Bài báo trình bày về nghiên cứu thực nghiệm đối với nút khung biên liên hợp liên kết giữa dầm thép với cột bê tông cốt thép (BTCT). Một mô hình mẫu tỉ lệ 11 được tiến hành thí nghiệm chịu tải trọng lặp trên hệ thống tường phản lực tại Trường Đại học Giao thông vận tải. Cấu tạo nút khung gồm một đoạn thép hình đặt trong cột BTCT và hàn với dầm thép được thiết kế dựa theo các Tiêu chuẩn Eurocode 3, Eurocode 4. Chi tiết về kết quả thí nghiệm được trình bày cụ thể giúp hiểu hơn về ứng xử của nút khung liên hợp chịu tải trọng lặp trên các phương diện khác nhau.
Trang 1NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG LIÊN HỢP DẦM THÉP-
CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG LẶP
EXPERIMENTAL STUDY ON THE BEHAVIOUR OF REINFORCED CONCRETE COLUMN- STEEL
BEAM JOINT SUBJECTED CYCLIC LOADING
ThS Lê Đăng Dũng, ThS Đặng Việt Tuấn, TS Nguyễn Xuân Huy
TÓM TẮT
Bài báo trình bày về nghiên cứu thực nghiệm đối với nút
khung biên liên hợp liên kết giữa dầm thép với cột bê tông cốt
thép (BTCT) Một mô hình mẫu tỉ lệ 1/1 được tiến hành thí
nghiệm chịu tải trọng lặp trên hệ thống tường phản lực tại
Trường Đại học Giao thông vận tải Cấu tạo nút khung gồm
một đoạn thép hình đặt trong cột BTCT và hàn với dầm thép
được thiết kế dựa theo các Tiêu chuẩn Eurocode 3, Eurocode 4
Chi tiết về kết quả thí nghiệm được trình bày cụ thể giúp hiểu
hơn về ứng xử của nút khung liên hợp chịu tải trọng lặp trên
các phương diện khác nhau
ABSTRACT
In this paper, experimental investigations on exterior RCS
(Reinforced concrete- steel) specimen are presented The
experimental research consisting of a full-scale RCS joint was
carried out at University of Transport and Communication to
study the cyclic behavior The specimen in which a steel
profile totally embedded inside RC column is directly welded
to the steel beam was designed according Eurocode Standards
Details of the test results are discussed to understand the
specimens’ seismic performance in terms of general behavior,
hysteresis loops response, and strain profiles of long-itudinal
reinforcement
ThS Lê Đăng Dũng
Giảng viên, Viện Kỹ Thuật Xây Dựng , Trường Đại h ọc Giao
thông Vận tải
Email: ledangdung@utc.edu.vn
Điện thoại: 0986 354 689
Ths Đặng Việt Tuấn
Giảng viên, Viện Kỹ Thuật Xây Dựng , Trường Đại h ọc Giao
thông Vận tải
Email: dangviettuan@utc.edu.vn
Điện thoại: 0963 291 163
TS Nguyễn Xuân Huy
Giảng viên, Viện Kỹ Thuật Xây Dựng , Trường Đại h ọc Giao
thông Vận tải
Email: nguyenxuanhuy@utc.edu.vn
Điện thoại: 0973 223 400
1 Giới thiệu
Kết cấu khung là dạng được sử dụng rộng rãi nhất trong
các dạng sơ đồ kết cấu nhà cao tầng Bên cạnh giải pháp truyền
thống khung BTCT thuần túy, việc sử dụng các cấu kiện liên
hợp đang ngày càng được phát triển rộng rãi Một trong những
giải pháp đáng chú ý của khung liên hợp (gọi tắt là RCS) có cột
là kết cấu bê tông cốt thép (Reinforced concrete - RC) và dầm
là kết cấu thép (steel - S) Khung RCS có nhiều ưu điểm về khả
năng chịu lực, thẩm mĩ cũng như kinh tế [1], [2] Vị trí nút giao
giữa dầm và cột trong sơ đồ kết cấu khung có ứng xử rất phức
tạp Vì vậy, các nghiên cứu về kết cấu khung RCS cũng hầu hết
tập trung vào nghiên cứu ứng xử của nút Do có nhiều ưu điểm
