Phân tích ứng xử nút dầm cột bê tông cốt thép sử dụng cốt sợi dưới tác dụng của tải trọng ngang đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

Giải pháp sử dụng sợi thép trong nút khung dầm cột trong thiết kế chịu tải trọng ngang đã chứng tỏ được tính hiệu quả trong việc cải thiện ứng xử và khả năng chịu lực của nút.. Mục tiêu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

TP.Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 04 năm 2016

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Dân tộc: Kinh

PHẦN MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài

Trước thực trạng số lượng các nghiên cứu về ứng xử của nút khung bê tông sợi thép còn rất hạn chế, kết quả từ nghiên cứu này cung cấp thêm những hiểu biết mới về ứng

xử của nút dầm-cột bê tông sợi thép và làm tiền đề cho việc tính toán thiết kế, ứng dụng vào thực tiễn

Giải pháp sử dụng sợi thép trong nút khung dầm cột trong thiết kế chịu tải trọng ngang

đã chứng tỏ được tính hiệu quả trong việc cải thiện ứng xử và khả năng chịu lực của nút

II Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

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 mô hình dự đoán khả năng kháng cắt của nút dưới tác động của tải trọng ngang theo phương pháp thanh chống-giằng

III Các nhiệm vụ yêu cầu của đề tài

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 mô hình dự đoán khả năng kháng cắt của nút dưới tác động của tải trọng ngang theo phương pháp thanh chống-giằng

IV Kết cấu của đề tài

Mục lục

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 3

2.1 Sơ lược về bê tông sợi thép 3

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 9

2.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng sợi thép trong nước 12

CHƯƠNG 3 MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 13

3.1 Mục tiêu nghiên cứu 13

3.2 Ý nghĩa nghiên cứu 13

3.2.1 Ý nghĩa khoa học 13

3.2.2 Ý nghĩa thực tiễn 13

3.3 Nội dung nghiên cứu 13

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN 15

4.1 Mô hình phần tử, ràng buộc, điều kiện biên, điều kiện tải trọng, phi tuyến vật liệu và hình học 15

4.1.1 Phần tử khối 15

4.1.2 Phần tử thanh 15

4.1.3 Sự tương tác 16

4.1.4 Điều kiện biên 17

4.1.5 Điều kiện tải trọng 17

4.1.6 Phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học 17

4.2 Mô hình vật liệu 18

4.2.1 Mô hình phá hoại của bê tông 18

4.2.2 Bê tông thường 18

4.2.3 Bê tông sợi thép 20

4.2.4 Cốt thép thanh 22

4.3 Phương pháp giải 23

4.3.1 Giải bài toán phi tuyến trong Abaqus 23

5.1.2 Định nghĩa nút 34

5.1.3 Các thanh chống (Trut) 36

5.1.4 Các nút (Node) 37

5.1.5 Các thanh giằng (tie) 38

5.2 Các bước tính toán mô hình giàn ảo 38

5.3 Phân tích lực tại nút 39

5.4 Mô hình thanh chống-giằng 40

5.5 Kiểm chứng và nhận xét 41

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43

6.1 Kết luận 43

6.2 Kiến nghị 43

Danh mục hình ảnh

Hình 1-1 Công trình bị phá hủy do động đất ở Đài Loan 1

Hình 1-2 Nút dầm cột bị phá hoại do động đất (Kocaeli và Izmit, Turkey,1999) 1

Hình 2-1 Sự phá hủy của bê tông sợi thép 3

Hình 2-2 Một số loại sợi thép 4

Hình 2-3 Sự phân bố sợi thép trong bê tông 5

Hình 2-4 Cấu tạo nút khung trong thí nghiệm của Gefken và Ramey (1989) 6

Hình 2-5 Hình dạng và cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Tang và cộng sự (1992) 7

Hình 2-6 Chi tiết mẫu thí nghiệm điển hình trong nghiên cứu của Gebman (2001) 8

Hình 2-7 Hình dạng và cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Gencoglu và Eren (2002) 8

Hình 2-8 Hình dạng và cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Shannag và cộng sự (2005) 9

Hình 2-9 Mô hình nút trong nghiên cứu của Mitra (2007): (a) Mô hình PTHH; (b) Mô hình các thành phần của nút 10

