Nghiên cứu liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP... Tổng quan v

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

BÁO CÁO TÓM TẮT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP

DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN

ĐH Đà Nẵng

2 TS Đào Ngọc Thế Vinh Thành viên

chính

Trường ĐH Queensland,

Úc

3 ThS Trương Quang Hải Thành viên

chính

Trường ĐH Xây dựng Miền Trung

4 ThS Lê Xuân Dũng Thành viên

chính

Trường ĐH Bách khoa –

ĐH Đà Nẵng

5 ThS Nguyễn Thành Nhân Thành viên

6 Ths Huỳnh Tấn Tiến Thư kí khoa

học đề tài

Trường ĐH Bách khoa –

ĐH Đà Nẵng DaiHocDaNang

i

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU iv

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT v

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU vi

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS x

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG, SÀN PHẲNG VÀ LIÊN KẾT GIỮA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG3 1.1 Tổng quan về cột ống thép nhồi bê tông 3

1.1.1 Khái niệm về cột ống thép nhồi bê tông 3

1.1.2 Phân loại cột ống thép nhồi bê tông 3

1.1.3 Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông 3

4 hả n ng ứng dụng 3

1.2 Tổng quan các loại sàn phẳng BTCT 3

1.2.1 Sàn phẳng BTCT thường 3

1.2.2 Sàn phẳng bê tông ứng lực trước 3

1.2.3 Sàn Bubbledeck 3

1.2.4 Sàn U-boot Beton 3

1.3 Tổng quan về liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép 3

1.3.1 Nghiên cứu của Jin-Won Kim 3

1.3.2 Nghiên cứu của Y Su, Y Tian 3

1.3.3 Nghiên cứu của Cheol-Ho Lee 3

1.3.4 Nghiên cứu của Young K.Ju 3

1.3.5 Nghiên cứu của Hiroki Satoh 3

1.3.6 Nghiên cứu của P.Y Yan, Y.C Wang (2015) 3

1.4 Nhận xét các mặt tồn tại của các liên kết đã được nghiên cứu 3

1.5 Kết luận chương 1 3

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG GIẢI PHÁP TẤM THÉP LÀM SHEAR-HEAD 4

2.1 Đề xuất liên kết cột CFST với sàn phẳng BTCT 4

DaiHocDaNang

ii

2.2 Chương trình thí nghiệm liên kết cột CFST – sàn phẳng BTCT 5

2.2.1 Thiết kế mẫu thí nghiệm 5

2.2.2 Chế tạo mẫu thí nghiệm 6

2.2.3 Thí nghiệm vật liệu 7

2.2.4 Thiết bị thí nghiệm 7

2.2.5 Thiết lập thí nghiệm 7

2.2.6 Mô tả và đánh giá kết quả thí nghiệm 7

2.3 Mô phỏng liên kết cột CFST- sàn phẳng 8

2.3.1 Quy trình mô phỏng liên kết sử dụng phần mềm ABAQUS 8

2.3.2 Đánh giá kết quả mô phỏng với thực nghiệm 9

2.4 Tính toán liên kết cột CFST- sàn phẳng BTCT sử dụng tấm thép 9 2.4 Đề xuất chu vi tới hạn và mô hình giải tích dự đoán khả n ng chịu cắt 9

2.4.2 Tính khả n ng chịu mô men của Shear-head 10

2.4.3 Tính đường hàn liên kết tấm thép vào cột CFST 10

2.4.4 Tính toán đoạn neo cốt thép sàn vào cột 10

2.4.5 Tính toán cốt thép hậu chọc thủng 10

2.5 Ví dụ thiết kế liên kết sàn phẳng BTCT với cột CFST 10

2.6 Kết luận Chương 2 10

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP SỬ DỤNG GIẢI PHÁP THÉP HÌNH H, I LÀM SHEAR-HEAD 11

3.1 Nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng shear-head đến ứng xử liên kết cột CFST với dầm bẹt bê tông cốt thép 11

3.1.1 Liên kết cột CFST – dầm bẹt BTCT sử dụng tấm thép (Mẫu 1) 11

3.1.2 Liên kết cột CFST – dầm bẹt BTCT sử dụng thép hình chữ H (Mẫu 2) 11

3.1.3 Thiết lập và kết quả thí nghiệm 11

3.1.4 Thảo luận kết quả thí nghiệm 11

3.2 Nghiên cứu thực nghiệm liên kết cột giữa, cột biên, cột góc ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép sử dụng shear-head dạng thép hình H, I 11