nên dạng kết cấu này đã có nhiều nghiên cứu ở Mỹ và Nhật
Bản Các nghiên cứu trước đây đã đưa ra một số dạng cấu tạo
cho nút khung RCS [3] Tuy nhiên các giải pháp cấu tạo đã
được đưa ra hầu hết các chi tiết liên kết tập trung tại vùng nút
Trong khi đó, sự phá hoại của kết cấu khung thường là do phá
hoại nút khung Việc các chi tiết liên kết tập trung tại vùng nút
sẽ gây ra ứng xử tại đây phức tạp hơn Vấn đề phá hoại tập trung tại nút khung ở các giải pháp trên chưa giải quyết được triệt để
Giải pháp mới được đưa ra trong bài báo này là sử dụng một đoạn thép hình đặt trong cột BTCT Dầm thép liên kết với đoạn thép hình và truyền lực từ dầm vào cột thông qua đoạn thép hình Do không chỉ tập trung trong khu vực nút mà đoạn thép hình còn được kéo dài ra phía cột nên ứng suất cũng không còn tập trung tại nút mà được phân tán ra các vùng xung quanh Điều này giúp cải thiện được khả năng làm việc cũng như thay đổi dạng phá hoại của nút khung Nút khung thiết kế được tiến hành thí nghiệm chịu tải trọng lặp trên hệ thống tường phản lực tại Trường Đại học Giao thông vận tải Các kết quả minh chứng sự hiệu quả của đề xuất cũng như làm rõ ứng
xử cục bộ của nút khung liên hợp khi chịu tải trọng lặp
2 Thí nghiệm nút khung chịu tải trọng lặp
2.1 Giới thiệu chi tiết mẫu thí nghiệm
Mẫu thí nghiệm là nút biên của khung liên hợp dầm
thép-cột BTCT Mẫu được thiết kế theo [5], [6], [7] và chế tạo với tỷ
lệ 1-1 (Hình 1) Cột BTCT có kích thước mặt cắt ngang
400 400mm× Cốt thép dọc được sử dụng cho cột là 8D25 Cốt đai được sử dụng cho cột là D10 Khoảng cách giữa các thanh cốt đai được chia làm hai vùng, trong vùng mặt cắt ngang cột có thép hình khoảng cách cốt đai là 70mm, ở vùng cột mà mặt cắt chỉ có BTCT, cốt đai được bố trí với khoảng cách 100mm (Hình 3) Riêng trong vùng giao giữa dầm và cột, cốt đai được sử dụng là 3D16 Dầm thép sử dụng cho mẫu thí nghiệm là thép hình chữ I cán nóng, có kích thước tiết diện
300 150 9 6, 5× × × mm Để tăng cường độ cứng cho dầm, các sườn gia cường với chiều dày t=10mm được hàn với bản bụng và cánh dầm với khoảng bố trí thể hiện trên Hình 2 Phần thép hình neo vào trong cột là thép cán nóng có tiết diện
150 150 10 7mm× × × Bản bụng của thép hình được gia cường bằng một tấm thép có kích thước 110 600 7mm× × và 6 đinh chịu cắt được hàn trực tiếp bố trí dọc hai bên bản bụng của thép hình neo trong cột
D
1900 400
3600 1300
Mặt cắt C-C
Mặt cắt B-B Mặt cắt A-A
Đinh chịu cắt, D16 Thép dọc, D25
Thép đai, D10 Thép hình
Mặt cắt D-D
Dầm thép I300x150x6.5x9 Cột BTCT
400x400
Hình 1 Cấu tạo mẫu thí nghiệm
Trang 2Sườn gia cường, t10 Tấm gia cường, t7
110x600x7
Đinh chịu cắt, D16
150 150 600 450 300 150 150
Dầm thép
I300x150x6.5x9 Đoạn neo thép hình
I150x150x10x7 Hình 2 Chi tiết cấu tạo phần thép hình
3D16,a80
Hình 3 Cấu tạo cốt đai trong cột BTCT
2.2 Vật liệu được sử dụng trong thí nghiệm
Cốt thép dọc của cột đường kính 25mm và cốt thép đai
trong vùng nút đường kính 16mm thuộc cấp độ bền AIII theo
quy định của Tiêu chuẩn Việt Nam, với cường độ chịu kéo tiêu
chuẩn R sn =390MPa Cốt thép đai cột đường kính 10mm
thuộc cấp độ bền AII theo Tiêu chuẩn Việt Nam, với cường độ
chịu kéo tiêu chuẩn R sn =295MPa Thép hình cán nóng được
sử dụng làm dầm và phần neo trong cột là loại thuộc Mác