Hình 2-10 Mẫu thí nghiệm và mô hình thanh chống giằng trong nghiên cứu của Li và Tran (2009) 10

Hình 2-11 Mô hình phần tử hữu hạn của Li và cộng sự (2009) 11

Hình 2-12 Mô hình nút trong nghiên cứu của Birely và cộng sự (2011) 11

Hình 4-1 Phần tử Abaqus sử dụng 16

Hình 4-2 Khai báo ứng xử nén của bê tông trong Abaqus 17

Hình 4-3 Hiệu ứng P-delta 18

Hình 4-4 Khai báo xét ứng xử phi tuyến hình học của kết cấu 18

Hình 4-5 Quan hệ ứng suất-biến dạng bê tông khi chịu nén 19

Hình 4-6 Quan hệ ứng suất-biến dạng bê tông khi chịu kéo 20

Hình 4-7 Quan hệ ứng suất-biến dạng bê tông khi chịu nén 21

Hình 4-8 Quan hệ ứng suất-biến dạng bê tông khi chịu kéo 22

Hình 4-9 Quan hệ ứng suất-biến dạng thép với ứng xử tái bền tuyến tính 23

Hình 4-10 Ngoại lực và nội lực trên vật thể (Abaqus, 2010) 24

Hình 4-11 Bước lặp đầu tiên (Abaqus, 2010) 25

Hình 4-12 Bước lặp thứ hai (Abaqus, 2010) 25

Hình 4-13 Chi tiết mẫu bê tông cốt thép thường (M1) 26

Hình 4-14 Chi tiết mẫu bê tông cốt sợi thép (M2) 27

Hình 4-15 Mô hình PTHH trong Abaqus 27

Hình 5-7 Chiều rộng giằng hiệu quả (w t ) 38

Hình 5-8 Lực tác dụng tại nút biên dầm - cột 39

Hình 5-9 Cơ cấu truyền lực qua nút biên dầm và cột (Tsonos, 2007) 40

Hình 5-10 Bề rộng của thanh chống xiên 41

Hình 5-11 Mô hình thanh chống-giằng cho nút dầm-cột M1 41

Hình 5-12 Mô hình thanh chống-giằng cho nút dầm-cột M2 42

Danh mục bảng biểu

Bảng 4-1 Đặc trưng vật liệu mẫu M1 28

Bảng 4-2 Đặc trưng vật liệu mẫu M2 29

Bảng 4-3 Bảng so sánh kết quả giữa thực nghiệm và PTHH 31

Bảng 4-4 So sánh kết quả mô phỏng PTHH giữa BTCT thường và BT sợi thép 31

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC

GIAO THÔNG VẬN TẢI – CƠ SỞ II

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập -Tự do - Hạnh phúc

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

Tên đề tài:

Người hướng dẫn: Đoàn Tấn Thi

2 Mục tiêu đề tài:

 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 mô hình dự đoán khả năng kháng cắt của nút dưới tác động của tải trọng ngang theo phương pháp thanh chống-giằng

3 Tính mới và sáng tạo:

 Trước thực trạng số lượng các nghiên cứu về ứng xử của nút khung bê tông sợi thép còn rất hạn chế, kết quả từ nghiên cứu này cung cấp thêm những hiểu biết mới về ứng xử của nút dầm-cột bê tông sợi thép và làm tiền đề cho việc tính toán thiết kế, ứng dụng vào thực tiễn

 Giải pháp sử dụng sợi thép trong nút khung dầm cột trong thiết kế chịu tải trọng ngang đã chứng tỏ được tính hiệu quả trong việc cải thiện ứng xử và khả năng chịu lực của nút

 Kết quả mô phỏng nút biên trong khung bê tông cốt thép có và không sợi thép dưới tác dụng của tải trọng ngang dựa trên phần mềm Abaqus cho kết quả phù hợp với thực nghiệm.Vì vậy, phương pháp mô phỏng cùng với mô hình vật liệu sử dụng trong nghiên cứu này có thể hỗ trợ hiệu quả cho nghiên cứu và đánh giá tác động của tải trọng ngang đối với nút khung, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí

 Mô hình thanh chống-giằng đề xuất dự đoán khả năng chịu lực của nút khung bê tông cốt thép dưới tác dụng của tải ngang chính xác so với kết quả thực nghiệm Trong trường hợp nút khung sử dụng sợi thép, ứng suất cho

phép trong thanh chống bê tông lấy bằng 0.4 fc' giúp phản ánh chính xác và

hợp lý hơn khả năng làm việc thực tế của bê tông sợi thép Tuy nhiên, do sự hạn chế về số lượng mẫu thí nghiệm khảo sát cho tới hiện nay, rất cần thêm các nghiên cứu nữa (đặc biệt là các nghiên cứu thực nghiệm) nhằm khẳng định giá trị ứng xuất này

5 Đóng góp về mặt kinh tế-xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài:

thép và làm tiền đề cho việc tính toán thiết kế, ứng dụng vào thực tiễn

6 Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài:

Ngày 30 tháng 04 năm 2016

Sinh viên chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài (Ký, họ và tên)

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoc học của sinh viên thực hiện

đề tài:

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC

GIAO THÔNG VẬN TẢI – CƠ SỞ II

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Nơi sinh: xã Phú Điền, huyện Tháp Mười, tỉnh Đồng Tháp

Khoa: Kỹ thuật Xây dựng

Địa chỉ liên hệ: xã Phú Điền, huyện Tháp Mười, tỉnh Đồng Tháp

Điện thoại: 0989 710 321 Email: changvotinhi02@gmail.com

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

Nút khung bê tông cốt thép là một trong những bộ phận kết cấu dễ bị hư hại nhất của công trình nhà cao tầng bằng bê tông cốt thép (BTCT) đặc biệt là khi công trình chịu tải trọng rung lắc ngang do động đất hoặc do gió bão lớn Sự phá hủy của nút khung thường dẫn đến sự sụp đổ hoàn toàn của công trình vì phá hoại tại nút khung thường dẫn

đến sự mất ổn định của hệ thống cột trong công trình (Hình 1-1)

Hình 1-1 Công trình bị phá hủy do động đất ở Đài Loan

Để đảm bảo sự dẻo dai của nút khung khi chịu tải ngang, đặc biệt là tải trọng rung lắc do động đất, các tiêu chuẩn thiết kế (352R-02, 2002; ACI318R, 2008; AIJ, 1999; NZS-3101, 1995) yêu cầu phải tính toán, cấu tạo cốt thép đai và cốt thép dọc tại nút khung Ngoài ra, các qui định về cấu tạo cốt thép tại nút khung đặc biệt là cấu tạo của cốt thép dầm neo vào cột cũng được qui định chặt chẽ Bên cạnh các qui định về cấu tạo, các tiêu chuẩn thiết kế còn yêu cầu phải kiểm tra khả năng chịu cắt của nút khung

và việc kiểm tra này nhằm đảm bảo nguyên tắc là khi có lực ngang lớn thì khả năng chịu lực cắt của nút khung phải đủ lớn để đảm bảo rằng phá hoại nếu có sẽ xảy ra đối với

dầm ở vị trí bên ngoài nút khung (Hình 1-2)

Hình 1-2 Nút dầm cột bị phá hoại do động đất (Kocaeli và Izmit, Turkey,1999)

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 mô hình tính toán cơ học thể hiện được bản chất vật lý để mô phỏng ứng xử và dự đoán được khả năng chịu lực của nút khung bê tông cốt sợi nhằm phục vụ cho công tác thiết kế là thật sự cần thiết Nghiên cứu này áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) để mô phỏng và phân tích ứng xử của nút khung BTCT có sử dụng sợi 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 Ngoài ra, một mô 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

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

2.1 Sơ lược về bê tông sợi thép

Bê tông cốt sợi là loại bê tông đặc biệt được chế tạo từ hỗn hợp xi măng, cốt liệu, nước, phụ gia và sợi gia cường riêng rẽ Sợi phân tán ngẫu nhiên hoặc sợi liên tục, phân

bố theo một hoặc hai phương được đưa vào trong bê tông nhằm cải thiện và tăng cường các tính chất cho bê tông, phù hợp sử dụng cho các công trình có yêu cầu cao về khả năng chịu kéo, chịu uốn, chịu va đập, dẻo dai và ít co ngót của bê tông tươi 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 tông (Hình 2-1)