3.2.1 Liên kết cột giữa CFST với sàn phẳng BTCT 12

DaiHocDaNang

iii

3.2.2 Liên kết cột biên, cột góc CFST với sàn phẳng BTCT 13

3.3 Kết luận Chương 3 15

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 15

1 Kết luận 15

2 Kiến nghị 15

DaiHocDaNang

iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Cấu tạo liên kết đề xuất cột CFST- sàn phẳng BTCT 4

Hình 2.2 Bố trí cốt thép mẫu 1 - M1 (không có thép Post-punching) 5

Hình 2.3 Bố trí cốt thép mẫu 2 – M2 (có cốt thép Post-punching) 5

Hình 2.4 Chế tạo mẫu cột - tấm thép chịu cắt 6

Hình 2.6 Bố trí cốt thép cho Mẫu 1(M1) và Mẫu 2(M2) 6

Hình 2.9 Lắp đặt các strain gauges và hoàn thành ván khuôn cốt thép 6

Hình 2 0 Đổ bê tông sàn và dưỡng hộ mẫu 6

Hình 2.19 Mẫu thí nghiệm được tựa trên các gối đỡ 7

Hình 2.20 Lắp đặt kích, load cell, và LVDT 7

Hình 2.30 Sự phá hoại sàn bị cắt thủng 7

Hình 2.32 Đồ thị tải trọng – chuyển vị đứng của sàn 8

Hình 2.33 Hình dạng phá hoại thủng của sàn 8

Hình 2.45 Đường cong tải trọng chuyển vị 9

Hình 2.50 Chu vi tại tiết diện diện tới hạn đề xuất 9

Hình 2.58 Cấu tạo chi tiết liên kết cột CFST- sàn phẳng BTCT 10

Hình 3.13 Bố trí cốt thép sàn 12

Hình 3.17 Bố trí mô hình thí nghiệm 12

Hình 3.18 Bề mặt phá hoại của sàn 12

Hình 3.20 Tải trọng – chuyển vị đứng đầu cột 13

Hình 3.23 Bố trí cốt thép cho liên kết cột biên, cột góc CFST – sàn phẳng BTCT 13

Hình 3.25 Thiết lập thí nghiệm cho cột biên, cột góc 14

Hình 3.26 Ứng xử của mẫu cột biên sau thí nghiệm 14

Hình 3.27 Đồ thị tải trọng - chuyển vị và đồ thị tải trọng - biến dạng bê tông vùng nén 14

Hình 3.29 Ứng xử của mẫu cột góc sau phá hoại 14 Hình 3.30 Đồ thị tải trọng - chuyển vị và tải trọng - biến dạng của cốt đai15

DaiHocDaNang

v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Cấu tạo chi tiết mẫu M1, M2 5 Bảng 2.5 Các loại phần tử mô phỏng trong liên kết 8 Bảng 2 3 Tiên đoán khả n ng chịu cắt thủng của sàn sử dụng liên kết tấm

thép 10

DaiHocDaNang

vi

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

CFST Concrete fi ed stee tube ng th p nhồi bêtông

BTCT Bê tông cốt th p

f'c Cường độ chịu n n của bêtông

fy Cường độ chịu k o của cốt th p

Ec ôđun đàn hồi của bêtông

Es ôđun đàn hồi của cốt th p

Is : Mômen quán tính của tấm thép chịu cắt

Ic : Mômen quán tính của tiết diện bê tông bao quanh mũ chịu cắt

wu : Tải trọng phân bố đều trên sàn

db Đường kính cốt thép

d chiều cao àm việc của sàn

h : Chiều dày sàn

b : Bề rộng dải bản sàn

As Tổng diện tích cốt th p chịu k o trên bề rộng b của dải sàn

a Chiều cao v ng n n bêtông

Mp : Mômen dẻo của tấm thép chịu cắt

fwf Cường độ tính toán chịu cắt quy ước của que hàn

hf : Chiều cao đường hàn

lw Chiều dài đường hàn

τtd Ứng suất tiếp trên đường hàn

tw Chiều dày tấm th p

hw Chiều cao tấm th p

S ômen tĩnh của một nữa tiết diện chữ nhật tấm thép

DaiHocDaNang

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép

- Mô phỏng bằng phần mềm Abaqus để phân tích liên kết;