CCT34 với cường độ giới hạn kẻo chảy là 280MPa và cường
độ kéo đứt là 435MPa Đinh chịu cắt (chốt hàn) được sử dụng
có đường kính 16mm
Bê tông được sử dụng để chế tạo mẫu là bê tông thường
cấp độ bền chịu nén B30 Độ sụt của hỗn hợp vữa bê tông là
75±25mm Cường độ chịu nén trung bình của mẫu thử lăng
trụ tại ngày thí nghiệm là 32MPa
2.3 Các thiết bị đo
Thiết bị đo lực
Lực tác dụng là một trong những giá trị quan trọng cần
được thu thập trong thí nghiệm Giá trị này được lấy trực tiếp
từ loadcell có sẵn ở đầu kích
Thiết bị đo chuyển vị
Ngoài thu thập dữ liệu chuyển vị đỉnh cột thông qua
quãng đường đi của kích, để có thêm dữ liệu so sánh cũng như
kiểm soát được các chuyển vị tương đối, 3 đầu đo chuyển vị
LVDT với độ dài đo 0 – 200 mm được bố trí thêm tại 3 vị trí là
chân cột, giữa cột và 2/3 chiều cao cột
Một cặp đầu đo chuyển vị LVDT cũng được đặt tại vị
trí nút để đo biến dạng xoay và biến dạng cắt của nút (Hình
12a) Đồng thời, một đồng hồ đo biến dạng xoay cũng được đặt
ở mặt trên của dầm nhằm theo dõi góc xoay giữa dầm và thân
cột
Thiết bị đo biến dạng trong cốt thép
Để kiểm tra biến dạng của cốt thép trong quá trình thí
nghiệm, các cảm biến điện trở được dán vào các thanh cốt thép
dọc, cốt thép đai và thép hình tại các vị trí được dự đoán có
biến dạng lớn (Hình 4)
Vết nứt xuất hiện trên mẫu thí nghiệm được quan sát
bằng mắt thường và đánh dấu bằng bút
Hình 4 Các vị trí gắn đầu đo biến dạng
2.4 Sơ đồ thí nghiệm
Hình 5 thể hiện sơ đồ tính của mẫu thí nghiệm Trong
đó, chân cột được đỡ bằng gối cố định; đầu mút dầm được đỡ bằng gối di động ngăn cản chuyển vị theo phương thẳng đứng;
tải trọng ngang tác dụng dưới dạng đổi chiều (tải trọng lặp) được đặt ở đỉnh cột Để thực hiện được điều này, các cơ cấu được mô tả chi tiết trên Hình 6 Trong đó, chân cột được đỡ bằng cơ cấu ngăn cản chuyển vị theo ba phương x, y, z nhưng cho phép chuyển vị xoay không giới hạn quanh trục vuông góc với mặt phẳng khung Một thanh có độ cứng lớn nối giữa khớp xoay tại dầm và gối cố định ở mặt sàn cho phép mô phỏng lại gối di động đỡ dầm như ở sơ đồ tính ở Hình 5
Hình 5 Sơ đồ tính của mẫu thí nghiệm
1850
Dầm thép I300x150x6.5x9
Đoạn neo thép hình I150x150x10x7
Gối cố định Gối cố định
Kích thủy lực 1000kN
Cột BTCT 400x400mm
Khớp xoay Tường phản lực
Hình 6 Sơ đồ bố trí thí nghiệm
Trang 2
Trang 3Hình 7 Sơ đồ bố trí thí nghiệm thực tế
Hình 8 Lịch sử gia tải trọng ngang Tải trọng ngang đổi chiều tác dụng lên mô hình thí nghiệm
được sinh ra từ kích thủy lực loại 1000kN , với một đầu gắn
vào tường phản lực và một đầu gắn với đỉnh cột Lịch sử các
vòng lặp tác dụng theo chu kỳ sử dụng trong thí nghiệm được
thể hiện trên Hình 8 với tổng số 22 vòng lặp tác dụng vào mẫu
thí nghiệm Dải độ lệch tầng được tăng dần từ 0,1% đến 2,34%
tương đương với chuyển vị đỉnh cột từ 3,8mm đến 74,8mm
3 Kết quả
3.1 Quá trình hình thành vết nứt
Mẫu thí nghiệm được gia tải đến độ lệch tầng 0,75% thì
vết nứt đầu tiên xuất hiện, vết nứt này là vết nứt xiên và nằm
trong vùng nút giao giữa dầm và cột (Hình 9)
Hình 9 Hình ảnh vết nứt trên mẫu thí nghiệm ở DR 0,75%
Tại độ lệch tầng 0,85%, xuất hiện thêm vết nứt từ mép cánh dầm chạy ngang ra mép cột (Hình 10a) Tăng đến độ lệch tầng 1%, xuất hiện vết nứt ngang do uốn trên thân cột về phía đối diện với mặt đặt dầm (mặt lưng cột) tại khoảng 1/3 chiều cao cột (Hình 10b)
