Ứng xử chịu lực của dầm liên hợp bê tông thép tiết diện chữ t ngược sử dụng liên kết perfobond

TÓM TẮT LUẬN VĂNNghiên cứu này tập trung khảo sát thực nghiệm và đánh giá ứng xử của dầm liên hợp thép – bê tông cốt thép sử dụng thép hình dạng chữ T ngược cùng liên kết kháng cắt perfo

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

LÊ HOÀNG PHƯƠNG

ỨNG XỬ CHỊU LỰC CỦA DẦM LIÊN HỢP

BÊ TÔNG - THÉP TIẾT DIỆN CHỮ T NGƯỢC

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa- ĐHQG-HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Bùi Đức Vinh

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Lê Văn Phước Nhân

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Ngô Hữu Cường

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Minh Long

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM

Ngày 09 tháng 09 năm 2013

Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ gồm:

1 TS Nguyễn Sỹ Lâm

2 TS Lê Văn Cảnh

3 TS Ngô Hữu Cường

4 TS Nguyễn Minh Long

5 TS Bùi Đức Vinh

TS NGUYỄN SỸ LÂM TS NGUYỄN MINH TÂM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

- -o0o -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: LÊ HOÀNG PHƯƠNG Phái: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 15-06-1977 Nơi sinh: TIỀN GIANG Chuyên ngành: Xây Dựng Dân Dụng – Công Nghiệp MSHV: 11210244-Khóa: 2011

1-TÊN ĐỀ TÀI:

Ứng xử chịu lực của dầm liên hợp bê tông - thép tiết diện chữ T ngược sử dụng liên kết Perfobond

2-NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

 Khảo sát thực nghiệm cơ chế truyền lực và khả năng làm việc của dầm liên hợp tiết diện T ngược sử dụng liên kết perfobond dạng mở

 Xây dựng mô hình 3D phân tích tham số của dầm composite bằng phần mềm Ansys

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21-01-13

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 28-06-13

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS BÙI ĐỨC VINH

TS LÊ VĂN PHƯỚC NHÂN

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

Tp HCM, ngày 28 tháng 06 năm2013

TRƯỞNG BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin chân thành gửi lời biết ơn sâu sắc đến 2 thầy TS Bùi Đức Vinh và TS Lê Văn Phước Nhân đã tận tình hướng dẫn cũng như truyền đạt cho tôi những kiến thức quý báo trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu để hoàn thành bài luận văn này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Xây Dựng trường Đại Học Bách Khoa đã trang bị cho tôi những kiến thức cần thiết giúp tôi rất nhiều trong bài luận văn cũng như ứng dụng cho cuộc sống và nghiên cứu sau này

Xin chân thành cảm ơn các anh chị em trong công ty Hoàng Vinh T.R.C.C đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi hết mình trong giai đoạn chế tạo mẫu và tiến hành thí nghiệm tại công ty

Tôi cũng xin cảm ơn công ty Xi măng Sài gòn đã tài trợ nguyên vật liệu xi măng cho nhóm chúng tôi trong suốt quá trình thực hiện chế tạo mẫu thí nghiệm

Cuối cùng tôi xin cảm ơn gia đình và các anh em bạn bè đã hết lòng giúp đỡ và động viên tôi những lúc khó khăn trong thời gian thực hiện đề tài luận văn

Xin chân thành cảm ơn

TP.HCM, ngày 28 tháng 06 năm 2013

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Nghiên cứu này tập trung khảo sát thực nghiệm và đánh giá ứng xử của dầm liên hợp thép – bê tông cốt thép sử dụng thép hình dạng chữ T ngược cùng liên kết kháng cắt perfobond dạng mở Chương trình thực nghiệm tiến hành trên 3 mẫu dầm liên hợp với kích thước lớn với chiều dài lên đến 4.0m Các mẫu thí nghiệm được thiết kế có sự khác biệt về hình dạng và cường độ của bản bê tông nhưng giống nhau về hình dạng và kích thước của dầm thép hình T Liên kết perfobond dạng tiết tiết diện mở đối xứng, số lượng cốt thép trong mỗi chốt bê tông được áp dụng giống nhau cho tất cả các mẫu thí nghiệm

Mục tiêu của khảo sát thực nghiệm nhằm nghiên cứu ứng xử của dầm liên hợp

và đánh giá khả năng làm việc của liên kết perfobond sử dụng trong dầm Thông qua các thông số đo được bao gồm: lực –độ võng, trượt tương đối tại mặt tiếp xúc giữa bản bêtông và dầm thép, biến dạng của bản bêtông và thép hình, biến dạng của liên kết perfobond

Bên cạnh các khảo sát thực nghiệm, mô phỏng phần tử hữu hạn với phi tuyết vật liệu cũng được thực hiện để bổ sung những kết quả mà thực nghiệm chưa làm được

Mô hình dầm liên hợp được mô tả với các kích thước giống như mẫu thí nghiệm và được hiệu chỉnh với kết quả thí nghiệm Kết quả mô phỏng khá tương đồng so với kết quả phân tích từ thực nghiệm, điều đó cho thấy độ tin cậy và tính khả thi của phương pháp mô phỏng

Ngoài ra, các so sánh với dầm liên hợp sử dụng thép hình chũ I thông thường cũng được thực hiện nhằm hướng tới đề xuất một thiết kế hợp lý nhất cho loại dầm này trong từ trường hợp cụ thể

Từ khóa: Kết cấu liên hợp, liên kết perfobond, perfobond hở

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS Bùi Đức Vinh và TS.Lê Văn Phước Nhân

Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận văn này trung thực và chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào

Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Học viên

Lê Hoàng Phương

MỤC LỤC

CHƯƠNG1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Kết cấu liên hợp thép-bê tông cốt thép 1

