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

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