Tài liệu Mô phỏng ứng xử liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông cốt thép

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của đề tài: .................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài .......................................................................... 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: .................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 2 5. Kết quả dự kiến .................................................................................................. 2 6. Bố cục đề tài ...................................................................................................... 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CỘT CFST, DẦM BẸT BTCT, LIÊN KẾT CỘT CFST VỚI HỆ DẦM BTCT. ....................................................................................... 3 1.1. T ng an ề c t FST ........................................................................................... 3 1.1.1. ấ tạ c t FST ......................................................................................... 3 1.1.2. Đ c đi ch ực của c t FST ................................................................. 4 1.1.3. L nh ực áp ụng c t CFST ......................................................................... 7 1.1.4. Tiêu chuẩn t nh t án ết cấ c t ống th p nh i ê t ng .............................. 9 1.2. T ng an ề h 1.2.1. H ết cấ ết cấ t .......................................................................... 11 n ph ng: ................................................................................ 11 1.2.2. Sàn ph ng có d m b t: ............................................................................... 13 1.2.3. 1.3. T ng ng ụng n ph ng có d m b t................................................................ 14 an các giải pháp iên ết c t FST ih ....................................... 15 1.3.1. Liên kết c t CFST v i d m thép hình: ...................................................... 15 1.3.2. Liên kết c t CFST v i d m BTCT ............................................................ 19 1.3.3. Các vấn đề còn t n tại của các liên kết ...................................................... 24 1.4. Các nghiên cứu về mô phỏng liên kết giữa c t CFST v i d m BTCT ................. 24 1.5. Kết n chương 1 ................................................................................................. 25 CHƢƠNG 2. MÔ PHỎNG LIÊN KẾT BẰNG PHẦN MỀM ABAQUS .............. 26 2.1. Mô tả liên kết ......................................................................................................... 26 2.2. Mô phỏng liên kết bằng ABAQUS ....................................................................... 26 2.2.1. Gi i thi u về ph n mềm ABAQUS ........................................................... 26 2.2.2. Xây dựng mô hình hình học cho liên kết ................................................... 27 2.2.3. Mô hình v t li u trong ABAQUS .............................................................. 28 2.2.4. Tương tác giữa các ph n tử........................................................................ 35 2.2.5. ác ư c mô hình hóa trên ph n mềm ABAQUS..................................... 36 2.3. Kết lu n chương 2 ................................................................................................. 56 CHƢƠNG 3. PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ....................... 57 3.1. So sánh kết quả mô phỏng v i kết quả thí nghi m................................................ 57 3.1.1. Mô tả thí nghi m thực hi n bởi nhóm tác giả ........................................... 57 3.1.2. S ánh đường cong tải trọng- chuy n v tại đ u d m .............................. 59 3.1.3. So sánh ứng xử của d m khi làm vi c ....................................................... 59 3.1.4. So sánh quan h ứng suất- biến dạng của các thanh thép ở các v trí ........ 61 3.2. Khảo sát khả năng ch u mô men của tấm thép ch u cắt ........................................ 63 3.3. Khảo sát sự phân bố ứng suất tr ng các thanh th p the phương ề r ng d m .... 64 3.4. Kết lu n chương 3 ................................................................................................. 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................... 70 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) PHỤ LỤC MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT GIỮA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP Học viên: Tạ Quang Tài Mã số: 60.58.02.08 Chuyên ngành: Kỹ thu t xây dựng công trình DD& CN Khóa: K31 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Trong các công trình nhà cao t ng, kết cấu c t ống thép nh i bê tông (CFST) ngày c ng được sử dụng r ng rãi bởi những ư đi ượt tr i so v i c t bê tông cốt thép (BTCT) truyền thống. D đó, ự kết hợp giữa c t CFST v i d m BTCT hay sàn ph ng BTCT sẽ tạo ra các h kết cấu có tính ứng dụng cao cho nhà cao t ng. Tr ng trường hợp nhà có nh p khung l n mà kết cấu sàn ph ng h ng đáp ứng được đ cứng ngang cho công trình thì giải pháp sàn có d m b t được xem là hi u quả (tăng đ cứng ngang và hạn chế tăng chiều cao t ng so v i d m cao). Tuy nhiên, vi c liên kết giữa c t CFST v i d m BTCT khá phức tạp, các nghiên cứu về liên kết m i chỉ dừng lại ở vi c đề xuất liên kết và tiến hành thí nghi đánh giá đ tin c y của liên kết. Lu n ăn n y trình y á trình phỏng liên kết giữa c t CFST v i d m BTCT sử dụng ph n mềm ABAQUS. Kết quả mô phỏng được so sánh v i kết quả thí nghi m v i mục đ ch i m chứng sự chính xác của vi c mô phỏng liên kết sử dụng ABAQUS. Từ khóa – C t ống thép nh i bê tông; CFST; d m b t BTCT; liên kết; mô phỏng; ABAQUS MODELING CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMN WITH REINFORCED CONCRETE BAND BEAM CONNECTIONS USING ABAQUS SOFTWARE Abstract - In the high rise buildings, concrete filled steel tube (CFST) column structure are more widely used due to the advantages compared to the traditional reinforced concrete column. Therefore, the combination of CFST column with reinforced concrete beam or reinforced concrete plate slab will create highly effective structural systems for high rise buildings. In cases where the buildings have a large frame span but the plate slab structure does not provide enough horizontal stiffness for the building, the band beam solution is considered effective (increasing the horizontal stiffness and reducing the height of the floor compared to the beam high). However, the connection between the CFST column and the reinforced concrete beams is quite complex, most of current studies only foccus on proposing connection and carrying out the test. This thesis presents the simulation of CFST column and reinforced concrete beam connecction using ABAQUS software. The simulation results are then compared with the results of the experiment with the aim of verifying the accuracy of the simulation using ABAQUS. Keywords – Concrete filled steel tube column; CFST; reinforced concrete band beam; connection; simulation; ABAQUS DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CFST : ng th p nh i bê tông BTCT : Bê t ng cốt th p PPPTHH : Phương pháp ph n tử hữu hạn PTVPTP : Phương trình i phân từng ph n f'c : ường đ ch n n của ê tông fy : ường đ ch của cốt th p Ec : M đ n đ n h i của bê tông Es : M đ n đ n h i của cốt th p d : chiề ca b : ề r ng a : hiề ca tw : hiề y tấ th p hw : hiề ca tấ th p S : Mô men t nh của m t nữa tiết di n chữ nh t tấm thép Ix : Mô men i c của ng n n bê tông án t nh đối v i trục x của tiết di n chữ nh t tấm thép DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 2.1 2.2 2.3 3.1 Tên bảng Lựa chọn ph n tử mô phỏng Thông số mô hình phá hoại dẻo Tương tác giữa các cấu ki n trong mô hình So sánh ứng xử mô hình thí nghi m v i mô hình ABAQUS Trang 27 30 36 60 DANH MỤC CÁC H NH Số hiệu hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.21 1.22 1.23 1.24 1.25 1.26 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 Tên hình Trang C t ống thép nh i bê tông CFST C t ống thép nh i bê tông CFST tiết di n rỗng ác ạng c t FST M t ốc ử ụng ết cấ FST ác t nh có ử ụng ết cấ FST S n ph ng S n ph ng có c t S n ph ng ết hợp t ng trình ử ụng h n ph ng có t Liên kết đơn giản bằng tấm thép Liên kết đơn giản bằng tấm thép xuyên Liên kết đơn giản bằng th p đỡ Liên kết mô men bằng tấm cứng ngoài c t giữa Liên kếtmô men bằng tấm cứng ngoài c t góc Liên kết mô men bằng tấm cứng trong Liên kết mô men bằng tấm thép xuyên Liên kết mô men trường hợp xuyên d m Hình dạng liên kết đề xuất bởi Nie and Bai Thí nghi xác đ nh khả năng ch u lực dọc của liên kết Thí nghi xác đ nh khả năng ch đ ng đất đối v i c t giữa Thí nghi xác đ nh khả năng ch đ ng đất đối v i c t biên H thống d m xuyên qua kết nối Thí nghi m mẫu nguyên hình và ki m tra riêng vùng liên kết Cấu tạo của liên kết và thí nghi m ki m tra Hình dạng phá hoại tại liên kết và tại d m vòng Hình dạng vết nứt khi b phá hoại tại vùng liên kết và d m vòng Chi tiết liên kết đề xuất Quan h ứng suất –biến dạng khi ch u kéo của bê tông Quan h ứng suất –biến dạng khi ch u nén của bê tông Quan h ứng suất nén- biến dạng nén vỡ Quan h biến dạng nén vỡ và h số phá hủy do nén Quan h ứng suất kéo - biến dạng nứt Quan h biến dạng nứt và h số phá hoại do kéo 3 4 6 8 9 12 12 13 15 16 16 17 17 18 18 19 19 20 20 21 21 22 22 23 23 24 26 29 30 31 31 32 32 Số hiệu hình 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 2.24 2.25 2.26 2.27 2.28 2.29 2.30 2.31 2.32 2.33 2.34 2.35 2.36 2.37 2.38 2.39 2.40 Tên hình Quan h ứng suất –biến dạng khái quát hóa của cốt thép Quan h ứng suất –biến dạng tr ng hình th p đ n ẻo lý tưởng Quan h ứng suất –biến dạng trong mô hình thép cải tiến đ n dẻ ý tưởng Đường cong quan h ứng suất – biến dạng cốt thép thanh Cửa s tạo cấu ki n d m bê tông Ki tra ch thư c d m Mô hình d m bê tông Đục lỗ d m bê tông Cấu ki n lõi bê tông c t Tạo cấu ki n ống thép c t ng thép c t a hi đục lỗ Cấu ki n tấ đ m thép Cửa s tạo cấu ki n cốt th p đai 300x310 Tạo cấu ki n cốt th p đai 300x310 K ch thư c cấu ki n cốt thép dọc Thông số mô hình dẻo CDP Nh p đường cong ch u nén Nh p đường cong ch u kéo Đường cong tham số phá hủy kéo, nén Cửa s đ nh ngh a th c tính m t cắt d m bê tông Cửa s đ nh ngh a thu c tính m t cắt cốt thép dọc l p trên Cửa s gán thu c tính cho cấu ki n d m bê tông Cửa s Create Instance Mô hình lắp ghép hoàn chỉnh Cửa s Tangential Behavior Cửa s Normal Behavior Cửa s Create Interaction Cửa s Edit Interaction Ràng bu c nhúng cốt thép Ràng bu c “Tie” giữa ống thép v i các tấm thép ch u cắt Ràng bu c “Tie” giữa các tấ th p đ t lực và d m bê tông Ràng bu c Coupling Cửa s hai á điều ki n biên Trang 33 33 34 34 37 37 38 38 39 39 40 40 40 41 41 42 43 43 44 45 45 46 46 47 48 48 49 49 50 51 52 53 53 Số hiệu hình 2.41 2.42 2.43 2.44 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 Tên hình M hình a hi gán điều ki n biên và tải trọng M hình a hi chia ư i Cửa s thiết l p các ư c phân tích Cửa s Job Manager Bố trí thí nghi m Cấu tạo liên kết và bố trí cốt thép d m thí nghi m Chi tiết liên kết Đường cong quan h tải trọng- chuy n v đ u d m Vết nứt xuất hi n ở cấp tải 2,8T V trí các thanh thép khảo sát Ph ứng suất cốt thép trong d m Đường cong tải trọng - biến dạng thanh thép 1 Đường cong tải trọng biến dạng thanh thép 2 Đường cong tải trọng biến dạng thanh thép 3 Tải trọng - ứng suất trong ph n tử ở m t trên tấm thép tại v trí mép c t ác thanh th p the phương ề r ng d m Phân bố ứng suất trong các thanh thép Mô hình liên kết mẫu số 2 V trí các thanh thép khảo sát trong mẫu số 2 Phân bố ứng suất trong các thanh thép mẫu số 2 Trang 54 55 55 56 57 58 58 59 60 61 61 62 62 63 64 65 65 66 66 67 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Kết cấu c t ống thép nh i ê t ng ( FST) ng y c ng được sử dụng r ng rãi làm kết cấu ch u lực trong các công trình xây dựng như c u, nhà cao t ng… nó có nhiều ư đi ượt tr i so v i kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép ( T T) th ng thường như hả năng ch u lực ca , đ dẻo của kết cấu l n … Ng i ra, hả năng thi c ng nhanh, không tốn kém các chi phí và thời gian ch c ng tác án h n c ng tư đi ượt tr i của loại kết cấu này. Trong các công trình nhà cao t ng, kết cấu sàn ph ng BTCT mang lại nhiều hi u quả do giảm chiều cao t ng mà vẫn đảm bảo khoảng thông thủy sử dụng. Tuy nhiên, đối v i các c ng trình có ch thư c m t bằng chênh l ch đáng the hai phương, đ cứng của n the phương n y ẽ nhỏ hơn nhiều so v i phương ia. Điều này ảnh hưởng l n đến sự làm vi c chung của h kết cấ . D đó, i c sử dụng sàn ph ng BTCT kết hợp d m b t là hợp lý. Vì nó thỏa ãn được yêu c u về kiến trúc và kết cấu. H kết cấu ch u lực dùng kết cấu c t ống thép nh i bê tông kết hợp v i d m, sàn T T đang trở thành m t x hư ng m i trong nhà cao t ng hi n nay. Tuy nhiên, những nghiên cứu về h kết cấu này còn hạn chế, đ c bi t là giải quyết liên kết giữa c t ống thép nh i bê tông v i d , n T T chưa được hi u rõ và c n có nhiều nghiên cứ hơn nữa đ phân tích loại liên kết này. Vi c liên kết giữa c t ống thép nh i bê tông v i d m BTCT khá phức tạp, các nghiên cứu về liên kết m i chỉ dừng lại ở vi c đề xuất liên kết và tiến hành thí nghi m đánh giá đ tin c y của liên kết chứ chưa có những khảo sát cụ th về ứng xử của liên kết (trạng thái ứng suất cơ chế phá hoại), mức đ ảnh hưởng của các chi tiết cấu tạo đến sự làm vi c của liên kết. D đó, i c khảo sát liên kết giữa d m BTCT và c t ống thép nh i bê tông là c n thiết nhằm cung cấp m t cơ ở lý lu n chi tiết về ứng xử của liên kết giúp người thiết kế hi u rõ bản chất làm vi c đ cấu tạo chi tiết liên kết hợp lý, đó ý đ thực hi n lu n ăn i đề tài : “Mô phỏng ứng xử n t ữ t n t n t n v t n tt ”. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu t ng quan về c t CFST, d m b t, kết cấu sàn ph ng BTCT kết hợp d m b t, liên kết giữa c t CFST v i d m BTCT, các nghiên cứu về mô phỏng liên kết giữa c t CFST v i d m BTCT. - Xây dựng mô hình liên kết giữa c t CFST v i d m BTCT bằng ph n mềm mô phỏng kết cấu ABAQUS. - So sánh kết quả mô phỏng v i kết quả thí nghi m. - Khảo sát ảnh hưởng của tấm thép ch u cắt, sự phân bố cốt th p đến sự làm vi c của kết cấu. 2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu: - Đối tượng nghiên cứu: C t CFST và d m BTCT. - Phạm vi nghiên cứu: Mô phỏng liên kết giữa c t CFST và d m BTCT. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu t ng quan. - Nghiên cứu lý thuyết - Nghiên cứu khảo sát. 5. Kết quả dự kiến - T ng quan về c t CFST, d m b t BTCT, liên kết giữa c t CFST v i d m BTCT, t ng quan về mô phỏng liên kết. - Mô hình mô phỏng liên kết giữa giữa c t CFST v i d m BTCT bằng ABAQUS. - Đưa ra các nh n xét giữa mô hình số và kết quả thí nghi m. - Đánh giá ảnh hưởng của tấm thép ch u cắt, sự phân bố cốt th p đến sự làm vi c của kết cấu. 6. Bố cục đề tài Mở đầu: 1. Tính cấp thiết của đề tài 2. Mục tiê đề tài 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4. Phương pháp nghiên cứu Chƣơng 1: T ng quan về kết cấu c t CFST, kết cấu d m bê tông cốt thép và mối liên kết giữa c t CFST v i d m BTCT. Chƣơng 2: Mô phỏng liên kết bằng ph n mềm ABAQUS Chƣơng 3: Phân t ch, đánh giá ết quả mô phỏng. Kết luận và kiến nghị 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFST, DẦM BẸT BTCT, LIÊN KẾT CỘT CFST VỚI HỆ DẦM BTCT. 1.1. Tổng quan về cột CFST 1.1.1. ut t H thống ết cấ iên hợp ống th p nh i ê tông (Concrete -Filled Steel Tube iết tắt tiếng Anh FST) t h thống mà cấ i n ch ực ch nh ống th p (steel tube) được nh i đ c ằng ê tông (concrete) cường đ ca h c tr ng ình. Th ng thường ng ống tròn, nhưng các ống ng c ng có th được áp ụng. H thống ết cấ FST có nhiề ư đi ề: đ cứng, cường đ , hả năng chống iến ạng, hả năng chống cháy. Nói ch ng, ại ết cấ n y có th nghiên cứ áp ụng ch rất nhiề ại c ng trình xây ựng nh , xưởng c . Loõi beâtoâng Loõi beâtoâng a OÁng theùp a A A B B B-B D A-A Hình 1.1. Cột ống thép nhồi bê tông CFST Kết cấ CFST có nhiề ư thế: - Đ ền của õi bê tông (có p ỏ th p i chức năng như p á ọc ch t bên ng i) đã được tăng h ảng 2 n i đ ền của bê tông th ng thường. - ác nghiên cứ đã chứng tỏ rằng đúng ra có ự c ngót nhưng c ng đã có ự trương nở của bê tông tr ng ống ự trương nở đó được y trì tr ng nhiề nă tạ th n ợi ch ự i c của bê tông. Nhiề th nghi đã chứng tỏ tr ố iến ạng c ngót the chiề ọc của ẫ cách y rất nhỏ, h ảng e = (2 - 3).10-5. Đó ư đi của ết cấ ống th p được nh i bê tông i ết cấ bê tông cốt th p th ng thường. Ng i ết cấ ống th p t cắt đ c như trên còn có ại ống th p tròn nh i bê tông t cắt rỗng i 2 p ỏ th p ọc t ng i t tr ng, p giữa p õi bê tông. 4 Hình 1.2. Cột ống thép nhồi bê tông CFST tiết diện rỗng ách ắp xếp đan xen các p t i th p bê tông như y ẽ tạ ra cơ cấ ch ực ch ng giữa õi bê tông ỏ th p nhờ hi ứng nở h ng của bê tông hi ch n n. Sự cách y của bê tông i i trường x ng anh tạ ra những điề i n tốt hơn ch ự i c của bê tông hi ch tải trọng. Nhiề th nghi ánh 2 ại ết cấ đã ch thấy rằng tải trọng c ng tác ụng i hạn thì c ng gây ra ự phá h ại tr ng bê tông h ng cách y n hơn nhiề i bê tông cách y. Trong bê tông không được cách y thì các ết nứt nhỏ ng y c ng nhiề , còn tr ng bê tông được cách y hi ch ứng ất ở ức đ nhỏ tương tự như tr ng bê tông h ng được cách y thì chỉ a 2 đến 3 ng y đ ẽ h n t n h ng nứt thê nữa. Tr ng các ẫ bê tông không được cách y thì t nh phi t yến của iến ạng từ iến có th an át được tr ng òng 20 đến 30 ng y, tr ng bê tông được cách y thì t nh phi t yến n y ẽ ất đi tr ng òng 2 đến 7 ng y đ ( i điề i n chúng ch ứng ất như nha ). Vi c nh i bê tông ống th p đã nâng ca đ ền chống ăn òn t tr ng của ống th p, giả đ ảnh của cấ i n, tăng đ n đ nh cục của th nh ống và tăng hả năng chống óp, ( iến ạng) của ỏ ống th p hi a đ p [11] . 1.1.2. u t Khác i ống th p thường, ống th p nh i bê tông chỉ i c hi ả hi ch n n. Khi ch hả năng ch ực của nó nhỏ hơn nhiề . Về t n y ống th p nh i bê tông tương tự ết cấ bê tông cốt th p. D đó, tr ng t h thống ết cấ ch ực nên ng ống th p nh i bê tông chỉ ch các cấ i n ch n n. Về ng yên tắc h ng nên ng ết cấ ống th p nh i ê t ng cấ i n ch . T y nhiên tr ng t ố trường hợp c ng có th ng ống th p nh i ê t ng cấ i n ch ì các ý đ c i t như: đ chống rỉ ch ề t tr ng ống, đ tăng đ cứng chống ốn hay tăng trọng ượng ản thân. Tr ng thực tế thường có 2 cách p ơ đ ch ực: - Thứ nhất: ử ụng ống th p nh i ê tông trong các ơ đ ết cấ tr yền thống của c ng trình có những cấ i n ch n n chủ yế , đó các c t, trụ, thanh iên c t đi n, các thanh ch n n của gi n ò . - Thứ hai: p các ơ đ ết cấ i tr ng đó các tải trọng t nh t án chủ yế ống thép nh i ê t ng ch . 5 Di n t ch ề t ng i của ết cấ ống th p nh i bê tông chỉ nhỏ ằng h ảng t nửa i của ết cấ th p cán có c ng hả năng ch ực, đó chi ph ề ơn phủ ả ưỡng c ng t hơn. Trên ề t của ống hình trụ ẽ đọng ại rất t ụi chất ẩn ì y ết cấ ống th p nh i bê tông có đ ền chống gỉ ca . D ết cấ các thanh hình trụ tròn nên cải thi n được t nh chất h đ ng học t nh n đ nh. Đ cứng chống x ắn của các thanh ại ống tròn n y ca hơn nhiề i thanh t cắt hở. ác ống th p nh i bê tông h ng c n ơn phủ, ạ i ại h c t n t tr ng của ống. Giá th nh t ng th của c ng trình ằng ết cấ ống th p nh i bê tông nói ch ng nhỏ hơn nhiề i giá th nh của c ng trình tương tự ằng ết cấ bê tông cốt th p h c ết cấ th p th ng thường. Khối ượng của ết cấ ống th p nh i bê tông nhỏ hơn i ết cấ bê tông cốt th p đó i c n ch y n ắp ráp ễ ng hơn. Kết cấ ống th p nh i bê tông inh tế hơn i ết cấ bê tông cốt th p ì h ng c n án h n, giá ò , đai p các chi tiết đ t ẵn, nó có ức ch đựng tốt hơn, t hư hỏng a đ p. D h ng có cốt ch ực cốt ngang nên có th đ bê tông i cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỷ nư c/xi ăng có th ấy nhỏ hơn) ẽ ễ ng đạt chất ượng ê t ng ca hơn. ng th p ản x ất ằng th p cán ốn tròn r i được h n nối the ọc ống thường có đ ch nh xác ca ề ề y, đường nh, đ an đó th ả ãn các điề i n ắp ựng hai thác. L ại ống th p h n x ắn có th được chế tạ ằng cách ốn các tấ th p h p the đường x ắn ốc r i h n ại ọc the đường nối x ắn ốc inh tế nhất ( ại ống n y đã đựơc ng cọc ống ch c nh ở Hải Phòng). Nói ch ng đ c đi cơ ản của ại ết cấ ống th p nh i bê tông có th được t ng ết như a : + M t cắt ngang của c t tr ng h thống ết cấ ống th p nh i bê tông có th được giả tăng cường đ t i . + ác ng yên nhân a đ ng ết cấ đ ng đất gió có th được giả nó được tăng cường đ cứng hơn ết cấ th p th ng thường. + Ảnh hưởng của ự cố cháy có th được giả h c ỏ a hi ứng của bê tông nh i đ c tr ng ống th p. ác ết cấ ống th p iên hợp tr ng xây ựng ân ụng thường ết cấ c t iên hợp, đó t ết cấ chỉ ch n n ọc trục. Nhưng tr ng thực tế, các c t h ng chỉ ch n n còn ch ốn ực n n đ t ch tâ . Tiê ch ẩn ch ng của c t iên hợp ph n tử th p có tác đ ng iên hợp i ph n tử bê tông, ì y cả hai ph n tử th p bê tông đề tha gia háng ại ực n n. t iên hợp g các th nh ph n ết cấ th p ở ên tr ng được ọc ằng bê tông ở ên ng i đã t n ụng hi ả ề t cường đ của 2 ại t i đ ng thời còn tạ th nh các ết cấ i n có t nh háng cháy ca . h nh ì y, các i c t iên hợp đã phát tri n tr ng thế ỷ 20 như t cách thức ả chống cháy. ê t ng ọc ên ng i th p, tạ ra p ỏ ả chống cháy 6 bên ngoài cho lõi thép. M t nha như ở Hình 1.3 i i c t iên hợp i các ạng t cắt ngang hác a Cột C ST thông thư ng Cột C ST được tăng cư ng thép l i bê tông c Cột C ST được c bê tông Hình 1.3. C c ng cột C ST Nhược đi của các êt cấ bê tông th ng thường c n thiết phải có án h n h n chỉnh tr ng á trình thi c ng. Kết cấ ống th p nh i bê tông (CFST) có p ỏ ống th p ọc bê tông đó h ng c n thiết phải có án h n ì ch nh ản thân ống th p đã nhi ụ án h n tr ng ốt á trình đ bê tông. t FST có hả năng áp ụng được i nhiề trạng thái ết cấ . T ỳ the cách ố tr th p bê tông tr ng t cắt ngang ẽ tạ ra được đ cứng c n thiết của t cắt. Vỏ th p có tác ụng ch ch en ốn của c t. Đ cứng của c t FST rất n ởi ì t i th p được ố tr ở xa trục trọng tâ nhất, ở tr đó nó c ng góp ph n tăng en án t nh của t cắt. ác ạng 7 lõi bê tông ý tưởng có tác ụng chống ại tải trọng n n cản trở trạng thái ằn cục của ống th p. Như y, nên ử ụng các c t FST tại những tr phải ch tải trọng n n n. Sự giãn nở đ ng ở th nh ên đã được tạ ra ởi ống th p c ng cải thi n cường đ , t nh ề ẻ iến ạng của bê tông. Khác h n i c t bê tông cốt th p c t iên hợp có ê t ng ọc ên ng i th p i cốt th p ngang, tr ng ết cấ FST ỏ ống th p ngăn cản nứt của õi bê tông ự t p tr ng cốt th p nhỏ tr ng các ng iên ết. ác c t iên hợp FST ng y c ng được áp ụng nhiề trên thế gi i. Dạng c t n y có nhiề ợi thế như cường đ ca , t nh ề ẻ , hả năng ch nhi t n, giả thời gian xây ựng, tăng đ an t n, ử ụng các i iên ết đơn giản được tiê ch ẩn h á. Ng y nay, các tiến c ng ngh đã ch ph p ản x ất bê tông cường đ ch n n ca nên ch ph p thiết ế c t ảnh hơn, ch ph p có được các n r ng hơn. ác ết ả nghiên cứ ết hợp các th nghi phân t ch ằng phương pháp ph n tử hữ hạn (FEM) đối i các c t FST ch thấy có th ử ụng bê tông cường đ ca ẫn đạt được t trạng thái ết cấ ề ẻ . T y nhiên, ống th p y hơn c n thiết ch bê tông cường đ ca nế ục đ ch đả ả t nh ề ẻ . Hi ứng tăng cường đ bê tông ự trương nở rõ r ng nhất đối i c t ngắn ch tải trọng ch tâ . Đ đả ả tác đ ng iên hợp giữa th p i bê tông, (ng i i c ợi ụng cường đ nh á tự nhiên hi tải trọng được tác ụng chỉ i ống th p h c chỉ i õi bê tông) c n phải thiết ế ng các ne iên ết. Vì y, cường đ nh bám ẽ an trọng hơn. Điề n y c n ư ý đ c i t hi ử ụng bê tông cường đ ca được nh i tr ng ống th p. 1.1.3. n v n c t CFST Kết cấu ống th p nh i bê tông được áp ụng rất r ng rãi cho rất nhiều l nh vực như c u đường, nh dân ụng v công nghi p, gi n khoan d u... Tr ng nh ực c đường, vi c xây ựng c u qua các sông r ng v sâu, có nhu c u ư thông đường th ỷ n v điều ki n đ a chất phức tạp đang đòi hỏi phải ử ụng các loại nh p n khẩu đ h ng trăm m t. V i khẩu đ nh p n như y, m t ố cấu ki n ch lực n n ch nh như vò ch nh của c u vòm, thanh mạ cong trong c u d n, h móng cọc của kết cấu trụ, thân trụ c n có khả năng ch ực cao v đ cứng n. Trong trường hợp n y ch thư c m t cắt ngang của các cấu ki n có th đạt t i v i m t. V i các k ch thư c như y, cấu ki n ẽ n ng v trở th nh m t nguyên nhân l m giảm khả năng ch lực của kết cấu, l m tăng chi ph xây ựng c ng như tạo thêm nhiều phức tạp cho vi c v n chuy n, lắp ráp, thi công kết cấu. Tại Vi t Nam, trên đường Nguyễn Văn Linh th c đ th m i Nam S i Gòn – TP H Ch Minh – c ối năm 2003 đã đưa v o ử ụng 3 c u vò chạy dư i v i khẩu đ 99m v i 3 l n xe (c u Ông L n, c u C n Gi c, c u Xó ủi ). Đây các 8 công trình c u đ u tiên ở Vi t Nam áp ụng loại ống th p nh i bê tông cho kết cấu vò chủ [11]. Hình 1.4. Một ố c u ng ết cấu C ST Trong nh vực xây ựng d u kh , năm 1989 tại 2 d n khoan d u ở bi n Đen v bi n Azov của Liên Xô đã ử ụng cấu ki n m t cắt rỗng t hợp 3 loại v t li u th p - bê tông l m các trụ đỡ ch nh của d n khoan, nhờ đó giảm được 30% lượng th p so v i dàn khoan bằng th p c ng loại; hơn nữa, ph n rỗng còn được ng đ lắp các thiết công ngh v cáp thông tin. Trong nh vực xây ựng dân ụng, loại kết cấu n y c ng được áp ụng khá nhiều. Ch ng hạn, t nh được xây dựng bằng kết cấu CFST ở Chuo - ku, th nh phố Kobe (Nh t Bản). ác công trình nh ở tại th nh phố Kobe được xây dựng nhằm chống lại ự phá hoại của đ ng đất. Loại kết cấu CFST n y đáp ứng được yêu c u chống lại đ ng đất. 9 Hình 1.5. C c toà nhà c 1.1.4. u uẩn t n t n t u t n t ng ết cấu C ST n bê tông Kết cấu ống thép nh i bê tông được nghiên cứ , áp ụng xuất phát từ ý tưởng ợi ụng các đ c tính liên hợp của hai loại v t li u bê tông và thép đ cải thi n khả năng ch nén và ốn của kết cấu. Kết cấu ỏ thép tạo ra hi u ứng bó hay kiềm chế bê tông (concrete confinenment) và đ ng thời tăng cường hả năng ch ốn cục của thép, tạo ra ự cùng làm vi c (liên hợp) giữa hai thành ph n v t li u này. Đ tính toán hả năng làm vi c liên hợp của m t cắt ống thép nh i bê tông, các nư c trên thế gi i đã nghiên cứ biên soạn nhiều quy trình, quy phạm, tiêu chuẩn thiết kế. Tuy nhiên, các công thức tính toán hả năng ch ực nén và ch ốn của kết cấu đưa ra ởi các tiêu chuẩn này đều có các ự khác nhau. Cho đến nay, Vi t nam chưa ban hành Tiêu chuẩn thiết ế chính thức cho loại kết cấ ống thép nh i ê tông này. Tại Mỹ, các quy đ nh tính toán cho kết cấu loại này được đề c p l n đ u tiên trong “Các yêu c u của tiêu chuẩn xây ựng đối i bê tông cốt thép” do Vi n bê tông Mỹ ấn hành năm 1963 (Building Code Requirements for Reinforced Concrete, ACI 1963) và sau đó