1.2 Động lực cho nghiên cứu 3

1.3 Mục tiêu và giới hạn của đề tài 4

1.4 Nội dung và ý nghĩa của đề tài 5

1.4.1 Nội dung nghiên cứu 5

1.4.2 Ý nghĩa đề tài 5

1.5 Cấu trúc luận văn 5

CHƯƠNG2: 6

TỔNG QUAN 6

2.1 Giới thiệu 6

2.2 Các giai đoạn làm việc của dầm liên hợp 7

2.3 Liên kết chống cắt dạng đinh mũ 8

2.4 Liên kết chống cắt dạng perfobond 10

2.5 Ứng xử của dầm liên hợp composite 11

2.6 Dầm liên hợp dạng T ngược với liên kết cắt kiển perprobond 12

2.7 Mô phỏng Phần tử hữu hạn cho dầm liên hợp 14

2.8 Trình tự thiết kế dầm theo Eurocode 4 15

2.9 Tính moment dẻo cho dầm liên hợp đơn giản 16

2.10 Kết luận 18

CHƯƠNG3: KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM 19

3.1 Giới thiệu 19

3.2 Nguyên lý và mô hình thí nghiệm kích thước lớn (large scale) 20

3.2.1 Nguyên lý thí nghiệm xác định khả năng chịu lực 20

3.2.2 Thí nghiệm các tính chất cơ lý của Bê tông 21

3.3 Thí nghiệm uốn dầm 22

3.3.1 Thiết kế mẫu thí nghiệm 22

3.3.2 Nhóm mẫu và mục tiêu khảo sát 25

3.3.3 Chế tạo mẫu và chuẩn bị thiết bị thí nghiệm 25

3.3.4 Sơ đồ gia tải và quy trình thí nghiệm 31

3.4 Kết quả thí nghiệm 32

3.4.1 Kết quả tóm tắt 32

3.4.2 Ứng xử chung của mẩu thí nghiệm 35

3.4.3 Kết quả thí nghiệm dầm T1 36

3.4.4 Kết quả thí nghiệm dầm T2 40

3.4.5 Kết quả thí nghiệm dầm T3 44

3.4.6 So sánh kết quả thí nghiệm 47

3.4.7 Đánh giá dạng phá hoại chung của dầm 51

3.5 So sánh kết quả thực nghiệm với nghiên cứu khác 53

3.5.1 Giới thiệu 53

3.5.2 So sánh kết quả 54

3.5.3 So sánh biểu dồ 54

3.5.4 Nhận xét kết quả 56

3.6 Kết luận 57

3.6.1 Ảnh hưởng của việc thay đổi hình dạng mặt cắt ngang bản bê tông 57

3.6.2 Ảnh hưởng của mac bê tông 57

3.6.3 Ảnh hưởng của tấm thép làm perfobond 58

3.6.4 Đánh giá khả năng sử dụng của dầm liên hợp dạng T ngược sử dụng liên kết perfobond 58

CHƯƠNG4: MÔ PHỎNG PHẦN TỬ HỮU HẠN 59

4.1 Giới thiệu 59

4.2 Mô hình vật liệu 60

4.2.1 Dầm thép hình Error! Bookmark not defined. 4.2.2 Sàn bê tông Error! Bookmark not defined. 4.2.3 Cốt thép trong bản sàn bê tông Error! Bookmark not defined. 4.2.4 Cho liên kết Perfobond .65

4.3 Mô hình phần tử hữu hạn cho thí nghiệm 66

4.3.1 Mô hình hình học mẫu thí nghiệm 66

4.3.2 Chia lưới phần tử 66

4.3.3 Điều kiện tiếp xúc 67

4.3.4 Khai báo điều kiện biên 67

4.1 Hiệu chỉnh mô hình 67

4.2 Kết quả phân tích phần tử hữu hạn 68

4.2.1 Nhận xét chuyển vị của dầm theo phương X, Y (UX, UY) 69

4.2.2 Khảo sát sự phân bố ứng suất trong dầm 70

4.3 Kết luận 71

CHƯƠNG5: KẾT LUẬN 73

5.1 Kết luận 73

5.1.1 Kết quả thí nghiệm, các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm việc của dầm liên hợp dạng T ngược sử dụng liên kết perfobond 73

5.1.2 Đánh giá khả năng sử dụng của dầm liên hợp dạng T ngược sử dụng liên kết perfobond 74

5.1.3 Mô phỏng phần tử hữu hạn cho thí nghiệm 74

5.2 Hướng phát triển của đề tài 75

DANH MỤC HÌNH

Hình 1-1: Cầu vượt Lăng Cha Cả 1

Hình 1-2 Một số tiết diện điển hình của dầm liên hợp thép – bê tông cốt thép 2

Hình 1-3: Dầm liên hợp dạng chữ I và T ngược 3

Hình 2-1 Hình dạng của tiết diện dầm liên hợp [6] 6

Hình 2-2: Biểu đồ ứng suất - biến dạng [14] 6

Hình 2-3: Các giai đoạn chịu tải của dầm liên hợp [4] 7

Hình 2-4: Chi tiết đinh mũ được sử dụng phổ biến hiện nay 8

Hình 2-5: Một số dạng liên kết Perfobond [13] 10

Hình 2-6 Thí nghiệm của E.G Oguejiofor and M.U Hosain 12

Hình 2-7 Thí nghiệm của B S Jayas and M.U.Hosai 12

Hình 2-8 Mô hình mẫu dầm thí nghiệm dầm composite của Li và cộng sự [12] 12

Hình 2-9: Mẫu thí nghiệm uốn dầm I [4] 13

Hình 2-10: Mẫu thí nghiệm uốn dầm T ngược [4] 13

Hình 2-11 :Mô hình mô phỏng dầm composite của Vinh[4] 14

Hình 2-12 Mô hình mô phỏng dầm composite của Q.Q.Liang và cộng sự[17] 15

Hình 2-13 Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hoà đi qua tấm đan (mômen uốn dương) 16 Hình 2-14 Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hoà đi qua bản cánh dầm thép 17