- Đề xuất được chu vi phá hoại cắt thủng của sàn, từ đó đề xuất mô hình giải tích dự đoán khả n ng chịu cắt thủng của sàn

4 Kết quả nghiên cứu:

- Đề xuất hai giải pháp cấu tạo liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép:

 Giải pháp 1: sử dụng tấm thép làm shear-head gồm: (1) Tấm

thép phẳng làm chốt chịu cắt (shear-head); (2) Bố trí hệ cốt đai bọc tấm thép chịu cắt; 3 Đề xuất phương án neo cốt thép chịu DaiHocDaNang

- Nghiên cứu thực nghiệm trên 5 mẫu có kích thước lớn:

 Hai mẫu sử dụng Giải pháp 1 (Một mẫu có cốt thép hậu chọc thủng và một mẫu không có);

 Ba mẫu sử dụng Giải pháp 2 (liên kết cột giữa, cột biên, cột góc ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng BTCT)

Kết quả thí nghiệm cho thấy khả n ng chịu lực của liên kết là đảm bảo, chi tiết liên kết đáp ứng vai trò kết nối sàn – cột;

- Mô phỏng số các liên kết bằng phần mềm Abaqus Kết quả cho thấy liên kết đảm bảo độ tin cậy;

- Từ kết quả thí nghiệm và mô phỏng số, đề xuất chu vi phá hoại cắt thủng và kết hợp với các biểu thức của tiêu chuẩn MC 2010 đưa ra

mô hình giải tích dự đoán khả n ng chịu cắt thủng của sàn;

5 Sản phẩm:

- Ba bài báo quốc tế thuộc danh mục Scopus:

1 An Experimental Research on Connection of Boundary Concrete

Filled Steel Tube Columns and Reinforced Concrete Slab, International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE), số 9(2), 2019

2 Concrete Filled Steel Tube Column and Wide Beam Connection:

Proposed Structures and Experiment, International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT), số 9(2), 2019

3 Connection of Reinforced Concrete Flat Slab And Concrete Filled Steel Tube Column: Proposed Structures, Experiment, Simulation And An Analytical Prediction Model for Shear Strength,

International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT), số 9(2), 2019

- Ba bài báo trong nước:

1 Mô phỏng liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông

cốt thép bằng ABAQUS, Tạp chí Xây dựng, số 5, 2017

DaiHocDaNang

ix

2 Liên kết cột ống thép nhồi bêtông với dầm bẹt bêtông cốt thép –

giải pháp liên kết và nghiên cứu thực nghiệm, Tạp chí Xây dựng,

số 5, 2017

3 Mô phỏng liên kết cột ống thép nhồi bêtông với dầm bẹt bêtông

cốt thép sử dụng phần mềm ABAQUS, Tạp chí Xây dựng, số 6,

2017

- Bốn học viên cao học đã bảo vệ thành công:

Đề tài cao học “Mô phỏng ứng xử liên kết cột ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép” do Nguyễn Thành Nhân

thực hiện

2 Đề tài cao học “Mô phỏng ứng xử liên kết giữa cột ống thép nhồi

bê tông với dầm bê tông cốt thép” do Tạ Quang Tài thực hiện

3 Đề tài cao học “Nghiên cứu liên kết cột góc ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép” do Trần Phan Nhật thực hiện

4 Đề tài cao học “Nghiên cứu liên kết cột biên ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép” do Nguyễn Quốc Nhật thực hiện

- Ba sản phẩm ứng dụng:

1 Bản kiến nghị các giải pháp cấu tạo liên kết mới giữa cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép

2 Mô hình tính toán, phân tích các liên kết

3 Tài liệu các chỉ dẫn thiết kế liên kết giữa sàn BTCT và cột CFST

- Báo cáo tổng kết

6 Phương thức chuyển giao, địa chỉ ứng dụng, tác động và lợi ích mang lại của kết quả nghiên cứu:

- Phương thức chuyển giao:

 Chuyển giao các tài liệu iên quan đến đề tài báo cáo đề xuất cấu tạo liên kết, quy trình tính toán, thiết kế, các thí nghiệm,… trực tiếp cho Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng để phục vụ công tác đào tạo, nghiên cứu khoa học giảng viên, học viên Cao học và học viên Đại học;

 Phối hợp với các cơ quan quản lý nhằm đưa quy trình tính toán, cấu tạo có được từ nghiên cứu vào trong các tiêu chuẩn, quy định để đẩy mạnh ứng dụng loại kết cấu này tại Việt Nam

