biến dạng của bê tông mẫu S-C-V ......... 63 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 .................................................................................................... 64 Hình 2.21: Lắp đặt ván khuôn và cốt thép cho mẫu S-C-V ................................ 65 Hình 2.22: Đổ bê tông cho mẫu S-C-V ............................................................... 66 Hình 2.23: Lắp đặt ván khuôn và cốt thép cho mẫu S-02-M-V.......................... 66 Hình 2.24: Đổ bê tông cho mẫu S-02-M-V ........................................................ 66 Hình 2.25: Lắp đặt mẫu S-C-V vào khung gia tải .............................................. 68 Hình 2.26: Lắp đặt mẫu S-02-M-V vào giá gia tải ............................................. 68 Hình 2.27: Lắp đặt thiết bị gia tải cho mẫu S-C-V và S-02-M-V....................... 69 Hình 2.28: Lắp đặt chuyển vị kế cho mẫu S-C-V ............................................... 70 Hình 2.29: Lắp đặt chuyển vị kế cho mẫu S-02-M-V......................................... 70 Hình 2.30: Gắn cảm biến đo biến dạng của bê tông và cốt thép sàn cho mẫu S-CV và mẫu S-02-M-V............................................................................................ 70 Hình 2.31: Kết nối các dây cảm biến và chuyển vị kế vào data logger .............. 71 Hình 2.32: Đường quan hệ lực − chuyển vị mẫu S-C-V .................................... 72 Hình 2.33: Đường quan hệ lực − biến dạng của cốt thép sàn mẫu S-C-V .......... 72 Hình 2.34: Đường quan hệ lực − biến dạng của cốt thép sàn mẫu S-C-V .......... 73 Hình 2.35: Đường quan hệ lực − biến dạng của bê tông sàn mẫu S-C-V........... 73 Hình 2.36: Hình dạng tháp nén thủng của mẫu S-C-V ....................................... 74 Hình 2.37: Đường cong trễ lực – chuyển vị ngang đầu cột ................................ 75 Hình 2.38: Quan hệ lực – chuyển vị ngang đầu cột mẫu S-02-M-V .................. 76 Hình 2.39: Đường quan hệ lực – chuyển vị mẫu S-02-M-V .............................. 77 Hình 2.40: Đường quan hệ lực − biến dạng của cốt thép sàn mẫu S-02-M-V .. 77 Hình 2.41: Đường quan hệ lực − biến dạng của bê tông sàn mẫu S-02-M-V .... 78 Hình 2.42: Hình dạng tháp nén thủng của của mẫu S-02-M-V .......................... 79 Hình 3.1: Một số loại phần tử trong thư viện của ABAQUS [7] ........................ 83 Hình 3.2: Hệ tọa độ của phần tử C3D8 trong ABAQUS [7] .............................. 83 xi Hình 3.3: Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông khi chịu nén [6], [37] ...... 85 Hình 3.4: Ảnh hưởng của chiều dài phần tử bê tông đến quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông khi chịu nén [22] ..................................................................... 86 Hình 3.5: Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông khi chịu kéo [22], [43] .... 87 Hình 3.6: Quan hệ ứng suất – bề rộng vết nứt của bê tông trong giai đoạn giảm bền theo các mô hình [12] ................................................................................... 88 Hình 3.7: (a) Mô phỏng vết nứt theo vùng nứt; (b) theo vết nứt rời rạc [22] ..... 89 Hình 3.8: Ứng xử chịu nén của bê tông trong mô hình phá hoại dẻo [43] ......... 89 Hình 3.9: Ứng xử chịu kéo của bê tông trong mô hình phá hoại dẻo [43] ......... 90 Hình 3.10: Bề mặt chảy dẻo Lubliner và cộng sự (1989) [30] và Lee và Fenves (1998) của mô hình phá hoại dẻo [27] ................................................................ 91 Hình 3.11: Dạng tương tác “Tie” [7] .................................................................. 92 Hình 3.12: Sự hình thành điều kiện biên động học giữa các nút khi sử dụng tương tác “Embedded” với dung sai hình học giữa các nút [7]..................................... 92 Hình 3.13: Ràng buộc về động học “kinematic coupling” [7]............................ 93 Hình 3.14: Ràng buộc dạng phân bố “distributing coupling” [7] ....................... 93 Hình 3.15: Sự tương tác “hard contact” giữa các nút của mặt phụ (slave surface) và mặt chính (master surface) [7]........................................................................ 94 Hình 3.16: Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông khi chịu nén .................. 