Hình 2-15.Biểu đồ ứng suất khi trục trung hoà đi qua bản bụng dầm thép 18

Hình 3-1: Hình dạng dầm composite dạng T ngược với liên kết Perfobond 19

Hình 3-2: Mẫu dầm T1-T2-T3 23

Hình 3-3: Hình dạng liên kết Perfobond dạng Omega 25

Hình 3-4: Hàn tổ hợp bụng vào bản cánh dầm thép 26

Hình 3-5: Lắp đặt cốp pha 26

Hình 3-6: Gia công cốt thép 26

Hình 3-7: Dán Strain Gauges đo biến dạng Perfobond 26

Hình 3-8: Hoàn thành đổ bê tông 26

Hình 3-9: Mẫu thí nghiệm hoàn chỉnh 26

Hình 3-10: Mô hình mẫu thí nghiệm 28

Hình 3-11: Đưa dầm vào vị trí thí nghiệm 29

Hình 3-12: Lắp đặt thiết bị đo biến dạng trượt LVDT 5-6-7-8 30

Hình 3-13: Lắp đặt thiết bị đo chuyển vị LVDT1-2-3-4 30

Hình 3-14: Lắp đặt thiết bị đo biến dạng bụng dầm SG7-8-9-10 30

Hình 3-15: Lắp đặt thiết bị đo biến dạng bản bê tông SG5-6 30

Hình 3-16: Lắp đặt thiết bị Load-Cell với tải trọng nén tối đa 100 Tấn 31

Hình 3-17: Setup hệ thống thu thập số liệu chuẩn bị thí nghiệm 31

Hình 3-18: Sơ đồ gia tải 31

Hình 3-19: Phá hoại điển hình của dầm 35

Hình 3-20: Quan hệ lực-độ võng dầm T1-T2-T3 35

Hình 3-21: Độ võng Dầm T1-T2-T3 tại P max .36

Hình 3-22: Biểu đồ quan hệ lực-độ võng của dầm T1 38

Hình 3-23: Độ võng dầm T1 qua từng cấp tải 38

Hình 3-24: Quan hệ lực-Biến dạng bản bê tông dầm T1 38

Hình 3-25: Quan hệ lực-biến dạng của dầm thép hình T1 39

Hình 3-26: Quan hệ lực-Biến dạng của Perfobond dầm T1 39

Hình 3-27: Quan hệ Lực-Trượt dầm T1 40

Hình 3-28: Độ trượt tương đối của dầm T1 qua từng cấp tải 40

Hình 3-29: Biểu đồ quan hệ lực-độ võng của dầm T2 41

Hình 3-30: Độ võng dầm T2 qua từng cấp tải 42

Hình 3-31: Quan hệ lực-biến dạng bản bê tông dầm T2 42

Hình 3-32: Quan hệ lực-biến dạng của dầm thép hình T2 42

Hình 3-33: Quan hệ lực-biến dạng của perfobond dầm T2 43

Hình 3-34: Quan hệ lực-trượt dầm T2 43

Hình 3-35: Độ trượt tương đối của dầm T2 qua từng cấp tải 43

Hình 3-36: Biểu đồ quan hệ lực-độ võng của dầm T3 44

Hình 3-37: Độ võng dầm T3 qua từng cấp tải 44

Hình 3-38: Quan hệ lực-Biến dạng bản bê tông dầm T3 45

Hình 3-39: Quan hệ lực-biến dạng của dầm thép hình T2 45

Hình 3-40: Quan hệ lực-biến dạng của perfobond dầm T3 45

Hình 3-41: Quan hệ lực-trượt dầm T3 46

Hình 3-42: Độ trượt tương đối của dầm T3 qua từng cấp tải 46

Hình 3-43: Biến dạng mặt trên- dưới sàn bê tông 47

Hình 3-44: Biến dạng tại SG7 48

Hình 3-45: Biến dạng tại SG8 48

Hình 3-46: Biến dạng tại SG9 48

Hình 3-47: Biến dạng tại SG10 48

Hình 3-48: Biến dạng tại SG1 49

Hình 3-49: Biến dạng tại SG2 49

Hình 3-50: Biến dạng tại SG3 49

Hình 3-51: Biến dạng tại SG4 49

Hình 3-52: Độ trượt tương đối giữa các dầm qua từng cấp tải 50

Hình 3-53: Biến dạng dầm T1 qua từng cấp tải 51

Hình 3-54: Biến dạng dầm T2 qua từng cấp tải 51

Hình 3-55: Biến dạng dầm T3 qua từng cấp tải 52

Hình 3-56: so sánh biểu đồ lực-chuyển vị T1-H1 54

Hình 3-57: So sánh độ võng T1-H1 55

Hình 3-58: So sánh trượt T1-H1 55

Hình 3-59: So sánh biến dạng T1-H1 55

Hình 4-1: Mô hình phần tử SHELL43 trong ANSYS Error! Bookmark not defined Hình 4-4: Phần tử SOLID65 Error! Bookmark not defined Hình 4-2: Dạng 3D mặt phá hủy bê tông của Willam và Warnke[17][18][19] Error! Bookmark not defined Hình 4-5: Mô hình phần tử LINK180 trong ANSYS Error! Bookmark not defined. Hình 4-6: Mô hình phần tử REINF264 trong ANSYS 62

Hình 4-8: Mô hình phần tử COMBIN39 trong ANSYS 65

Hình 4-9: Mô hình hình học của mẫu dầm liên hợp 66

Hình 4-10: Chia lưới cho thép hình T 66

Hình 4-11: Chia lưới cho sàn BT 66

Hình 4-14: Chia lưới cho cả hệ dầm 67

Hình 4-16: Điều kiện biên tại vị trí giữa dầm 68

Hình 4-18: Điều kiện biên gối tựa 68

Hình 4-19 Chuyển vị theo phương Y .69

Hình 4-20 Chuyển vị theo phương X .69

Hình 4-21 Võng so với ban đầu .69

Hình 4-22 Võng so với ban đầu .69

Hình 4-23: Biểu đồ quan hệ Lực-Chuyển vị 69

Hình 4-24 Phân bố ứng suất SX 70

Hình 4-25 Phân bố ứng suất SY 70

Hình 4-26: Biểu đồ quan hệ Lực-Biến dạng 71

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3-1: Thành phần cấp phối bê tông 21

Bảng 3-2: Kết quả thí nghiệm nén mẫu bê tông 21

Bảng 3-3: Kết quả thí nghiệm quan hệ ứng suất – biến dạng 22

Bảng 3-4: Các thông số kỹ thuật của thép và cốt thép cho bê tông 22

Bảng 3-5: Thông số mẫu thí nghiệm 23

Bảng 3-6: Công thức tính toán theo EC4 [5] 24

Bảng 3-7: Kết quả tính toán sức kháng dẻo 24

Bảng 3-8: Kết quả thí nghiệm dầm 32

Bảng 3-9: So sánh vật liệu đầu vào giữa 2 mẫu dầm T1 và H1 53

Bảng 3-10: So sánh cấu tạo hình học giữa 2 mẫu dầm T1 và H1 53

Bảng 3-11: So sánh kết quả thí nghiệm Dầm T1 và H1 54

Bảng 4-1: Kết quả mô phỏng 68

CHƯƠNG1:

GIỚI THIỆU

1.1 Kết cấu liên hợp thép-bê tông cốt thép

Trong những thập niên gần đây, sự phát triển của ngành công nghiệp xây dựng diễn ra rất nhanh, nhiều kỹ thuật cao đã được nghiên cứu và thực tế ứng dụng thành công Việc lựa chọn tối ưu cho giải pháp kết cấu là một vấn đề lớn đang được đặt ra cho ngành xây dựng hiện nay

Trước đây giải pháp sử dụng bê tông cốt thép truyền thống luôn là ưu tiên hàng đầu, tuy nhiên đến thời điểm hiện nay còn có các giải pháp khác hiệu quả hơn Kết cấu liên hợp bê tông-thép (composite construction) là sự kết hợp của thép-bê tông cốt thép thành một thể thống nhất làm việc đồng thời với nhau Loại kết cấu này đã được bắt đầu nghiên cứu trong những năm đầu của thập niên 1920, được đưa vào giảng dạy đại học từ những năm 90 và được ứng dụng nhiều nơi trên thế giới trong các công trình hạ tầng, kiến trúc và các dạng công trình kỹ thuật khác

Hình 1-1: Cầu vượt Lăng Cha Cả

Trên thế giới đã có rất nhiều công trình nổi tiếng sử dụng kết cấu liên hợp, ở Việt nam công trình trung tâm thương mại Diamond Plaza tọa lạc tại trung tâm Tp HCM là một điển hình Gần đây các công trình cầu vượt mới được thi công ở TP

Hồ Chí Minh cũng sử dụng kết cấu liên hợp, trong khi luận văn này đang được thực hiện thì cầu vượt nút giao thông Lăng Cha Cả (Hình 1-1) đã được thi công và đưa vào sử dụng với việc áp dụng kết cấu liên hợp để rút ngắn thời gian thi công