Hình 2-1 Sự phá hủy của bê tông sợi thép

Sợi thép được sử dụng trong hỗn hợp bê tông 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

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

Hình 2-2 Một số loại sợi thép

Sợi thép dẹt và lượn sóng có diện tích tiếp xúc lớn, uốn lượn tạo nên cơ chế neo nhiều điểm dọc sợi Cơ chế neo này rất bền vững, hạn chế dịch chuyển tương đối của sợi so với vật liệu nền không chỉ theo phương dọc trục của sợi mà cả theo phương vuông góc với trục của sợi Các sợi thép nhỏ phân bố trong bê tông không chỉ làm tăng độ bền nén, mà còn làm tăng các độ bền khác (kéo, uốn, xoắn, cắt), tăng độ dẻo và độ dai (chống chịu va chạm), giảm tính giòn của bê tông, giảm biến dạng do co ngót và do từ biến Để tăng khả năng chống nứt, một mặt do cơ tính tổng hợp tăng và co ngót giảm nên làm giảm rõ rệt khả năng phát sinh các vết nứt, măt khác quan trọng hơn đó là các sợi thép nhỏ đóng vai trò như rất nhiều cái ba-ri-e (thanh chặn) chắn ngang hướng phát triển của

các vết nứt nhỏ, ngăn chặn không cho chúng phát triển dài hơn và rộng hơn (Hình 2-3)

Hình 2-3 Sự phân bố sợi thép trong bê tông

So với bê tông 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 tông (30% đến 40%) Ngoài 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 (Hình 2-4) Thí nghiệm được tiến hành trên 10 mẫu

có kích thước hình học giống nhau 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 tròn 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 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 còn 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 2-4 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 và 7 mẫu nút khung giữa chịu tác động của tải trọng đứng điều hòa (Hình 2-5) 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 tròn có đường kính 0.7- 0.8 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:

Ngoài 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 70.46 mm) Với những mẫu nút khung giữa, sợi thép tăng khả năng bám dính và khả năng neo của cốt thép dọc

Hình 2-5 Hình dạng và cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Tang và

cộng sự (1992)

Gebman (2001) thực hiện thí nghiệm trên 6 mẫu nút dầm-cột biên với tỉ lệ mô hình 1/2, trong đó, gồm 2 mẫu BTCT truyền thống và 4 mẫu BTCT sử dụng sợi thép với hàm

lượng 2% (Hình 2-6) Khoảng cách cốt đai trong 2 mẫu BTCT truyền thống là 102 mm,

trong 4 mẫu có sử dụng cốt sợi còn 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

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

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

Hình 2-8 Hình dạng và cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu của Shannag

và cộng sự (2005)

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 hòa Mô hình mô phỏng bê tông 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 đoán khả năng chịu lực của nút khung

Bằng các phương pháp: xây dựng công thức tính toán dựa vào thống kê kết quả thực

nghiệm; mô hình PTHH (Hình 2-9a); mô hình dựa trên những thành phần của nút (Hình

2-9b); và mô hình thanh chống-giằng Kết quả cho thấy rằng: (i) công thức tính toán là

phương pháp đơn giản dự đoán khả năng chịu tải của nút nhưng không thấy được quá

trình ứng xử của nút cũng như quan hệ giữa lực và chuyển vị; (2i) mô hình PTHH có

thể dùng để nghiên cứu ứng xử của nút nhưng khó áp dụng vào tính toán thực tế vì khối

lượng tính toán khá lớn; (3i) mô hình nút dựa vào các thành của nút có thể sử dụng để phân tích tính toán khung 2D BTCT; (4i) mô hình thanh chống giằng đề xuất trong ACI

318 (2005) có hiệu chỉnh, có thể ứng dụng cho tính toán thiết kế nút dầm-cột dưới tác dụng của tải động đất

Hình 2-9 Mô hình nút trong nghiên cứu của Mitra (2007): (a) Mô hình PTHH;

(b) Mô hình các thành phần của nút

Li và Tran (2009) thực hiện khảo sát thực nghiệm và mô phỏng bằng phương pháp PTHH và phương pháp thanh chống-giằng ứng xử của nút khung chịu tải trọng động đất