Hình 10 Hình ảnh vết nứt trên mẫu thí nghiệm ở DR 1% Đến độ lệch tầng 1,5% xuất hiện thêm vết nứt xiên tại nút, vết nứt này vuông góc với vết nứt xiên đã xuất hiện tại độ lệch tầng 0,75% (Hình 11a) Ngoài ra xuất hiện thêm một số vết nứt dọc và ngang thân cột ở khu vực nút giao giữa cột với dầm Ở mặt lưng cột cũng xuất hiện thêm vết nứt ngang cột tại khu vực gần với vết nứt ngang đã xuất hiện trên lưng cột ở độ lệch tầng 1% (Hình 11b)
Hình 11 Hình ảnh vết nứt trên mẫu thí nghiệm ở DR 1,5% Hình 12 Thể hiện vết nứt trên mẫu thí nghiệm tại độ lệch tầng 1,9% tương ứng với chuyển vị đỉnh cột 61,2mm Lực cắt lớn nhất cũng đạt được ở mẫu thí nghiệm tại độ lệch tầng này
Ở độ lệch tầng này, trên mặt hông của cột tại khu vực nút không xuất hiện thêm vết nứt mới so với các độ lệch tầng trước
đó mà chỉ xu hướng mở rộng khe nứt (Hình 12d) Ngược lại với vết nứt ở khu vực nút, ở tất cả các mặt vùng giữa cột có xuất hiện thêm nhiều vết nứt ngang do uốn (Hình 12c, d) Khu vực tiếp giáp giữa dầm thép và cột bê tông xuất hiện các vết nứt xiên hoặc thẳng xuất phát từ mặt dầm thép Nguyên nhân xuất hiện các vết nứt thẳng là do mặt cánh của dầm ép vào phần bê tông cột gây ra hiện tượng nở ngang Đối với các vết nứt nghiêng là phản ánh hình ảnh của các vùng bê tông chịu lực nén cục bộ ngay dưới mặt cánh dầm (Hình 12a, b) Hình dạng các vết nứt xuất hiện trên mẫu thí nghiệm cũng phù hợp với sơ đồ thanh chống- giằng đã được giả thiết trong các tính toán về sự làm việc của nút [4]
Trang 4a b
Hình 12 Hình ảnh vết nứt trên mẫu thí nghiệm ở DR 1,9%
Tại độ lệch tầng 2,34%, các vết nứt dọc cột gần phần dầm
kéo dài ra phía mút của thép hình trong cột, các vết nứt này nối
với các vết nứt xiên xuất hiện từ mép dầm thép, hình thành các
mảng vỏ bê tông bị ép vỡ (Hình 13a, b) Cũng tại độ lệch tầng
này, các vết nứt ngang trên thân cột ở bốn mặt nối lại với nhau
ở các mép giống hình ảnh của các mặt cắt ngang cắt qua thân
cột Theo quan sát, các vết nứt ngang xuất hiện nhiều ở phần
cột dưới dầm trong khi đó phần bê tông bị ép vỡ nằm ở phía
trên của dầm (Hình 14a, b)
Hình 13 Hình ảnh vết nứt trên mẫu thí nghiệm ở DR 2,34%
Hình 14 Hình ảnh vết nứt trên mẫu thí nghiệm ở DR 2,34%
Mô hình thí nghiệm được thiết kế theo tiêu chí cột yếu dầm khỏe nên trong suốt quá trình thí nghiệm sự làm việc của dầm thép vẫn nằm trong giới hạn đàn hồi Ổn định cục bộ của các bản bụng, bản cánh và sườn vẫn được đảm bảo như thiết kế ban đầu
3.2 Quan hệ lực cắt- chuyển vị ngang của mô hình thí nghiệm
Quan hệ lực cắt (chân cột)- chuyển vị ngang (đỉnh cột) của
mô hình thí nghiệm được thể hiện ở Hình 15 Lực cắt lớn nhất đạt được ở trụ là 83,92kN tại độ lệch tầng 61,2mm (1,9%) Mô hình thí nghiệm bị suy giảm 15% khả năng chịu lực tại độ lệch tầng 71,4 (2,23%) và bị suy giảm tới 36% khả năng chịu lực tại
độ lệch tầng 74,8 (2,34%) Tại độ lệch tầng 2,34% phần bê tông vỏ phía trên dầm thép bị ép vỡ, đây cũng là nguyên nhân khiến mô hình thí nghiệm giảm tới 36% khả năng chịu lực ở độ lệch tầng này
Hình 15 Quan hệ lực cắt- chuyển vị ngang
3.3 Biến dạng của cốt thép