Ưu điểm nổi trội của kết cấu liên hợp bê tông-thép là có độ cứng lớn, khả năng chịu lực cao, khả năng chống ăn mòn thép được tăng cường, khả năng chịu lửa tốt, tăng độ cứng kết cấu và khả năng biến dạng lớn hơn bê tông cốt thép truyền thống Đó là những ưu điểm lớn trong việc thiết kế chịu tải trọng động đất cho các công trình, đặc biệt đồi với nhà cao tầng Ngoài ra ở đây ta có thể dùng phương pháp thi công hiện đại như thi công lắp ghép, thi công ván khuôn trượt sẽ làm tăng tốc độ thi công, sớm đưa công trình vào sử dụng, đạt hiệu quả đầu tư cao

Thực chất kết cấu liên hợp là một dạng đặc biệt của kết cấu bê tông cốt thép, trong đó ‘cốt thép’ thông thường được thay bằng thép hình ở dạng thép tổ hợp hoặc thép định hình “Thép” có thể nằm trong, nằm ngoài bê tông hay nằm ở một hoặc hai phía của trục trung hoà

Dầm liên hợp bê tông thép được thiết kế với bản sàn bê tông liên kết với dầm thép bên dưới, giữa chúng được gắn chặt với nhau bởi các liên kết kháng cắt (shear connector) Dạng điển hình của dầm liên hợp được thể hiện ở Hình 1-2

Hình 1-2 Một số tiết diện điển hình của dầm liên hợp thép – bê tông cốt thép

Theo đó phần dầm thép sẽ chịu ứng suất kéo và ngược lại bản bê tông sẽ chịu lực nén, như vậy dầm tận dụng được khả năng làm việc tối ưu của mỗi loại vật liệu Thông thường, dầm thép được làm bằng thép hình có tiết tiện đối xứng như chữ I hay H, bản bê tông được được đổ toàn khối bằng các loại bê tông có cường độ thấp (từ 25~30 MPa) và liên kết đinh tán được sử dụng

1.2 Động lực cho nghiên cứu

Dễ nhận thấy rằng, đa phần các dầm liên hợp trong kết cấu đều được thiết kế

ở dạng dầm đơn giản với thép định hình chữ I hay H Do đó ở giai đoạn khai thác, phần cánh dưới của dầm đều chịu kéo và cánh trên sẽ chịu nén cùng với bản bê tông Như vậy có nhiều điểm chưa được hợp lý về mặt thiết kế có thể kể ra ở đây:

 Phần cánh trên của dầm thép nhiều khả năng chịu nén có hợp lý chưa?

 Thừa khả năng chịu nén đặc biệt khi sử dụng bê tông cường độ cao, ngược lại thiếu khả năng chịu lực trong vùng kéo

 Liên kết đinh tán thường được sử dụng có các yêu cầu khắt khe về vật liệu và

kỹ thuật thi công

Như vậy, có thể nhận thấy rằng với việc sử dụng dầm thép định hình chữ I hoặc H cho dầm liên hợp thường chưa thực sự tối ưu về khả năng chịu lực

Với mong muốn cải thiện những tồn tại trên, nghiên cứu này thực hiện thay

đổi hình dạng của thép hình I bằng thép hình dạng chữ T ngược (Hình 1-3) Với ý

tưởng loại bỏ phần cánh trên của thép hình nằm trong vùng chịu nén, đưa phần thép này về vùng chịu kéo và đặt xa trục trung hòa của tiết diện dầm, toàn bộ sàn bê tông của dầm đảm nhận việc chịu nén khi làm việc Phần kết nối giữa sàn bê tông và dầm

Sàn BTCT

Dầm thép hình T

Sàn BTCT

Dầm thép hình I

Hình 1-3: Dầm liên hợp dạng chữ I và T ngược

thép định hình sẽ thay đinh tán bằng liên kết perfobond có thiết kế đối xứng Như vậy, tiết diện mới của dầm sẽ tối ưu hơn, tuy nhiên một số vấn đề cần được làm sáng tỏ chẳng hạn như mất ổn định ngoài mặt phẳng thẳng đứng, phá hoại do lực cắt theo phương thẳng đứng

Do vậy ý tưởng này cải tiến tiết diện dầm liên hợp cần phải được kiểm chứng bằng thực nghiệm để quan sát ứng xử cũng như các dạng phá hoại của nó khi làm việc chịu uốn Phần liên kết giữa bụng dầm thép hình T và sàn bê tông sẽ ứng xử ra sao khi đồng thời chịu lực cắt theo 2 phương dọc và vuông góc với trục dầm, sàn bê tông có bị lật ra ngoài mặt phẳng hay không

Xuất phát từ những ý tưởng và thực tế trên, việc khảo sát khả năng chịu lực loại dầm này là thật sự rất cần thiết

1.3 Mục tiêu và giới hạn của đề tài

Đề tài “Khảo sát ứng xử chịu lực của dầm composite dạng chữ T ngược với liên kết perfobond dạng mở” sẽ được thực hiện trong nghiên cứu này Chương trình thí nghiệm được tiến hành với thiết kế của mẫu dầm dạng chữ T ngược với liên kết perfobond có hình dạng Omega đối xứng Các nhóm mẫu khác nhau sẽ được khảo sát nhằm đánh giá các yếu tố liên quan đến cơ chế truyền lực, dạng phá hoại và khả năng chịu lực của từng dạng dầm

Bên cạnh khảo sát thực nghiệm, mô hình phần tử hữu hạn ba chiều cũng được thực hiện để mô phỏng sự làm việc của dầm điển hình Ngoài ra mô phỏng số cũng nhằm giúp đánh giá tốt hơn sự phân bố ứng suất trong dầm mà thí nghiệm không quan sát cụ thể được

Dạng dầm được khảo sát trong nghiên cứu này được áp dụng giới hạn cho loại dầm liên hợp có dầm thép định hình tiết tiện chữ T và liên kết kháng cắt perfobond dạng mở, với bê tông vùng chịu nén ở mác 300 và mác 500, chiều dài dầm được giới hạn không quá 4.0m

1.4 Nội dung và ý nghĩa của đề tài

1.4.1 Nội dung nghiên cứu

Với những mục tiêu được trình bày ở phần trước về kết cấu liên hợp, đề tài tiến hành khảo sát ứng xử của mẫu dầm, bao gồm những vấn đề sau:

 Ứng xử chung của dầm T ngược và tìm hiểu sự khác biệt so với dầm I

 Sự phù hợp của kiểu liên kết Perfobond với thực tế

 Khảo sát và phân tích cơ chế truyền lực của bản bụng dầm thép, sự mất ổn định của bản bụng dầm

 Ảnh hưởng của lực cắt theo phương vuông góc với trục dầm và khả năng xuyên thủng bản bê tông

 Khảo sát dạng phá hoại của dầm gồm phá hoại của thép hình, liên kết chống cắt và bê tông

1.4.2 Ý nghĩa đề tài

 Nhằm mục đích nghiên cứu để hiểu được sâu hơn ứng xử của dầm liên hợp thép-bê tông cốt thép dạng T ngược với liên kết perfobond