(Hình 2-10) Nghiên cứu được tiến hành trên 4 nút khung giữa dầm-cột BTCT với sự

phân bố cốt thép dọc khác nhau trong dầm để nghiên cứu ảnh hưởng của chúng đến các nút vừa nêu dưới tác động của tải trọng động đất Kết quả từ thực nghiệm và theo phương pháp PTHH cho thấy tăng cường cốt dọc theo thành dầm cải thiện khả năng kháng cắt của nút khoảng 5% đến 10% lần lượt cho ba và năm lớp thép dọc tương ứng

sàn, giá trị lực đứng, tỉ lệ giữa chiều cao tiết diện cột và đường kính thép dầm đến ứng

xử của nút dưới tác động của tải trọng động đất Các tham số như chiều dày sàn, tỉ lệ giữa chiều cao tiết diện cột và đường kính thép dầm đều ảnh hưởng đến ứng xử của nút

và nếu tải trọng đứng tăng thì khả năng chịu tải trọng ngang của kết cấu cũng tăng theo, tuy nhiên khả năng biến dạng dẻo của kết cấu sẽ bị suy giảm

Hình 2-11 Mô hình phần tử hữu hạn của Li và cộng sự (2009)

Birely và cộng sự (2011) đề xuất mô hình phân tích phi tuyến cho khung BTCT có kể

đến tính dẻo của nút bằng mô hình khớp dẻo (Hình 2-12) Tính dẻo của nút khung ảnh

hưởng đến việc phân bố nội lực của khung được kể đến bằng việc mô phỏng bằng hai

lò xo cho dầm, riêng vùng nằm ngoài dầm và cột là những phần tử đàn hồi Mô hình được xây dựng từ 45 kết quả thí nghiệm nút dầm-cột Kết quả cho thấy mô hình cung cấp chính xác độ cứng ban đầu, chuyển vị và sự suy giảm độ cứng trong quá trình chịu tải trọng

Hình 2-12 Mô hình nút trong nghiên cứu của Birely và cộng sự (2011)

2.4 Tình hình nghiên cứu ứng dụng sợi thép trong nước

Nghiên cứu về ứng xử nút dầm-cột BTCT sử dụng sợi thép hiện chưa có nghiên cứu trong nước nào đề cập đến, tuy nhiên có một số nghiên cứu về ứng xử, khả năng kháng cắt của dầm, và chọc thủng của liên kết sàn-cột chịu tải trọng tĩnh

Trần Quốc Toàn (2010) khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép và kích thước hình học của liên kết sàn-cột đến ứng xử và khả năng kháng chọc thủng của chúng Tác giả sau đó dựa vào lý thuyết cơ học rạn nứt để phát triển một công thức dự đoán khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn-cột bê tông sử dụng sợi thép

Trần Ngọc Thanh (2011) khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn-cột ứng lực trước Tác giả cũng đề xuất

mô hình tính dựa trên phương pháp cân bằng tiết diện và xây dựng công thức tính khả năng kháng chọc thủng cho liên kết sàn-cột bê tông ứng lực trước

Lê Phước Thêm (2011) khảo sát thực nghiệm, phân tính ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến ứng xử nứt-chọc thủng của sàn bê tông ứng lực trước và phát triển công thức tính bề rộng vết nứt cho loại sàn này

Nguyễn Minh và cộng sự (2012a) thực hiện khảo sát thực nghiệm về ảnh hưởng của hàm lượng sợi và kích thước mẫu đến ứng xử và khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn-cột trên 12 mẫu thí nghiệm chịu tải trọng tĩnh Các tác giả còn đề xuất mô hình

và công thức tính khả năng kháng chọc thủng cho liên kết sàn-cột sử dụng sợi thép dựa

trên lý thuyết cơ học rạn nứt Kết quả cho thấy: (i) việc sử dụng sợi thép cho liên kết

sàn-cột làm tăng khả năng kháng chọc thủng (39%), giảm bề rộng vết nứt trung bình

(40%), giảm độ võng (36%), (2i) Các tham số như hình dạng sợi thép, tỉ số giữa chiều

dài và đường kính thép…đã được kể đến trong công thức tínhkhả năng chọc thủng cho liên kết sàn-cột sử dụng sợi thép