95 Hình 3.17: Quan hệ ứng suất – bề rộng vết nứt của bê tông khi chịu kéo .......... 95 Hình 3.18: Hình dạng mô phỏng của mẫu S-C-V ............................................... 96 Hình 3.19: Mô phỏng sàn cột bê tông của mẫu S-C-V ....................................... 96 Hình 3.20: Mô phỏng cốt thép sàn và cột của mẫu S-C-V ................................. 97 Hình 3.21: Mô phỏng gối đệm trên, dưới của mẫu S-C-V ................................. 97 Hình 3.22: Mô phỏng sự làm việc đồng thời của bê tông và cốt thép mẫu S-C-V ............................................................................................................................. 98 Hình 3.23: Khai báo tương tác dạng “coupling” mẫu S-C-V ............................. 98 Hình 3.24: Mô phỏng điều kiện biên mặt trên của mẫu S-C-V .......................... 99 Hình 3.25: Mô phỏng điều kiện biên mặt dưới của mẫu S-C-V ......................... 99 Hình 3.26: Mô phỏng chia lưới tạo phần tử của mẫu S-C-V ............................ 100 xii Hình 3.27: Quan hệ lực – chuyển vị D1 mẫu S-C-V ........................................ 100 Hình 3.28: Quan hệ lực – chuyển vị D3 mẫu S-C-V ........................................ 101 Hình 3.29: Quan hệ lực – biến dạng S1 mẫu S-C-V ......................................... 101 Hình 3.30: Quan hệ lực – biến dạng S3 mẫu S-C-V ......................................... 102 Hình 3.31: Quan hệ lực – biến dạng C1 mẫu S-C-V ........................................ 102 Hình 3.32: Các vết nứt tiếp tuyến đầu tiên xuất hiện mẫu S-C-V .................... 103 Hình 3.33: Các vết nứt hướng tâm về phía 4 góc sàn mẫu S-C-V................... 103 Hình 3.34: Hình dạng tháp nén thủng mẫu S-C-V............................................ 103 Hình 3.35: Hình dạng mô phỏng của mẫu S-02-M-V ...................................... 104 Hình 3.36: Mô phỏng sàn bê tông của mẫu S-02-M-V..................................... 105 Hình 3.37: Mô phỏng cốt thép sàn của mẫu S-02-M-V .................................... 105 Hình 3.38: Mô phỏng hệ sườn, bản thép đầu cột và cột thép mẫu S-02-M-V .. 106 Hình 3.39: Mô phỏng cột thép và lõi bê tông cột của mẫu S-02-M-V ............. 106 Hình 3.40: Mô phỏng gối đệm trên, dưới, bên của mẫu S-02-M-V ................ 107 Hình 3.41: Mô phỏng sự làm việc đồng thời của bê tông-cốt thép mẫu S-02-M-V ........................................................................................................................... 108 Hình 3.42: Khai báo tương tác dạng “coupling” mẫu S-02-M-V ..................... 108 Hình 3.43: Mô phỏng điều kiện biên mặt trên của mẫu S-02-M-V .................. 109 Hình 3.44: Mô phỏng điều kiện biên mặt dưới của mẫu S-02-M-V................. 109 Hình 3.45: Mô phỏng chia lưới tạo phần tử của mẫu S-02-M-V...................... 110 Hình 3.46: Hình dạng của liên kết S-02-M-V khi chuyển vị ngang đầu cột có giá trị 17 mm ........................................................................................................... 110 Hình 3.47: Quan hệ lực – chuyển vị ngang đầu cột mẫu S-02-M-V ................ 111 Hình 3.48: Ứng suất Mises trong sàn khi chuyển vị ngang đầu cột có giá trị 17 mm của mẫu S-02-M-V..................................................................................... 111 Hình 3.49: Quan hệ lực – chuyển vị D1 mẫu S-02-M-V ................................. 112 Hình 3.50: Quan hệ lực – chuyển vị D3 mẫu S-02-M-V ................................. 112 Hình 3.51: Quan hệ lực – Biến dạng S1 mẫu S-02-M-V .................................. 113 Hình 3.52: Quan hệ lực – biến dạng S3 mẫu S-02-M-V .................................. 113 Hình 3.53: Quan hệ lực – biến dạng C1 mẫu S-02-M-V .................................. 113 xiii Hình 3.54: Các vết nứt tiếp tuyến đầu tiên xuất hiện mẫu S-02-M-V .............. 114 Hình 3.55: Các vết nứt hướng tâm về phía 4 góc sàn mẫu S-02-M-V ............ 115 Hình 3.56: Hình dạng tháp nén thủng mẫu S-02-M-V ..................................... 115 Hình 3.57: Hình dạng tháp nén thủng mẫu S-02-M-V bằng thực nghiệm và mô phỏng số ............................................................................................................ 115 Hình 3.58: Quan hệ lực – chuyển vị D1 mẫu S-C-V và mẫu S-02-M-V.......... 116 Hình 3.59: Nghiên cứu của Winkler và Stangenberg (2008) [43] ................... 117 Hình 3.60: Kết quả nghiên cứu của Islam (2014) [20] .................................... 118 Hình 3.61: Hình ảnh chuyển vị của mẫu S-02-M-V ......................................... 119 Hình 3.62: Tháp nén thủng của mẫu S-02-M-V theo TCVN 5574:2012 ......... 119 Hình 3.63: Tháp nén thủng của mẫu S-02-M-V theo EC2 ............................... 120 Hình 3.64: Tháp nén thủng của mẫu S-02-M-V theo ACI 318-11 ................... 120 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 ở nhiều nước trên thế giới do có các ưu điểm nổi trội về mặt kết cấu và thi công của cả hai loại vật liệu thép kết cấu và bê tông truyền thống. 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. Qua việc tham khảo và phân tích ưu nhược điểm của các chi tiết liên kết đã được công bố trên thế giới, 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 chi tiết của 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. Thêm nữa, liên kết cũng sẽ được mô phỏng bằng phần mềm 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 số 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. 3 − Chế tạo liên kết và tiến hành đúc mẫu thí nghiệm. − Thiết lập quy trình thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm. − 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 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 của đề tài là phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với mô phỏng số. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm để phân tích ứng xử và khả năng chịu lực cũng như để đánh giá tính khả thi và sự hiệu quả của việc ứng dụng liên kết đề xuất mới cho giải pháp kết cấu cột CFT – sàn phẳng BTCT. Bên cạnh đó, một quy trình và kỹ thuật mô phỏng số liên kết bằng phần mềm PTHH ABAQUS cũng được thiết lập để dự đoán ứng xử của liên kết. 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 − Nghiên cứu ứng xử nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT thường (không có tác động ứng suất trước, không có lỗ mở gần liên kết) - cột giữa CFT (không phải cột ở biên hoặc góc); − Nghiên cứu khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT – cột giữa CFT mà không xét đến ứng xử chịu mômen đồng thời của liên kết; − Nghiên cứu khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT – cột giữa CFT chỉ chịu tác động tải tĩnh đẩy dần, không phải là tải lặp lại hoặc tải động. 4 7. Bố cục luận án Trên cơ sở các nội dung nghiên cứu để đạt mục tiêu đề ra và đảm bảo tính logic và hoàn thiện của vấn đề nghiên cứu, cấu trúc của luận án gồm các phần và các chương như sau: Mở đầu. Chương 1: Tổng quan về cột CFT và liên kết với sàn phẳng BTCT. Giới thiệu tổng quan về cột CFT và sàn phẳng BTCT; các phương pháp liên kết nhằm đảm bảo khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT – cột giữa CFT và các kết quả nghiên cứu liên quan của các tác giả khác đã công bố. Trình bày cách tính toán khả năng kháng nén thủng của sàn phẳng BTCT trong các tiêu chuẩn hiện hành. Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm liên kết sàn phẳng BTCT và cột CFT. Đề xuất chi tiết liên kết phù hợp và hiệu quả; Đề xuất quy trình thí nghiệm; Trình bày quá trình thí nghiệm và kết quả ứng xử nén thủng của liên kết đề xuất khi chịu tải; So sánh kết quả thí nghiệm của liên kết đề xuất với liên kết sàn phẳng – cột BTCT toàn khối để làm rõ sự hiệu quả. Chương 3: Phân tích sự làm việc của liên kết sàn phẳng BTCT và cột CFT bằng phương pháp số. Trình bày cơ sở lý thuyết của phần mềm ABAQUS và thiết lập quy trình mô phỏng số cho liên kết đề xuất và liên kết đối chứng; So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thí nghiệm để làm rõ độ tin cậy của mô hình số; Đề xuất hướng dẫn tính toán để dự đoán khả năng kháng nén thủng của liên kết sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT theo các tiêu chuẩn TCVN 5574:2012, EC2 và ACI 318-11. Kết luận – Hướng phát triển. 8. Đóng góp chính của luận án − Qua việc tham khảo và phân tích ưu nhược điểm của các chi tiết liên kết đã được công bố trên thế giới, luận án đã đề xuất một chi tiết liên kết mới giữa sàn phẳng BTCT và cột giữa CFT khá đơn giản và phù hợp với điều kiện thi công trong nước.