Nghiên cứu sự làm việc của Shear-key trong liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng.PDF

Hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tông Concrete Filled Steel Tube - CFST và sàn phẳng sàn phẳng bê tông cốt thép hoặc sàn phẳng bê tông ứng lực trước là sự lựa chọn thích hợp vì: Kết cấu c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN DUY VIỆT

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA SHEAR-KEY TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

Quảng Ngãi – Năm 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC

Phản biện 1: TS Nguyễn Huy Gia

Phản biện 2: TS Phạm Mỹ

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp họp tại Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 04 tháng 5 năm

2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa;

- Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Các công trình nhà cao tầng ngày càng được sử dụng nhiều ở Việt Nam Một giải pháp kết cấu mới và hợp lý hơn các kết cấu truyền thống sẽ đem lại ý nghĩa lớn về mặt kĩ thuật và hiệu quả sử dụng cho công trình Hệ kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube - CFST) và sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép hoặc sàn phẳng bê tông ứng lực trước) là sự lựa chọn thích hợp vì: Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) được sử dụng phổ biến trong kết cấu nhà cửa ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc và là giải pháp hiệu quả thay thế cho cột bê tông cốt thép truyền thống vì những tính năng vượt trội về mặt kỹ thuật như có độ cứng lớn, cường độ cao, độ dẻo, khả năng phân tán năng lượng tốt và độ chống cháy cao Về mặt công nghệ cột ống thép nhồi

bê tông dễ thi công, không cần hệ thống coffa nên rút ngắn được thời gian thi công xây dựng công trình, đặc biệt loại cột này sẽ phát huy hiệu quả trong thi công tầng hầm bằng phương pháp top – down Do

đó, kết cấu cột ống thép nhồi bê tông có tiềm năng lớn cho việc thay thế cột bê tông cốt thép truyền thống trong kết cấu nhà cao tầng Kết cấu sàn phẳng được xem là giải pháp sàn hiệu quả vì nó làm giảm được chiều cao tầng, tăng số tầng sử dụng cũng như thuận tiện cho thi công đẩy nhanh tiến độ xây dựng, thuận lợi cho việc bố trí đường ống thiết bị kĩ thuật, dễ dàng thông gió và linh hoạt bố trí mặt bằng so với kết cấu sàn có dầm

Như vậy, việc kết hợp hai loại kết cấu sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép hoặc sàn phẳng bê tông ứng lực trước) và cột ống thép nhồi bê tông cho kết cấu nhà cao tầng sẽ đem lại hiệu quả cao về mặt kinh tế, kĩ thuật Tuy nhiên, vấn đề lớn nhất khi kết hợp hai loại kết

cấu này đấy là liên kết Cơ chế ứng xử của liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông và kết cấu sàn phẳng phức tạp và chưa được hiểu rõ Hiện nay, các nghiên cứu chỉ thực hiện nghiên cứu tổng thể cho liên kết cột giữa với sàn phẳng và chưa có nhiều các nghiên cứu đề cập đến sự đóng góp của từng bộ phận liên kết đến khả năng chịu cắt của liên kết Đối với liên kết sàn phẳng – cột CFST, chi tiết Shear-key đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối sàn và cột để đảm sự làm việc chung của hệ kết cấu Ứng xử của shear-key chưa được hiểu rõ

do đó cần khảo sát các yếu tố ảnh hưởng của shear-key như tương quan độ cứng, ảnh hưởng của chiều dài, sự phân bố mô men trong shear-key đến khả năng chịu lực của liên kết để từ đó đưa ra các giải pháp cấu tạo, tính toán hợp lý nhằm áp dụng hiệu quả hệ kết cấu sàn phẳng và cột ống thép nhồi bê tông trong xây dựng nhà cao tầng hiện nay Đấy là lý do để thực hiện luận văn với đề tài: “NGHIÊN CỨU

SỰ LÀM VIỆC CỦA SHEAR – KEY TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG”