- Địa chỉ ứng dụng:

 Kết quả nghiên cứu cung cấp tài liệu tham khảo, công cụ phân tích, tính toán thiết kế cho các trường đại học, viện nghiên cứu, DaiHocDaNang

- Code number: B2017-DNA-05 (KYTH-43)

- Coordinator: Dr Dao Ngoc The Luc

- Implementing institution: The University of Da Nang - University of Science and Technology

- Duration: from Janurary of 2017 to June of 2019

3 Creativeness and innovativeness:

- Propose new improved structures for connection of CFST column and RC flat slab;

- Perform experiments with large-sized specimen to assess the actual behaviours of the proposed connection A specialized experimental loading frame system used for slab experiments was built;

- Conduct numerical simulation of connection by Abaqus software;

- Propose a critical perimeter of the floor and an analytical model for predicting the shear strength

4 Research results:

- Proposing two structural solutions for CFST column with RC flat slab:

 Solution 1: use steel plates to make shear-head, including: (1)

Steel plates; (2) the stirups surrounds the steel plates; (3) Proposing solutions for reinforcing anchors from the flat slab to the column; (4) Arrangement of post-punching bars;

 Solution 2: Use H, I shaped steel to make shear-head, including:

(1) H-shaped shear-head; (2) Continuous steel plate around the DaiHocDaNang

xii

perimeter of the column (Continuity plate); (3) C-shaped stirrup; (4) Ring reinforcements; (5) Longitudinal reinforcement across columns

- Experimental study on 5 large-sized specimens:

 Two speciments using Solution 1 (One specimen with punching reinforcements and one without post-punching bars);

post- Three specimens using Solution 2 (Connections of middle column, edge column, corner column with RC flat slabs)

 Experimental results show that the bearing capacity of the connection is guaranteed, the connection details meet the role of connecting the slab - column;

- Numerical simulation for the connection by Abaqus The results show reliability of the connection;

- From the results of experiments and numerical simulation, critical perimeter is proposed and then combined with the expressions of the standard MC 2010 to offer an analytical model that predicts the shear strength of slab;

5 Products:

- Three international papers (Published on Scopus Journals)

1 An Experimental Research on Connection of Boundary Concrete Filled Steel Tube Columns and Reinforced Concrete Slab,

International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE), Volume 9 (2), 2019;

2 Concrete Filled Steel Tube Column and Wide Beam Connection:

Proposed Structures and Experiment, International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT), Volume 9 (2),

2019;

3 Connection of Reinforced Concrete Flat Slab And Concrete Filled Steel Tube Column: Proposed Structures, Experiment, Simulation And An Analytical Prediction Model for Shear Strength,

International Journal of Engineering and Advanced Technology (IJEAT), Volume 9 (2), 2019

- Three domestic papers:

1 ABAQUS Simulation for Concrete-Filled Steel Tube Column to

Reinforcement Concrete flat slab Connections, Vietnam Journal

of Construction, 5, 2017;

DaiHocDaNang

xiii

2 Concrete-Filled Steel Tube Column to Reinforcement Concrete Band-beam Connections – Solution and Experimental Research,

Vietnam Journal of Construction, 5, 2017;

3 Modeling Concrete Filled Steel Tube Column and Reinforced

Concrete Band Beam Connection using Abaqus, Vietnam Journal

of Construction, 5, 2017

- Four Master Thesis projects

“Numerical simulation the behaviour of concrete filled steel tube column to reinforced concrete flat slab connection” conducted by master Nguyen Thanh Nhan;

2 “ ode ling concrete filled steel tube column with reinforced concrete wide beam connection using Abaqus software” conducted by master Ta Quang Tai;

3 “Researching the connection of corner concrete filled steel tube

co umn to reinforced concrete f at s ab” conducted by master Tran Phan Nhat;

4 “Researching the connection of edge concrete filled steel tube

co umn to reinforced concrete f at s ab” conducted by master Nguyen Quoc Nhat

- Three application products

1 Proposal for solutions to create new connections between concrete filled steel tube columns and reinforced concrete flat slab;

2 Numerical simulation for analyzing the connection;

3 Design guidelines for connection of RC flat slab and CFST column

 Collaborate with the regulatory authorities to incorporate the process of calculation and structure derived from the study into DaiHocDaNang