Nguyễn Minh và cộng sự (2012b) tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng sợi thép đến ứng xử và khả năng kháng chọc thủng của liên kết sàn-cột ứng lực trước (ULT) trên 6 mẫu dầm kích thước 2200×2200×150 mm Ngoài ra, các tác giả có xây dựng một công thức xác định khả năng kháng chọc thủng cho sàn ULT Kết quả nghiên

CHƯƠNG 3 MỤC TIÊU, Ý NGHĨA VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

3.1 Mục tiêu nghiên cứu

Dựa vào các kết quả đã trình bày trong phần tổng quan, đề tài nghiên cứu tập trung vào hai mục tiêu chính như sau:

 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

trọng ngang theo phương pháp thanh chống-giằng

3.2 Ý nghĩa nghiên cứu

3.2.1 Ý nghĩa khoa học

Các mô hình dùng để xác định khả năng chịu lực của nút khung chịu tải trọng ngang hiện nay chỉ được dùng cho BTCT truyền thống Do ứng xử của vật liệu bê tông và bê tông sợi thép có điều khác biệt cơ bản (bê tông sợi thép có cường độ chịu kéo lớn hơn, dẽo dai và có khả năng hấp thụ năng lượng tốt hơn nhiều so với bê tông thường, cũng như sợi thép làm tăng tính bám dính của cốt thép thanh với bê tông), cho nên việc áp dụng một cách máy móc các mô hình này cho trường hợp nút dầm cột bê tông sợi thép

có thể cho kết quả kém chính xác Từ đó, việc xây dựng một mô hình riêng để tính toán khả năng chịu lực của nút khung có sử dụng sợi thép có thể giúp cho việc tính toán khả

năng chịu lực của các nút khung loại này trở nên chính xác và hợp lý hơn

3.2.2 Ý nghĩa thực tiễn

Giải pháp sử dụng sợi thép trong nút khung dầm cột trong thiết kế chịu tải trọng ngang

đã chứng tỏ được tính hiệu quả trong việc cải thiện ứng xử và khả năng chịu lực của nút Ngoài ra, xét về mặt thi công, tại nút khung số lượng các thanh thép dọc và ngang giao nhau rất lớn, việc sử dụng sợi thép có thể giúp giảm hàm lượng cốt đai tại đây, tạo thuận

lợi cho thi công mà vẫn đảm bảo được yêu cầu chịu lực

Với bê tông thường, cường độ chịu nén, chịu uốn và khả năng chịu tải trọng kém và thường có khả năng phá hoại giòn Cho nên việc đưa sợi thép vào bê tông sẽ tăng cường khả năng chịu lực của bê tông, thông qua việc thay đổi một số tích chất cơ lý của vật liệu, bê tông dẻo hơn, bền hơn so với bê tông thông thường

3.3 Nội dung nghiên cứu

Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu đã đề xuất ở trên, đề tài tiến hành thực hiện các

nội dung chính như sau:

o Tìm hiểu mô hình vật liệu của bê tông, bê tông cốt sợi, cốt thép; mô hình phần

o Thực hiện mô phỏng số bằng phần mềm Abaqus để nghiên cứu ứng xử của nút

dầm-cột BTCT sử dụng sợi thép chịu tải ngang

o Phân tích lực tại nút và xây dựng mô hình thanh chống-giằng dự đoán khả năng

kháng cắt của nút dầm-cột bê tông sợi thép

o Sử dụng các kết quả thực nghiệm từ các nghiên cứu khác để đánh giá và kiểm

chứng tính chính xác của việc mô phỏng và xây dựng mô hình

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN

4.1 Mô hình phần tử, ràng buộc, điều kiện biên, điều kiện tải trọng, phi tuyến vật liệu và hình học

Nghiên cứu này sử dụng chương trình phần tử hữu hạn Abaqus ver 6.10.01 để mô phỏng ứng xử của nút dầm-cột BTCT có hoặc không có sợi thép Mô hình PTHH 3D được sử dụng, ứng xử phi tuyến của vật liệu và phi tuyến hình học được xét đến để đánh giá đúng ứng xử thực tế của kết cấu và đảm bảo độ tin cậy của kết quả Abaqus là công

cụ mạnh mẽ trong việc mô phỏng và phân tích đa dạng các loại kết cấu Nó cung cấp

nhiều loại phần tử, mô hình vật liệu và hình thức tương tác

Chương này sẽ mô tả một cách tổng quát về phần tử khối (continuum element), phần

tử thanh (truss element); mô hình vật liệu thép và bê tông; ràng buộc dính và nhúng (tie and embedded constraints), ràng buộc coupling và tương tác tiếp xúc (contact

interaction); điều kiện biên, điều kiện tải trọng và các bước phân tích (step)