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu tổng quan về cột CFST, sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép hoặc sàn phẳng bê tông ứng lực trước) và liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng, sự làm việc của Shear-key;

- Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của Shear-key trong liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng;

- Đưa ra các lưu ý khi thiết kế, tính toán, cấu tạo cho Shear - key

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu: Mối liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép hoặc sàn phẳng bê tông ứng lực trước)

Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát sự làm việc của Shear-key

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết; nghiên cứu thực nghiệm

5 Kết quả dự kiến

- Kết quả ứng xử thực tế của Shear-key từ mô hình thí nghiệm;

- Đưa ra các lưu ý khi thiết kế, tính toán, cấu tạo cho Shear - key

6 Bố cục đề tài

Mở đầu;

Chương 1: Tổng quan về kết cấu cột CFST, sàn phẳng bê tông

cốt thép và mối liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng;

Chương 2: Sự làm việc của Shear key trong liên kết cột ống

thép nhồi bê tông với sàn phẳng

Chương 3: Thí nghiệm khảo sát sự làm việc của Shear-key

trong liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng

Kết luận và kiến nghị

Danh mục tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỘT CFST, SÀN PHẲNG

VÀ MỐI LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI SÀN PHẲNG 1.1 Tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông

1.1.1 Khái niệm về cột ống thép nhồi bê tông

1.1.2 Phân loại cột ống thép nhồi bê tông

1.1.3 Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông 1.1.4 Khả năng áp dụng

1.3.1 Nghiên cứu của Hiroki Satoh

1.3.2 Nghiên cứu của Y Su, Y Tian

1.3.3 Nghiên cứu của Cheol-Ho Lee

1.3.4 Nghiên cứu của Young K.Ju

1.3.5 Nghiên cứu của Jin-Won Kim

1.3.6 Alessandra L Carvalho

1.3.7 Nghiên cứu của Thibault Clément

1.3.8 Nhận xét

1.4 Kết luận chương 1

Qua tổng quan thấy được các ưu điểm của kết cấu sàn phẳng

và kết cấu cột CFST cũng như hiệu quả mang lại khi kết hợp giữa sàn phẳng và cột CFST trong kết cấu công trình đặc biệt là kết cấu nhà nhiều tầng Tuy nhiên, cần phải giải quyết vấn đề liên kết giữa sàn và

cột, đặc biệt sự làm việc của Shear – key đối với sự phá hoại chọc thủng của sàn trong liên kết

Trong chương 2 của luận văn sẽ trình bày vai trò của Shear key trong liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT

CHƯƠNG 2

SỰ LÀM VIỆC CỦA SHEAR KEY TRONG LIÊN KẾT

CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG

2.1 Vai trò của Shear - key trong liên kết cột cfst với sàn phẳng

BTCT

Trên những vị trí đầu cột nơi có lực cắt lớn ứng suất tiếp do

lực cắt và ứng suất pháp do mômen sẽ gây ra những ứng suất kéo

chính nghiêng với trục 1 góc nào đó Khi ứng suất kéo chính vượt

qua cường độ chịu kéo của bê tông sẽ gây ra các khe nứt nghiêng

Theo đó tại vị trí vết nứt nghiêng hình thành sẽ xuất hiện các thành

phần lực để chống lại lực cắt đó Các thành phần lực kháng cắt bao

gồm: Sự cài khóa của các cốt liệu, Vagg - Aggregate interlock; Sự

kháng cắt của bê tông vùng nén, Vch - Concrete compressive zone;