 Tìm hiểu tính khả thi để đưa vào ứng dụng thực tế thi công

 Các số liệu thí nghiệm sẽ giúp phục vụ cho công tác thiết kế và xây dựng tiêu chuẩn sau này

1.5 Cấu trúc luận văn

Luận văn này được chia làm các phần chính như sau:

- Chương 1: Giới thiệu về nội dung đề tài

- Chương 2: Trình bày tổng quan về kết cấu dầm liên hợp với liên kết chống cắt perfobond

- Chương 3: Khảo sát thực nghiệm uốn dầm cho 03 mẫu kích thước lớn, từ đó đánh giá ứng xử chịu lực cho từng loại mẫu dầm

- Chương 4: Thiết lập bài toán mô phỏng phần tử hữu hạn và khảo sát tham số

- Chương 5: Nêu kết luận đề xuất những kiến nghị và hướng phát triển trong thời gian tới

Hình 0-1 Hình dạng của tiết diện dầm liên hợp [6]

Hình 0-2: Biểu đồ ứng suất - biến dạng [14]

Dầm liên hợp composite thực sự làm việc sau khi thép hình, cốt thép thường, chốt liên kết và bê tông đóng rắn kết hợp thành một cấu kiện duy nhất Dưới tác dụng của tải trọng, dầm composite bị uốn, thép hình nằm trong vùng ứng suất kéo, sàn bê tông nằm trong vùng ứng suất nén và ứng suất cắt xuất hiện tại mặt tiếp xúc giữa bê tông và thép Tại vị trí này sẽ phát sinh biến dạng trượt tương đối giữa dầm thép và sàn bê tông Do đó liên kết chống cắt (shear connector) được bố trí nhằm

ngăn cản sự trượt tương đối đó Hình 0-2 minh họa sự làm việc của liên kết chống cắt trong kết cấu dầm sàn liên hợp

2.2 Các giai đoạn làm việc của dầm liên hợp

Sự làm việc của kết cấu được minh họa theo (Hình 0-3), được chia thành 3 giai đoạn sau:

Hình 0-3: Các giai đoạn chịu tải của dầm liên hợp [4]

Giai đoạn 1: Khi tải trọng còn nhỏ, bê tông và thép làm việc đàn hồi, ứng

suất và biến dạng là tuyến tính Liên kết giữa chúng chịu lực cắt nhỏ Dầm bị biến

dạng ít nên ứng suất tại giữa nhịp dầm phân bố dạng đường thẳng như hình 2.3a

Theo biểu đồ biến dạng, nếu sàn đủ dày thì trục trung hòa sẽ nằm trong bê tông, như vậy một phần bê tông chịu kéo Ngược lại, khi bản sàn mỏng thì trục trung hòa nằm trong phần dầm thép thì lúc này phần phía trên chịu nén

Giai đoạn 2 :Khi tải trọng tiếp tục tăng, ứng suất cắt giữa thép và bê tông

tăng làm tăng biến dạng liên kết Biến dạng này làm tăng biến dạng tổng thể của dầm Hình 2.3b biểu diễn ảnh hưởng của biến dạng trượt đến sự phân bố ứng suất

và biến dạng của dầm Ở giai đoạn này dầm liên hợp được thiết kế liên kết loại một phần Tuy nhiên biến dạng trượt rất nhỏ và có thể bỏ qua

Giai đoạn 3:Thép đạt đến giới hạn chảy, vùng dẻo phát triển và sau đó toàn

bộ tiết diện thép bị chảy dẻo Quá trình này cũng xảy ra tương tự như với bê tông,

biểu đồ ứng suất biến dạng như hình 2.3c

Khi biến dạng phát triển gây ra ứng suất nén quá lớn sẽ làm phá hoại tại bản

bê tông Sự gia tăng ứng suất trong bê tông dẫn đến sự gia tăng biến dạng, ứng suất

sẽ bị thay đổi

Giai đoạn 3a: Thép đạt đến giới hạn chảy, khi tính theo trạng thái giới hạn

tới hạn xem khối ứng suất dẻo phát triển trên toàn bộ tiết diện thép

Giai đoạn 3b: Tải trọng tiếp tục tăng lên, bêtông không làm việc dẻo Khi

biến dạng phát triển gây ra ứng suất quá lớn sẽ làm phá hoại giòn tại bề mặt bản BTCT, sự gia tăng ứng suất trong bê tông dẫn đến sự gia tăng biến dạng,ứng suất sẽ

bị thay đổi

2.3 Liên kết chống cắt dạng đinh mũ

Trong một hệ kết cấu liên hợp bao gồm 03 thành phần cơ bản: Kết cấu thép, kết cấu bê tông cốt thép và chi tiết liên kết hai phần bê tông và thép Hai phần bê tông và thép đóng vai trò khối chịu tải trọng tác tộng từ bên ngoài Liên kết (shear connector) đóng vai trò truyền lực giữa hai khối trên và đảm bảo chúng làm việc đồng thời Trong thực tế thiết kế và xây dựng công trình hiện nay, chi tiết liên kết

dạng đinh (headed sud) đang được sử dụng phổ biến cho các loại kết cấu

Hình 0-4: Chi tiết đinh mũ được sử dụng phổ biến hiện nay

Trong quá trình sử dụng liên kết đinh mũ (head stud connector) đã xuất hiện một số bất lợi chẳng hạn như các yêu cầu về thiết bị hàn khi thi công tại hiện trường(Hình 0-4) Vật liệu thép cho liên kết đinh tán bắt buộc phải có cường độ cao hơn thép kết cấu, điều này dẫn đến các khó khăn khi nhiều nơi chưa thể tự sản xuất

loại thép này Đó là những mặt hạn chế của liên kết trong quá trình thi công và lắp đặt, nên, dạng liên kết perfobond là một giải pháp thay thế cho chúng

S Rankovic, D Drenic [22] đã nghiên cứu và mô tả việc truyền lực cắt trong liên kết chống cắt dạng đinh Theo đó, dưới tác dụng của tải trọng, lực cắt P xuất hiện và truyền từ chân của liên kết cắt vào bản bê tông Lực Pw xuất hiện với góc nghiêng nhỏ phía trên đường hàn liên kết chốt và cánh dầm thép Với sự gia tăng áp lực trong bê tông, tại chân của liên kết cắt bê tông bị vỡ ra và lực cắt được truyền vào thân của chốt liên kết thông qua lực PB Điều này gây ra biến dạng dẻo do uốn trong thân chốt và nó cũng làm xuất hiện lực kéo trong chốt mà ngăn cản sự tách rời Do lực kéo này trong liên kết cắt mà phát sinh ứng suất kéo trong bê tông, nhất

là tại đầu của chốt liên kết Bên cạnh đó lực kéo trong chốt còn làm xuất hiện lực

ma sát tại vị trí tiếp xúc giữa bê tông và cánh trên của dầm thép (lực PB) Thành phần nằm ngang của lực kéo ký hiệu là Pz được truyền vào chân của liên kết cắt Trong trường hợp này liên kết phá hoại ngay phía trên đường hàn do tác động của lực kéo và lực cắt Điều này làm xuất hiện vết nứt xiên mà có điểm gốc tại đầu của chốt liên kết