4.1.1 Phần tử khối

Thư viện phần tử khối (Solid) trong Abaqus/Standard gồm phần tử nội suy bậc một, bậc hai và bậc hai hiệu chỉnh trong một, hai và ba chiều; cũng như cung cấp phần tử tích phân thu gọn (reduced integration) và tích phân toàn phần (full integration) Phần tử khối C3D8R lấy từ thư viện phần tử được sử dụng cho dầm, cột bê tông và tấm đệm thép

Phần tử C3D8R (Continuum, 3D, 8-node linear brick, reduced integration, hourglass

control) là dạng phần tử lục diện tuyến tính, giống hình viên gạch (Hình 4-1)

Đây là dạng phần tử tích phân thu gọn giúp làm giảm bậc của ma trận độ cứng phần

tử nhưng vẫn giữ nguyên được ma trận khối lượng và véc-tơ tải lực, phần tử được tích hợp điểm tích phân giữa phần tử vì vậy tránh được việc sử dụng phần tử bậc cao; nhờ

đó vẫn đảm bảo độ chính xác tính toán và giảm được thời gian tính toán đặc biệt trong

chỉ có thành phần biến dạng dọc trục Hai nút tương ứng với 2 khớp, do vậy chỉ có chuyển vị thẳng và vec-tơ vị trí ban đầu tại mỗi nút được sử dụng độc lập với nhau Phần

và tấm thép truyền tải

Ràng buộc coupling tạo nên sự ghép nối giữa 1 nút tham chiếu (reference node) với một nhóm nút gọi là nút kết nối “coupling nodes” Các nút kết nối được chọn tự động bằng cách chọn bề mặt và vùng ảnh hưởng tùy chọn Ràng buộc coupling để kết nối các nút trên tấm truyền tải với điểm tham chiếu mà thông qua đó tải trọng tập trung được gán vào Khi đó lực tác dụng sẽ được phần phối trên một diện tích rộng hơn để tránh ứng suất cục bộ tại vị trí đặt lực

chuyển vị thẳng tương ứng của phần tử chủ Phần tử nhúng cũng có chuyển vị xoay, nhưng không được ràng buộc bởi kỹ thuật nhúng này

4.1.4 Điều kiện biên

Điều kiện biên được xây dựng theo mô hình thí nghiệm Ba trục tọa độ X, Y, Z đại diện cho 3 trục 1, 2, 3 trong mô hình Tấm đệm thép với độ cứng lớn đặt ở vị trí các gối tựa và vị trí đặt tải trọng để mô tả đúng như điều kiên biên của nút khi thí nghiệm Bề

mặt tiếp xúc giữa tấm đệm thép và cấu kiện được gắn ràng buộc Tie

4.1.5 Điều kiện tải trọng

Tải trọng tập trung kết hợp với ràng buộc coupling sẽ được gán vào vị trí đặt lực, thông quan tấm truyền tải với độ cứng lớn, áp lực truyền vào nút trên 1 diện tích rộng

để tránh ứng suất cục bộ Các bước đặt tải cũng được mô phỏng đúng so với thực nghiệm: gắn điều kiện biên-gắn tải trọng đứng (nếu có)-gia tải từng bước theo thời

gian tải trọng ngang

4.1.6 Phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học

Ứng xử phi tuyến của vật liệu (bê tông và cốt thép) được xét đến thông qua mô hình

vật liệu như Mục 4.2 và đường cong quan hệ ứng suất-biến dạng của vật liệu sẽ được khai báo xấp xỉ bằng nhiều điểm vào chương trình Abaqus ví dụ như (Hình 4-2)

Hình 4-2 Khai báo ứng xử nén của bê tông trong Abaqus

Ứng xử phi tuyến hình học: xét đến hiệu ứng P-delta (Hình 4-3) sẽ được Abaqus thực hiện phân tích trong các bước phân tích khi được kích hoạt như (Hình 4-4)