Sự kháng cắt của cốt dọc, Vdow - Dowel action ; Sự làm việc của cốt

đai, Vsw,i - Transverse reinforcement ; Sự làm việc của Shear – key,

V

L/2

VÕt nøt c¾t chÝnh Cét CSFT

Hình 2.1 Cơ chế truyền lực cắt qua khe nứt nghiêng

Như vậy, khả năng chịu cắt trên khe nứt nghiêng là tổng các sự

kháng cắt trong từng cơ chế được thể hiện qua công thức tổng quát

vai trị quan trong trong việc kết nối sàn cột đảm bảo cho sàn cột được liên tục và làm việc đồng thời với nhau Với cấu tạo của Shear key là đoạn thép hình tiết diện H được hàn cứng vào thành ống thép thì cánh dưới của Shear - key đĩng vai trị như gối đỡ cho thanh chống phát triển Trong từng trường hợp cụ thể, độ dài shear-key ảnh hưởng đến hình dáng của thanh chống Khi lực tác dụng tăng lên tạo

ra ứng suất lớn trong thanh chịu nén sẽ gây ra vết nứt nghiêng Vết nứt này cĩ thể cắt qua shear-key hoặc phát triển bên dưới shear-key

2.2 TÍNH TỐN SỰ ĐĨNG GĨP CỦA SHEAR KEY ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT THỦNG CHO SÀN

2.2.1 Hệ shear key làm việc như một cột kích thước lớn

Phương thức thiết kế này giả thiết hệ shear key làm việc như một cột kích thước lớn với kích thước cột mở rộng bằng kích thước cột cộng với chiều dài của shear key về mỗi phía Điều kiện này dựa trên cơ sở shear key khơng bị phá hoại trước khi sàn bị phá hoại và

nĩ đĩng vai trị chống phá hoại cắt thủng cho sàn

D D+d

d/2 d/2

Tiết diện cột

Chu vi tiết diện tới hạn

Tiết diện cột

Chu vi

tiết diện tới hạn

D D+d

d/2 d/2

b

a

d/2 d/2

Diện tích chịu tải thực

Chu vi chịu tải hiệu quả

Chu vi tiết diện tới hạn

Hình 2.1 Xác định chu vi tiết diện tới hạn

Như vậy, trong trường hợp này shear key xem như là một gối

đỡ cho sàn và khả năng chống cắt thủng được xác định bằng ứng suất cắt của bê tơng nhân với diện tích của tháp cắt thủng Quan điểm này được nhiều tiêu chuẩn áp dụng trong thực tế thiết kế Trong luận văn này sẽ trình bày tiêu chuẩn ACI 318-14

2.2.2 Khả năng chịu cắt thủng của sàn là sự đóng góp của

bê tông và shear key

Theo Jin-Won Kim [5], khả năng chịu cắt của sàn gồm sự đóng góp của bê tông ψVc và của shear key Vs:

s

V = nV = n.GγA w w (2.12)

2.3 CẤU TẠO SHEAR KEY

Về mặt cấu tạo, các thép hình được sử dụng làm mũ chịu cắt phải đảm bảo các yêu cầu sau:

- Mỗi cánh tay chịu cắt sẽ được hàn vào một cánh tay vuông góc giống hệt với các đường hàn và mỗi cánh tay phải liên tục trong tiết diện cột

- Vùng cánh chịu nén của thép hình phải đặt cách đáy bản sàn một khoảng không lớn hơn 0,3d

- Chiều cao của thép hình không được lớn hơn 70 chiều dày của bản bụng

- Các kết quả thí nghiệm đã nghiên cứu cho thấy rằng lực cắt trên toàn bộ chiều dài vươn của mũ chịu cắt là hằng số Phần lực cắt

do phần chiều dài vươn của mũ chịu cắt chịu tỷ lệ với độ cứng αv :

v s s c c

2.4 Kết luận chương 2

Trong chương này tác giả luận văn đã thực hiện các vấn đề:

- Vai trò của Shear key trong liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT;

- Nghiên cứu tính toán sự đóng góp của Shear - key đến khả năng chịu cắt thủng cho sàn;

- Trình bày một số yêu cầu cấu tạo cơ bản của Shear – key

CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM KHẢO SÁT SỰ LÀM VIỆC CỦA SHEAR-KEY

TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

VỚI SÀN PHẲNG 3.1 Chế tạo mẫu, thiết bị và thiết lập thí nghiệm

3.1.1 Cấu tạo liên kết cột CFST với sàn phẳng bê tông ứng

lực trước

+ Shear head: Để đảm bảo tính liên tục giữa sàn và cột CFST

chi tiết Shear-head được chọn sẽ là thép hình chữ H hoặc I, một phần

cánh được cắt bỏ để chừa lại phần bụng Phần này được đưa vào bên

trong cột qua rãnh được xẻ trên mặt cột

Hình 3.1 Mặt cắt dọc bố trí liên kết cột CFST- sàn phẳng BTCT

+ Tấm thép liên tục bao quanh chu vi cột (Continuity plate)

Chi tiết này bố trí phía dưới của cánh dưới tiết hiện H hoặc I, được

hàn theo chu vi cột và liên kết với thép Shear-head

+ Cốt đai dạng chữ C Bố trí theo suốt chiều dày của sàn với

móc neo tiêu chuẩn theo ACI 318 dùng để gia cường khả năng chịu

cắt cho sàn, đảm bảo cho sàn xảy ra phá hoại dẻo

+ Cốt thép sàn (cốt thép lớp trên và cốt thép lớp dưới) chịu mô

men trong sàn Cốt thép được xiên qua cột bởi các lổ khoan sẵn trên

mặt cột Chú ý các lổ khoan phải khác cao trình trên các mặt cột để

thuận tiện cho việc xuyên cốt thép Để thuận tiện cho đổ bê tông lõi

cột, các cốt thép này nên bố trí sao cho đủ tạo khoảng trống cho ống

đổ bê tơng di chuyển trong lõi ống thép khi thi cơng

+ Cột ống thép nhồi bê tơng

3.1.2 Thiết kế mẫu thí nghiệm

Mẫu thí nghiệm được thực hiện trên mẫu với kích thước thật

Cơ sở để chọn mẫu dựa vào điều kiện làm việc tương đương với khả năng chịu tải của liên kết cho ơ sàn cĩ kích thước 6m × 6m

100

300 340

300 400 400

CẤU TẠO CỘT GIỮA

MẶT CẮT DỌC ỐNG

300

50 300 50 400

Ghi chú:

Dùng thép CT34 Đường hàn 8mm

50 400 450

Hình 3.1 Cấu tạo chi tiết liên kết

3.1.3 Chế tạo mẫu thí nghiệm

Mẫu cột được chế tạo từ ống thép vuơng kích thước 300×300mm2 chiều dày thành ống 10mm Trên thân ống cĩ khoét lổ

để đưa cốt thép neo vào cột Các mũ thép chịu cắt được cấu tạo thép

hình số hiệu H100×100 được xuyên qua cột thông qua các lổ khoét sẵn trên mặt cột và được hàn tại bề mặt ngoài của cột Chân cột được hàn một bản thép 340×340mm2 chiều dày 20mm để đặt kích gia tải sau này, đầu cột để trống để đổ bê tông Công đoạn chế tạo mẫu được thực hiện và kiểm tra chất lượng tại xưởng

Hình 3.1 Chế tạo liên kết cột CFST- sàn phẳng BTCT

Hình 3.2 Lắp đặt cốt thép và cáp dự ứng lực

Hình 3.3 Đổ bê tông sàn và dưỡng hộ mẫu

3.1.4 Thiết bị thí nghiệm

3.2 Thí nghiệm xác định cường độ của vật liệu

3.2.1 Thí nghiệm bê tông

Đúc mẫu thí nghiệm: tiến hành đúc 6 mẫu trụ kích thước cùng lúc thi công đổ bê tông sàn Mẫu được dưỡng hộ trong điều kiện phòng thí nghiệm và thực hiện thí nghiệm ở 28 ngày tuổi