Theo Eurocode 4 khả năng kháng cắt của liên kết đinh mũ được hàn quanh chân được tính như phương trình 1.1

 d và h - đường kính (d 22mm) và chiều cao của chốt;

 fu - sức bền kéo đứt của thép làm chốt (không quá 500 N/mm2);

 fck - sức bền chịu nén của bê tông theo mẫu trụ;

 Ecm - giá trị trung bình của môdun đàn hồi tiếp tuyến của bêtông,

2.4 Liên kết chống cắt dạng perfobond

Vào những năm 1980, Leonhardt [10] cùng cộng sự gần như là những người đầu tiên đề xuất liên kết perfobond cho kết cấu liên hợp thép – bêtông Liên kết Perfobond được cấu tạo bằng cách hàn những thanh thép tấm có đục lỗ lên cánh trên của dầm thép, thép sàn được bố trí xuyên qua các lỗ này (nếu có) cùng với bê tông sau khi đông cứng sẽ tạo thành chốt chống lại lực cắt dọc, từ đó ngăn cản sự trượt giữa dầm thép và sàn bêtông cốt thép

E.C.Oguejiofor, M.U.Hosain [9] tiến hành thí nghiệm PO với 40 mẫu dùng liên kết perfobond chốt kín, xét được các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của liên kết và từ đó đưa ra được phương trình tính toán khả năng chống cắt qu của liên kết

Hai tác giả Isabel valente, Paulo j.s.cruz [10] đã thực hiện khảo sát thực nghiệm sự trượt giữa bê tông và thép khi sử dụng liên kết dạng perfobond đóng kín với bê tông nhẹ Thí nghiệm được tiến hành với 4 nhóm mẫu, các thông số được sử

dụng là cường độ bê tông, hàm lượng cốt thép đặt trong liên kết và khoảng cách các

lỗ

Năm 2010, W.Lorenc, E.Kubica, M.kozuch [11] đã đưa ra bài báo kiểm tra quá trình làm việc của dạng liên kết dùng cho cầu, theo đó liên kết được tạo ra bởi đường cắt liên tục tại bụng dầm I của VFT-WIB [12] Hình 2.20 minh họa mô hình kết cấu và đường cắt trên bụng dầm Bài báo đã mô tả được ứng xử của kết cấu bằng thí nghiệm PO cũng như thí nghiệm trên dầm

Trong phạm vi đề tài này liên kết Perfobond dạng mở (một số tài liệu gọi tên

là Crestbond) sẽ được kết hợp sử dụng cùng dầm composite dạng T ngược Loại liên kết này có một số lợi ích sau: có thể được cắt tự động bằng máy CNC-Plasma, với một đường cắt có thể cho 2 tấm liên kết (đối xứng), cường độ của tấm thép cho liên kết và dầm có thể như nhau, quá trình gia công chế tạo dầm tương đối đơn giản bằng hệ thống hàn tự động và dễ dàng cho việc đặt cốt thép sàn khi thi công

2.5 Ứng xử của dầm liên hợp composite

B S Jayas và M.U.Hosai [2] (1989), đã tiến hành nghiên cứu trên 04 mẫu (large scale) dầm composite cùng 2 mẫu push-out được tách ra từ 2 mẫu dầm đầu tiên(Hình 0-7) Tác giả đã khảo sát ứng xử thực nghiệm và kết luận kết quả quan sát được trong các mẫu thí nghiệm phù hợp với những công thức tính toán, các phương trình thực nghiệm do tác giả đề xuất

E.G Oguejiofor và M.U Hosain [3](1994) đã tiến hành thực nghiệm trên 6 mẫu dầm large scale composite với liên kết perfobond dạng kín (Hình 0-6) Bằng việc thay đổi số lượng, vị trí cốt thép ngang trong lỗ perfobond, tác giả đã khảo sát ứng xử của các mẫu và đưa ra nhận xét về ảnh hưởng của cốt thép ngang đến khả năng chịu lực của dầm liên hợp

Hình 0-8 Mô hình mẫu dầm thí nghiệm dầm composite của Li và cộng sự [12]

A Li và cộng sự[12], đã tiến hành thực nghiệm khảo sát ứng xử của dầm composite mà việc gắn chặt giữa dầm thép với sàn bê tông bởi sử dụng một loại chất kết dính Thực nghiệm được tiến hành trên mẫu dầm full-size có chiều dài 9m, đan sàn thép được chia ra làm 5 đoạn bằng nhau và dán vào cánh trên dầm thép chữ

I bằng một loại keo dán (Hình 0-8) Dầm được thí nghiệm uốn 3 điểm đến lực phá

vỡ Kết quả dầm chịu lực tới hạn Pmax=402KN

2.6 Dầm liên hợp dạng T ngược với liên kết cắt kiển perprobond

B Jurkiewiez và J.M Hottier [7] (2005) đã khảo sát sự ảnh hưởng của liên kết nằm ngang đến khả năng làm việc của dầm thép thông qua thí nghiệm 3 mẫu

push-out và mẫu dầm large scale

Hình 0-6 Thí nghiệm của E.G

Oguejiofor and M.U Hosain

Hình 0-7 Thí nghiệm của B S Jayas

and M.U.Hosai

Năm 2010, Vinh [4] đã khảo sát chi tiết về ứng xử của kết cấu dầm liên hợp dạng thép hình I và T ngược có sử dụng loại liên kết perfobond Bêtông cường độ cao (UHPC) có cường độ chịu nén từ 140 MPa đến 180MPa được tác giả sử dụng xuyên suốt trong đề tài với 8 mẫu thí nghiệm push – out để xác định ứng xử của liên kết, cùng với 6 mẫu dầm liên hợp.(Hình 0-9 và Hình 0-10)

Hình 0-9: Mẫu thí nghiệm uốn dầm I [4]

Hình 0-10: Mẫu thí nghiệm uốn dầm T ngược [4]

Song song với thời gian đề tài này đang được thực hiện, một đề tài luận văn cao học khác với việc khảo sát khả năng ứng xử của dầm composite dạng chữ I cùng liên kết Perforbond dạng mở cũng đang được thực hiện bởi tác giả Đào Duy

Kiên [1] Kết quả thực nghiệm của nghiên cứu này sẽ được dùng để so sánh và đánh giá cùng với kết quả thu thập được của đề tài này

2.7 Mô phỏng Phần tử hữu hạn cho dầm liên hợp

Để giải quyết các vấn đề hạn chế và điều kiện thí nghiệm, nhiều tác giả đã kết hợp nghiên cứu thực nghiệm cùng tiến hành mô phỏng phần tử hữu hạn dầm composite qua các phần mềm như ANSYS, ATENA, ABAQUS…

Vinh [4] đã sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn ATENA để xây dựng mô hình mô phỏng sự làm việc của dầm liên hợp bê tông thép trong bản sàn được làm bằng bê tông cường độ siêu cao, dầm thép có tiết diện T ngược và sử dụng liên kết liên kết perfobond với mô hình ba chiều đầy đủ cho phần bê tông, thép và cốt thép

đã được xây dựng Kết quả mô phỏng tương đồng với kết quả quan sát thực nghiệm

và thu được nhiều tham số mà thực nghiệm chưa quan sát được (

Hình 0-11)

Hình 0-11 :Mô hình mô phỏng dầm composite của Vinh[4]

D.A Nethercot và cộng sự [16] (2006) đã tiến hành nghiên cứu ứng xử của liên kết chịu cắt trong dầm composite với việc sử dụng mô phỏng phần tử hữu hạn trên phần mềm Ansys Kết quả mô phỏng được tác giả so sánh với các số liệu thu được từ thực nghiệm trước đó và các mô phỏng trên một số phần mềm khác tương đương Từ kết quả so sánh độ chính xác và sự đơn giản hơn khi làm thực nghiệm , tác giả đề xuất một số hiệu chỉnh chương trình để đề xuất đưa mô phỏng vào ứng dụng cho dự đoán các tham số thiết kế

Q.Q Liang và cộng sự [17], đã tiến hành mô phỏng dạng dầm composite đơn giản chịu đồng thời uốn và lực cắt bằng phần mềm ABAQUS Kết quả được kiểm chứng phù hợp với kết quả thực nghiệm, tác giả đề xuất mô hình mô phỏng phù hợp

để ứng dụng tìm các thông số, dữ liệu cho quy trình thiết kế của dạng dầm tương ứng.(Hình 0-12)

Hình 0-12 Mô hình mô phỏng dầm composite của Q.Q.Liang và cộng sự[17]

F.D Queiroz và cộng sự[18] (2009) đã ứng dụng phần tử hữu hạn mô hình hai chiều 2D để đánh giá ứng xử của dầm composite, nghiên cứu các tham số ảnh hưởng của góc xoay , và khả năng phân phối lại momen cho dầm bán liên tục Nghiên cứu đã chỉ ra rằng một số xu hướng được thiết lập trong các tài liệu liên quan đến dầm composite với liên kết chịu cắt đầy đủ và không áp dụng đối với các trường hợp có liên kết chịu cắt một phần

2.8 Tính moment dẻo cho dầm liên hợp đơn giản

Khảo sát trường hợp hay gặp trong các công trình nhà, tấm đan liên hợp bê tông với tôn sóng định hình, sóng tôn vuông góc với trục của dầm thép Chiều cao lớn nhất có thể của vùng bêtông chịu nén là chiều dầy hc của tấm đan từ đỉnh của sóng tôn, chiều cao của sóng ký kiệu hp (Các công thức dưới đây vẫn dùng được trong trường hợp dùng tấm đan đặc (chỉ có bê tông cốt thép) khi cho hp = 0) Để đơn giản hoá khi thiết lập công thức giả thiết rằng dầm thép có dạng chữ I đối xứng

Trường hợp 1 - Trục trung hoà nằm trong tấm đan

Ký hiệu lần lượt Fa và Fc là sức bền dẻo của thép hình khi chịu kéo và của tấm đan khi chịu nén:

Trong đó: Aa là diện tích tiết diện thép hình

Trường hợp khảo sát (trên hình H2.14) xảy ra khi:

Fc > Fa (2.3)

Vị trí của trục trung hòa dẻo so với mặt trên của tấm đan z được tính theo công thức:

z = Fa/ (beff+ 0,85fck/ c) h c (2.4) Tính toán khả năng chịu mômen theo hợp lực lấy với trọng tâm vùng bêtông chịu nén:

ha/ 2

ha/ 2

f y/  a

b eff +

Trường hợp này xảy ra khi Fc < Fa, rõ ràng khi đó khoảng cách của trục trung hoà dẻo z sẽ lớn hơn chiều dày toàn bộ của tấm đan (hc + hp) (chiều dày sàn hỗn hợp; nhưng để trục trung hoà nằm trong bản cánh dầm thép (chiều dầy tf và chiều rộng bf) cần thoả mãn điều kiện phụ sau:

Fa - Fc

a y f

Hình 0-14 Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hoà đi qua bản cánh dầm thép

Khoảng cách z tính toán dễ dàng khi coi như ứng suất trong cách chịu nén của dầm thép bằng 2fy/ a, còn Fa coi như tổng của các ứng suất kéo trong dầm thép hình đặt tại trọng tâm của dầm Ta rút ra khoảng cách z từ phương trình cân bằng:

thì trục trung hoà dẻo sẽ đi qua bản bụng dầm thép (H2.15)

Để đơn giản khi trình bày, giả thiết rằng trục trung hoà nằm dưới chỗ uốn cong ở mép bản bụng nếu dầm là định hình cán Dễ dàng tìm được phần chiều cao chịu kéo của bản bụng nằm trên trọng tâm của thép hình zw, khi coi như ứng suất

bằng 2fy/ a trên suốt chiều cao này và ứng suất phân bố đều fy/ a trên toàn bộ chiều cao ha Ta có:

zw = Fc/(2twfy/ a) (2.10)

w tw

Hình 0-15.Biểu đồ ứng suất khi trục trung hoà đi qua bản bụng dầm thép

(mômen uốn dương)

Khả năng chịu mômen bền được tính toán so với trọng tâm của thép hình:

M+pl.Rd = Mapl.Rd + Fc(ha/2 + hc/2 + hp ) – Fc zw/2

hoặc

M+pl.Rd = Mapl.Rd + Fc(ha/2 + hc/2 + hp ) - Fc2/(4twfy/ a) (2.11) Mục đích của biểu thức này là tính mômen bền dẻo Mapl.Rd mà giá trị của nó

có thể đưa vào trong bảng của thép hình cán để sử dụng

2.9 Kết luận

Trong chương này đã đề cập đến các khía cạnh cấu tạo của dầm liên hợp thép - bê tông thép và giới thiệu một số nghiên cứu đã được thực hiện bởi các nhà khoa học trên thế giới Phần lớn những nghiên cứu trước đây đi sâu vào phân tích ứng xử của các dạng dầm composite khác nhau, cùng sự hiệu quả của nhiều loại liên kết kháng cắt bằng việc phân tích thực nghiệm hay mô phỏng phần tử hữu hạn Các kết quả nghiên cứu đã cung cấp rất nhiều những dữ liệu cho quá trình hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế cho dầm composite nói chung

Như đã biết, nghiên cứu này đề xuất một phương án khác của dầm liên hợp với việc thay thế dầm thép tiết diện I thành tiết diện T ngược Điều này sẽ loại bỏ hoàn toàn phần cánh trên dầm thép, bản bê tông sẽ chịu toàn bộ ứng suất nén, cánh dưới dầm thép sẽ chịu toàn bộ ứng suất kéo Như vậy, về nguyên tắc tiết diện sẽ tối

ưu về khả năng chịu lực của từng loại vật liệu thành phần

Bên cạnh đó trong nghiên cứu này liên kết kháng cắt kiểu Perfobond với hình dạng Omega được đề nghị sử dụng.(Hình 3-1)

Hình 3-1: Hình dạng dầm composite dạng T ngược với liên kết Perfobond

Nghiên cứu được thực hiện với việc tiến hành thí nghiệm trên 03 mẫu dầm với chiều dài 4m, các mẫu thí nghiệm được tính toán và trình bày ở phần 3.3.1 của chương này Qua việc theo dõi ứng xử của các mẫu dầm trong thí nghiệm uốn dầm với mục đích làm sáng tỏ và trả lời các câu hỏi được nêu ra như sau:

 Ứng xử chung của dầm T ngược và tìm hiểu sự khác biệt so với dầm I ra sao? (So sánh với các kết quả đã và đang nghiên cứu )

 Kiểu liên kết Perfobond liệu có phù hợp với thực tế không?

 Phân bố lực cắt dọc trong dầm như thế nào?

 Khảo sát và phân tích cơ chế truyền lực của bản bụng dầm thép ra sao? Khi nào

sẽ xảy ra mất ổn định?

 Ảnh hưởng của lực cắt theo phương vuông góc với trục dầm và khả năng xuyên thủng bản bê tông?

 Kết quả nghiên cứu sẽ đạt được những gì? Triển vọng áp dụng thực tế ra sao?

Toàn bộ các thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm LAS - XD 516 thuộc công ty Hoàng Vinh T.R.C.C, đây là cơ sở kiểm định được Bộ xây dựng công nhận hợp chuẩn quốc gia cho các thí nghiệm về vật liệu và kết cấu công trình

3.2 Nguyên lý và mô hình thí nghiệm kích thước lớn (large scale) 3.2.1 Nguyên lý thí nghiệm xác định khả năng chịu lực

Cấu tạo của mẫu dầm thí nghiệm có ba thành phần chính: (i) một dầm thép hình T, (ii) liên kết perfobond cắt trực tiếp trên bản bụng của dầm T và (iii) phần bản bê tông Liên kết perfobond và dầm chữ T được làm từ cùng một loại thép CT3 Chiều dày tấm perfobond được chọn là 8.0mm bằng với chiều dày bản bụng của dầm để dễ gia công, hình dạng của liên kết được thiết kế sao cho với một đường cắt

có thể cho 2 tấm liên kết đối xứng nhau Điều này rất có lợi cho áp dụng trong thực

tế sau này đồng thời giúp giảm chi phí và thời gian gia công tấm liên kết Trong nghiên cứu này hình dạng mặt cắt của liên kết perfobond gần giống với chữ Omega

Ω , và được gia công chính xác trên máy cắt thép CNC trước khi đem hàn vào dầm

T

Các mẫu thí nghiệm được chia thành 3 loại khác nhau về hình dạng (không thay đổi diện tích) của mặt cắt ngang khối bê tông và cường độ chịu nén của bê tông Mục mô tả cụ thể kích thước và hình dạng của các mẫu dầm

Để đảm bảo khả năng kiểm soát các yếu tố có thể ảnh hưởng đến khả năng làm việc của mẫu thí nghiệm, tất cả các nguyên vật liệu đầu vào như thép tấm, bê tông và cốt thép đều được thí nghiệm kiểm tra song song với quá trình thí nghiệm dầm liên hợp

3.2.2 Thí nghiệm các tính chất cơ lý của Bê tông

Bê tông được sử dụng trong mẫu thí nghiệm được chia thành 2 nhóm chính

có cường độ chịu nén Mác 300 và Mác 500 Thành phần cấp phối của hai loại bê tông trên được thiết kế ở Bảng 3-1 Toàn bộ mẫu bê tông có bổ sung thêm phụ gia siêu dẻo, hàm lượng sử dụng bằng 1.0 % khối lượng xi măng

Bảng 3-1: Thành phần cấp phối bê tông

Thành phần Đơn

vị

Khối lượng/m3M300 M500

Xi măng SAI GON (PC50) kg 385 410 Cát (mô đun độ lớn 2.0) kg 760 740

Đá 1 x 2 (Dmax 25mm) kg 1040 1210 Nước (nước sinh hoạt) lít 200 140 Phụ gia siêu dẻ© (MAPEI) kg 3.7 4.1

Để xác định chính xác các thông số cơ học của vật liệu, đối với từng loại mẫu của thí nghiệm trong suốt quá trình tạo mẫu, bê tông được lấy mẫu và thực hiện các thí nghiệm xác định cường độ chịu nén, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson và đường quan hệ ứng suất biến dạng Thí nghiêm các mẫu được thực hiện cùng thời điểm với việc tiến hành thí nghiệm dầm liên hợp Kết quả thí nghiệm cường độ chịu nén của các mẫu bê tông kích thước 15 × 15 × 15 cm cho ở Bảng 3-2

Bảng 3-2: Kết quả thí nghiệm nén mẫu bê tông

Kết quả thí nghiệm xác định đường quan hệ ứng suất - biến dạng của một số mẫu trụ kích thước 150mm × H 300mm điển hình được cho ở hình , các thông số

liên quan bao gồm cường độ nén, mô đun đàn hồi và hệ số Possoin cho ở Bảng 3-3

Bảng 3-3: Kết quả thí nghiệm quan hệ ứng suất – biến dạng

(MPa)

Môđun đàn hồi

E c (MPa)

Giới hạn biến dạng đàn hồi

 elas (‰)

Giới hạn nén lớn nhất

limit(‰)

Bảng 3-4: Các thông số kỹ thuật của thép và cốt thép cho bê tông

Thông số kỹ thuật Thép thanh ф 12 Thép tấm CT3

Môđun đàn hồi E (MPa) 200x103 200x103

3.3 Thí nghiệm uốn dầm

3.3.1 Thiết kế mẫu thí nghiệm

Trong khảo sát này, 03 mẫu thí nghiệm kích thước lớn được chế tạo Các mẫu có cùng thép hình chữ T với giới hạn chảy fy=230MPa, cốt thép ngang có giới hạn chảy fy = 400 MPa được bố trí 2Ф12 cho mỗi chốt liên kết Tổng diện tích mặt cắt ngang của các dầm gần như không chênh lệch đáng kể Hình dạng và kích thước mặt cắt ngang của các dầm được thể hiện như Hình 3-2 và cho ở Bảng 3-5

Bảng 3-5: Thông số mẫu thí nghiệm

Bảng 3-6: Công thức tính toán theo EC4 [5]

Sức kháng dẻo dọc trục của dầm

thép hình

a y pla

a

A f N

Xác định vị trí trục trung hòa dẻo N pla < N cf

Z được tính toán từ phương trình

và lực tác dụng tương lớn nhất Pmax theo sơ đồ Hình 3-10 được cho ở Bảng 3-7

Bảng 3-7: Kết quả tính toán sức kháng dẻo