Các giá trị biến dạng của cốt thép được thu thập thông qua các cảm biến điện trở gắn vào cốt thép của mô hình thí nghiệm theo sơ đồ trên Hình 4 Theo đó, phần thép hình đặt trong cột
và thép dọc của cột vẫn đang làm việc trong giới hạn đàn hồi Biến dạng lớn nhất trên cốt thép dọc đạt tại vị trí đặt BDIII, điều này có thể được giải thích do ảnh hưởng độ cứng của phần thép hình đặt trong cột Với cốt đai, hiện tượng chảy dẻo xuất hiện ở các cốt đai đặt BD5 và BD6 tại độ lệch tầng 1,5%, điều này khá phù hợp với sơ đồ tính theo [4]
Trang 4
Trang 54 Kết luận
Bài báo này đã mô tả chi tiết ứng xử của dạng nút khung
mới theo kết quả thực nghiệm Các kết quả thực nghiệm mẫu
với tỉ lệ 1/1 lần đầu tiên được tiến hành tại Việt Nam cho thấy
đây là một giải pháp đáng chú ý về cấu tạo vì đem lại nhiều ưu
điểm, cụ thể:
Với các dạng nút khung BTCT thông thường hoặc các dạng
nút khung liên hợp dầm thép – cột BTCT đã được nghiên cứu
trước đây, hình dạng phá hoại các nút khung tập trung chủ yếu
tại vùng giao giữa dầm và cột Ngược lại, với cách thức cấu tạo
như nút khung trong nghiên cứu này, hình ảnh phá hoại nút đã
không còn tập trung tại nút mà được phân tán ra cả các vùng
xung quanh Điều này thể hiện thông qua hình ảnh vết nứt xuất
hiện trên mẫu thí nghiệm không còn tập trung ở vùng nút mà
phân tán ra cả vùng cột phía trên và dưới dầm trong khu vực
đặt đoạn thép hình neo Việc này giúp cấu tạo nút khung đơn
giản hơn, tránh tập trung hàm lượng lớn cốt thép tại nút Đồng
thời kiểm soát tốt hơn sự làm việc của nút do sự phá hoại của
nút đã có xu hướng chuyển ra phía ngoài cột Với dạng cấu tạo
mới, vết nứt đầu tiên xuất hiện tại độ lệch tầng 0,75% trong khi
thông thường các dạng nút khung xuất hiện vết nứt tại độ lệch
tầng 0,5%, đây cũng là minh chứng cho khả năng làm việc hiệu
quả của dạng nút được đề xuất trong bài báo
Mô hình thí nghiệm trong nghiên cứu đang được thiết kế
với tiêu chí cột yếu dầm khỏe nhằm mục tiêu xem xét hình ảnh
phá hoại của cột BTCT từ đó có biện pháp cấu tạo phù hợp với
yêu cầu chịu lực Vì vậy việc đánh giá về độ dẻo, khả năng tiêu
hao năng lượng và suy giảm độ cứng chưa được xem xét tới
trong bài báo này
Tài liệu tham khảo
1 Griffis, L.G (1986), Some design consideration for
composite-frame structure, Engineering Journal 23 Issue
2, 59-64
2 Sheikh, T.M., Yura, J.A., and Jirsa, J.O (1987), Moment Conections between Steel Beam and Concerete Columns,
PMFSEL Report No 87-4, University of Texas at Austin,
Austin, Tex
3 Deierlein, D.D., Noguchi, H (2004), Overview of U.S – Japan reseach on seismiec design of composite reinforced
concrete and steel moment frame, Journal of Structure
Engineering, ASCE 130 Issue 2, 361-367
4 Nguyễn Huy Cường, Nguyễn Quang Huy, Nguyễn Xuân Huy (2014), Nghiên cứu ứng xử của nút khung liên hợp thép – bê tông cốt thép, Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ
học Kỹ thuật toàn quốc 4/2014, Tập 2, Tr 97-102
5 EN1992-1-1 (2004), Design of concrete structures-Part 1:
General rules and rules for buildings, European
Committee for Standardization
6 EN1993-1-8 (2005), Design of steel structures-Part 1.8:
Design of joint, European Committee for Standardization
7 EN1994-1-1 (2004), Design of composite steel and
concrete structures-Part 1.1: General rules and rules for buildings, European Committee for Standardization