Hình 3.2 Đúc mẫu bê tông mẫu trụ 150×300mm và dưỡng hộ

bộ neo giữ được chế tạo bởi các thanh tròn gối tựa trên các ổ bi nhằm đảm bảo cho cột trượt tự do theo phương thẳng đướng và hạn chế được ma sát với thành cột

Hình 3.24 Lắp đặt thiết bị và thiết bị đo cho mẫu thí nghiệm

Bố trí strain gauge đo biến dạng trong Shear key: Shear-head tiết diện H100×100 được nhúng vào trong sàn BTCT và làm việc giống như côn xôn, các cảm biến SH1-SH5 bố trí cánh trên của Shear-head, các Shear key SHW1, SHW2 bố trí ở bụng của shear key và một strain gauge SHB1 bố trí cánh dưới của shear key

SH W 2

SH W 1

75 75 75

SH4 SH5

400

50 75 50

400

KÝ HIÖU SH: Strain gauge Shear - Head

SH4 SH3 SH2 SH1

50 75

50

SH5 SH3 SH2 SH1

S B 1

50 75

75

75

Hình 3.5 Strain gauge đo biến dạng bề mặt cánh trên của

Shear-head

3.4 Mô tả kết quả thí nghiệm và đánh giá kết quả đo

3.4.1 Mô tả kết quả thí nghiệm

Thực hiện gia tải cho mẫu với mỗi cấp tải Pi=50kN, giữ tải cho đến khi chuyển vị của LVDT và biến dạng trong các Strain gauges ổn định, thời gian giữ tải ở mỗi cấp là 5 phút quan sát thấy được:

Hình 3.23 Vết nứt trên sàn tại

cấp tải P=730kN

Hình 3.24 Vết nứt trên sàn tại cấp tải P=1530kN

Hình 3.25a Sự phá hoại bê tông

mặt trên tại P=1780kN

Hình 3.26.b Sự phá hoại bê tông mặt dưới tại P=1780kN

3.4.2 Đánh giá kết quả thí nghiệm

Kết quả ghi lại của các Strain gauge dán trên shear key sẽ cho các đồ thị quan hệ biến dạng và tải trọng như sau:

Hình 3.7 Đồ thị tải trọng - biến dạng cánh trên của Shear key

Đồ thị Hình 3.26 mô tả biến dạng của cánh trên Shear key

được ghi lại từ các Strain gauge từ SH1 đến SH5 Nhìn chung biến

dạng của cánh trên đều chịu kéo và giảm dần từ mặt cột ra đầu mút

shear key Biến dạng lớn nhất thu được ở vị trí gần mặt cột

A

Kết quả biến dạng ở bản bụng của shear key mô tả trên hình 3.17 là khá lớn, bản bụng đạt đến ứng suất chảy dẻo tại trạng thái tới hạn Điều này củng cố quan điểm bản bụng cùng với bê tông tham gia chịu cắt thủng cho sàn

Hình 3.10 Mặt cắt sàn

a) Mặt cắt A-A

b) Mặt cắt B-B Hình 3.11 Kết quả quan sát phá hoại bên trong sàn

Hình 3.30 cho thấy chi tiết hơn về vết nứt phá hoại Các vết nứt phá hoại đi xa khỏi mặt cột hay chu vi tháp cắt thủng sẽ lớn hơn

so với khi không sử dụng shear key Trong trường hợp này shear key xem như là một gối đỡ cho sàn và khả năng chống cắt thủng được xác định bằng ứng suất cắt của bê tông nhân với diện tích của tháp cắt thủng Quan điểm này được nhiều tiêu chuẩn áp dụng trong thực

tế thiết kế

Với mỗi shear key, xem sự làm việc của nó là một côn xôn, nên đoạn vươn của nó phải đảm bảo đủ cứng để phát huy vai trò làm gối tựa của nó Đoạn vươn yêu cầu theo ACI 318 là không vượt quá 4 lần chiều cao làm việc của sàn

3.5 Kết luận chương 3

Trong chương này đã thực hiện các nội dung sau: