Nghiên cứu sự làm việc của cốt đai đến khả năng chịu cắt của sàn trong liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng.PDF

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HOÀNG HỒNG ĐIỆP NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT ĐAI ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA SÀN TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG Chuyên ngành : Kỹ thuật

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HOÀNG HỒNG ĐIỆP

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT ĐAI ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA SÀN TRONG LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng công trình DD & CN

Mã số : 858.02.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2019

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐÀO NGỌC THẾ LỰC

Phản biện 1: GS.TS Phan Quang Minh

Phản biện 2: TS Lê Anh Tuấn

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật họp tại trường Đại học Bách Khoa vào

ngày 20 tháng 4 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

Trung tâm Thông tin-Học liệu, Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, xu hướng xây dựng nhà cao tầng ngày càng được sử dụng nhiều ở Việt Nam Một hệ kết cấu hợp lý sẽ đem lại ý nghĩa lớn

về mặt kĩ thuật và hiệu quả sử dụng cho công trình Kết cấu sàn phẳng (sàn phẳng bê tông cốt thép hoặc sàn phẳng bê tông ứng lực trước) 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

Đối với nhà nhiều tầng, khi nhà càng cao và nhịp khung lớn thì lực dọc trong cột sẽ càng lớn Nếu sử dụng giải pháp kết cấu bê tông cốt thép thông thường thì kích thước cột sẽ rất lớn ảnh hưởng đến mặt bằng kiến trúc cũng như không gian sử dụng công trình, giải pháp cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube - CFST)

sẽ là lựa chọn hợp lý để thay thế cột bê tông cốt thép truyền thống vì những ưu điểm vượt trội về mặt kĩ thuật như độ cứng lớn, cường độ cao, độ dẻo và khả năng phân tán năng lượng lớn, về mặt công nghệ cột ống thép nhồi bê tông dễ dàng thi công và không tốn coffa, rút ngắn được thời gian thi công xây dựng công trình

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 sàn phẳng là 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 cột giữa CFST và sàn phẳng Đối với sàn phẳng vấn đề cần quan tâm đó là khả năng chịu cắt thủng của sàn Giải pháp sử dụng cốt đai

sẽ đáp ứng việc tăng cường độ chịu cắt và ứng xử dẻo cho liên kết

Do đó, cần có các nghiên cứu cụ thể ảnh hưởng của cốt đai đến khả năng chịu cắt của sàn như đề xuất các vị cần bố trí cốt đai, kiểu cấu tạo cốt đai cũng như đánh giả khả năng làm việc của cốt đai với tiêu chuẩn thiết kế 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 cốt đai đến khả

năng chịu cắt của sàn 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, kết cấu 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 cốt đai chịu cắt;

- Nghiên cứu thực nghiệm sự đóng góp của cốt đai đến khả năng chịu cắt trong liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng (sàn phẳng

bê tông cốt thép hoặc sàn phẳng bê tông ứng lực trước);

- Đưa ra các lưu ý khi thiết kế, cấu tạo cốt đai tại liên kết

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 cốt đai trong liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng

4 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết; nghiên cứu thực nghiệm

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

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

phẳng bê tông cốt thép hoặc sàn phẳng bê tông ứng lực trước) và mối liên kết giữa cột CFST với sàn phẳng

Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của cốt đai trong

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 Jin-Won Kim

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 Hiroki Satoh

1.3.6 Nghiên cứu của Alessandra L Carvalho

1.3.7 Nghiên cứu của Thibault Clément

1.4 Các hình thức bố trí cốt đai trong sàn

1.5 Kết luận chương 1

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI ĐẾN KHẢ

NĂNG CHỊU CẮT THỦNG CỦA SÀN

2.1 Cơ chế chịu cắt của cốt đai trên tiết diện nghiêng

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

(Hình 2.1)

L/2

VÕt nøt c¾t chÝnh Cét CSFT

Hình 2.1 Cơ chế chuyển 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

2.3 Tiêu chuẩn tính toán khả năng chịu cắt thủng của sàn có kể đến cốt đai

2.3.1 Tiêu chuẩn ACI 318-14

a Cường độ chịu cắt cho bê tông sàn khi không có cốt đai

Đối với sàn làm việc hai phương sự phá hoại cắt có thể xảy ra

do tác dụng cắt thủng bản sàn Đặc điểm cắt thủng là các vết nứt cắt theo dạng hình côn hoặc hình tháp xung quanh cột, mũ cột hoặc bản

mũ cột Góc nghiêng của tháp chọc thủng so với mặt nằm ngang là θ phụ thuộc vào bản chất và số lượng cốt thép trong bản sàn và chúng nằm trong khoảng θ = 200 ÷450 Trong trường hợp bản sàn không có cốt đai khả năng chịu cắt của bê tông sàn được xác định là giá trị nhỏ nhất của:

o

α d4

vị trí sao cho b0 đạt giá trị nhỏ nhất nhưng không được gần hơn d/2 tính từ cạnh hoặc góc của cột, vùng tải trọng tập trung hoặc những vùng sàn thay đổi tiết diện Hình 2.7 mô tả cách xác định chu vi tới hạn cho các trường hợp tiết diện chịu tải khác nhau:

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 2.7 Xác định chu vi tiết diện tới hạn

b Khả năng chịu cắt thủng của sàn khi sử dụng cốt thép chịu cắt

Theo ACI 318-11 cường độ chịu cắt thủng cho phá hoại trong khu vực cốt thép chịu cắt cĩ thể được tính tốn bởi việc cộng sự đĩng gĩp của bê tơng và cốt thép chịu cắt, trong đĩ cường độ chịu cắt của

bê tơng thường bằng một nửa cường độ chịu cắt thủng của sàn mà khơng cĩ cốt thép chịu cắt Tuy nhiên, trong trường hợp sử dụng đinh chống cắt ACI 318-11[7]đề xuất sự đĩng gĩp của bê tơng là 3/4 của cường độ chịu cắt thủng của sàn khi khơng cĩ cốt thép chịu cắt Do

đĩ, cường độ chịu cắt thủng với cốt đai là:

Trong đĩ: b0 là chu vi dọc theo tiết diện tới hạn tại khoản d/2

từ biên của vùng gối tựa, d là chiều cao làm việc hiệu quả của sàn, fc ’

là cường độ chịu nén của bê tơng MPa, Asw là diện tích tiết diện ngang của một chu vi của cốt thép chịu cắt xung quanh cột, sw là khoản cách giữa những chu vi của cốt thép chịu cắt và fyw là cường

độ chảy dẻo của cốt thép chịu cắt (MPa)

c Trường hợp sàn gia cường thép mũ chịu cắt (Shearhead)

Tiêu chuẩn ACI 318-11 cho phép sử dụng kết cấu thép có tiết diện như chữ I hay chữ C để gia cường khả năng chịu cắt cho sàn

Hình 2.8.Chu vi tại tiết diện tới hạn sử dụng thép mũ chịu cắt

Khi bố trí mũ chịu cắt vào trong bản sàn, giá trị giới hạn độ bền danh nghĩa theo lực cắt của bản sàn tại tiết diện tới hạn cách mặt gối tựa một khoảng d/2 không được lớn hơn:

và 0.083[(αsd/b0+1.5)]; αs bằng 40 cho cột giữa

fpc giá trị trung bình của ứng suất nén hiệu quả của ƯLT gây ra theo hai phương, fpc theo mỗi phương không nhỏ hơn 0,9MPa và không lớn hơn 3,5MPa;

giá trị '

c

f lấy không lớn hơn 5,8MPa

Vp là thành phần thẳng đứng của lực nén của lực nén trước hiệu quả cắt qua tiết diện tới hạn Trong trường hợp cáp ứng lực

trước được bố trí đều trên suốt bề rộng sàn, đại lượng Vp thường được bỏ qua vì lý do an toàn

b0 là chu vi tiết diện tới hạn lấy theo Hình 2.8

2.3.2 Tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 2 (EC2 2004)

của bê tông và cốt thép chịu cắt, trong đó sự đóng góp của bê tông tương ứng là 75% của cường độ chịu cắt thủng của sàn không có cốt thép chịu cắt

f 1,15(2500, 25d)f (2.31) Cường độ chịu cắt thủng cho phá hoại bên ngoài của vùng cốt thép chịu cắt được định nghĩa tương tự như cường độ chịu cắt thủng trong sàn không có cốt thép chịu cắt Sự khác biệt là chiều dài của chu vi tiết diện tới hạn lấy theo Hình 2.10:

v(1 200 / d )2.0 - ảnh hưởng của kích thước sàn;

 - hàm lượng cốt thép chịu uốn;

+ Khi chu vi tháp cắt thủng nằm ngoài vùng bố trí cốt đai, sức kháng cắt tính theo công thức (2.21)

1/3

V (0.18(1 200 / d)(100 f ) 0.1 )b d(2.21) Trong đó:b0,out- chu vi tiết diện phá hoại xác định theo chu vi cắt thủng bên ngoài vùng bố trí cốt đai

2.4 Kết luận chương 2

CHƯƠNG 3 THÍ NGHIỆM ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CỐT ĐAI

ĐẾN CƯỜNG ĐỘ CHỊU CẮT THỦNG CỦA SÀN

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 lỗ khoan sẵn trên

mặt cột Chú ý các lỗ 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 kết 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 Sự tương đương

ở đây dựa trên các cơ sở sau: (1) Tải trọng truyền về cột giữa được lấy tương đương với tải trọng tác dụng vào cột để thiết kế mẫu thí nghiệm; (2) Về kích thước mẫu được lấy tương đương với dải sàn trong mơ hình thật; (3) Mơ men tại các vị trí mặt cột lấy tương ứng với mơ men trong mẫu thí nghiệm

CẤU TẠO CỘT GIỮA

MẶT CẮT DỌC ỐNG

I I

Ghi chú:

Dùng thép CT34 Đường hàn 8mm

50 400 450

Cốt thép lớp trên: Þ14a85 Cốt thép lớp dưới: Þ10a100

Cốt thép đai chữ U ngược

(bố trí Þ10a75 cách mặt cột

và Þ10a100 còn lại)

650

2400

Hình 3.3 Bố trí cốt thép đai

3.1.3 Chế tạo mẫu thí nghiệm

Mẫu cột được chế tạo từ ống thép vuông kích thước 300×300mm2 chiều dày thành ống 10mm Trên thân ống có khoét lỗ

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 lỗ 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 3.6 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

Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm nén mẫu bê tông

Mẫu (mm) A(mm 2 ) P y (kN) f y (MPa) P u (kN) f u (Mpa) E s (MPa)

1 10 78.54 28.68 365.4 40.06 510.3 212200

Mẫu (mm) A(mm 2 ) P y (kN) f y (MPa) P u (kN) f u (Mpa) E s (MPa)

1 14 153.94 83.9 545.02 102.05 662.9 212200

3.2.3 Cáp ứng lực trước

Chọn cáp T12 có các đặc trưng sau:

 Giới hạn chảy f py 1670MPa

 Mô đun đàn hồi E sp200GPa

Thiết bị tạo ứng lực trước với độ chuyển dịch neo cho phép là 6mm

Chọn ứng suất căng trước f pi 0,7f pu; 0,7 1860 1300

Hình 3.16 Kết quả ứng xử của sàn bằng mô phỏng ABAQUS

SS1 SS2

SS3 SS4

SS5 SS6 SS7

400 300 400

75 100 100 100 100

75

KÝ HIÖU SS: Strain gauge Stub

a,b a,b

Hình 3.17 Bố trí cốt đai trong sàn

Hình 3.18 Bố trí strain gauge trên cốt đai

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

3.4.1 Mô tả kết quả thí nghiệm

Hình 3.19 Vết nứt trên sàn tại cấp tải P=1080kN

Hình 3.20 Vết nứt trên sàn tại cấp tải P=1530kN

Hình 3.21 Sự phá hoại sàn tại P=1780kN

3.4.2 Đánh giá kết quả thí nghiệm

Sau khi kết thúc thí nghiệm, thực hiện cắt sàn như Hình, quan

sát trên các mặt cắt cho thấy:

b) Mặt cắt A-A

c) Mặt cắt B-B

Hình 3.22 Kết quả quan sát ứng xử tại các vết nứt trên sàn

- Kết quả quan sát từ mặt cắt A-A, cho thấy có rất nhiều vết nứt nghiêng cắt qua cốt đai, tuy nhiên sự có mặt của cốt đai làm cho các vết nứt không mở rộng nên không có sự phá hoại trong vùng bố trí cốt đai Lúc đó, vết nứt phát triển phát triển ra ngoài vùng cốt đai Vết nứt bắt đầu tại chân cốt đai ngoài cùng và nghiêng góc khoảng

300 ra bên ngoài sàn Sự phá hoại này chỉ qua bê tông hay chu vi phá hoại cắt thủng sẽ được mở rộng ra khỏi vùng cốt đai nên khả năng chịu cắt thủng của sàn sẽ lớn hơn Khả năng chịu cắt thủng trong trường hợp này chỉ do bê tông chịu

- Mặt cắt B-B cho thấy khía cạnh khác của vùng phá hoại Các vết nứt lớn cắt qua cốt đai, lúc này biến dạng trong cốt đai lớn nên sự phá hoại xảy ra trong vùng bố trí cốt đai không có vết nứt phát triển bên ngoài vùng bố trí cốt đai Sức kháng cắt trên trong trường hợp này do cả bê tông và cốt đai chịu

Như vậy, sự có mặt của cốt đai sẽ làm tăng khả năng chịu cắt thủng cho sàn Tùy thuộc vào vị trí của vết nứt phá hoại mà khả năng chịu cắt tính toán cho sàn có thể tính chỉ do bê tông chịu hoặc cả bê tông và cốt thép chịu