trong “Tiêu chuẩn thiết ế nhà kết cấu thép theo h ố tải trọng và h ố sức kháng” do Vi n thép xây ựng ấn hành l n thứ nhất năm 10 1986 (Load and resistance factor design LRFD speccification for structure steel buildings, AISC LRFD 1986). Ở Bắc Mỹ, nhiều công trình nhà đã được thiết kế có hàng c t ống thép nh i bê tông (Viest et al. 1997). Lúc đ u, các thiết ế này được tiến hành ựa trên các nguyên tắc thiết ế công trình cơ bản và có th thiên ề các phương pháp tính toán an toàn do chưa có các quy đ nh cụ th của tiêu chuẩn. Tại Canada, các yêu c u thiết ế đối i loại kết cấu này đã được đề c p trong Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu thép theo trạng thái gi i hạn (Limit States Design of Steel Structures, CAN/CSAS 16.1-M94). Liên quan đến các công trình c u có ử ụng kết cấu ống thép nh i bê tông, các quy đ nh trong Tiêu chuẩn LRFD 1994 do AASHTO ấn hành năm 1994 đưa ra các c ng thức tính toán cấu ki n nén tương tự như kiến ngh của AISC nhưng không đề c p đến các điều ki n gi i hạn đối i v t li u hay kích thư c hình học của m t cắt như của AISC. Tại Canada, cấu ki n loại này được đề c p trong Tiêu chuẩn thiết ế c u đường ấn hành năm 1988 (CSA standard for the design of highway bridges, CAN/CSA-S6-88, CSA 1988), c ng như trong Tiêu chuẩn thiết ế c u Ontario ấn hành năm 1991. Các l n xuất bản sau này của các cơ quan trên như AISC LRFD 1999 và CAN/CSAS 16.1-M94, các công thức tính toán kết cấu ống thép nh i bê tông đã được đề c p đ y đủ. Tại châu Âu, các n i dung ki m toán tương tự được quy đ nh trong Tiêu chuẩn thết ế kết cấ ống thép liên hợp EC4. Trung Q ốc, t trong ố những nư c có nhiều công trình c u vòm ống thép nh i bê tông, đã có được những thành tự đáng trong vi c nghiên cứ thiết kế, thi công kết cấu ống thép nh i bê tông và c ng đã xây ựng được t h thống tiêu chuẩn thiết ế tương đối hoàn chỉnh tiê ch ẩn D J/13. Các c t liên hợp là dạng kết hợp giữa c t thép và bê tông cốt thép. Tuy nhiên, triết lý thiết ế cho hai thành ph n kết cấu cơ bản là khác nhau. Các c t thép được xét như cấu ki n ch nén “đúng tâ ” ởi vì c t thép ch tải trọng tại trọng tâm của c t, nhưng thực ra trong khi tính toán đã giả thiết ỏ qua các ứng suất ư, tải trọng ban đ u đ t th ng và đ l ch tâm nhỏ. Cơ ở của thiết ế c t thép là tính n đ nh ho c tính cong oằn, bên cạnh đó có tính đến t ài đ c tính quan trọng mà các tác đ ng tại hai đ u cấu ki n được kết hợp ch t chẽ bằng bi n pháp giảm tải trọng trục đi qua bi đ tương tác. Nghiên cứ c t bê tông cốt thép là hoàn toàn khác so i c t thép ởi vì tải trọng được xét l ch tâm i trọng tâm m t cắt. Các hư hỏng thông thường không thường xuyên, đ c trưng cho cường đ (đ bền) m t cắt, vi c giảm các h ố đã áp ụng đ xét hi u ứng thứ cấp mà nguyên nhân là do ự khuếch đại mô men trong các c t mảnh hơn, vì v y cường đ (đ bền) cấu ki n có th được ự báo trư c. 11 Do có đ c đi m giống như các c t liên hợp i cả hai loại c t thép và bê tông cốt thép, các loại này đã được nghiên cứ và c ng đã được nhiều nư c áp ụng r ng rãi. Các c t liên hợp ngắn ch ảnh hưởng ởi các phá hoại m t cắt ngang, c t ngắn có khuynh hư ng chi phối ởi đ n đ nh. Trong Tiêu chuẩn Châu Âu EC4 (Eurocode 4), quá trình thiết ế cho các c t iên hợp đã đề c p là ự t hợp của cả hai phương pháp. Về cơ bản, nó ử ụng phương pháp tính toán tải trọng gây ra cong oằn thép, và thay đ i này hống chế mô men tại đ u c t bằng cách áp ụng phương pháp c t liên hợp bê tông cốt thép. Tuy nhiên, nếu phương pháp thiết kế này có th áp ụng cho c t CSFT, tỉ ố phân ố thép ẽ trong khoảng 0,2    0,9 . M c dù tỉ ố phân ố thép đến ư i 0,2 c t ẽ được đề c p như c t bê tông và nếu nó là trên 0,9 c t ẽ được đề c p như c t thép. Như đã nói ở trên, hi n nay có t ố ượng n các tiê ch ẩn được đưa ra đ thiết ế ết cấ ống th p nh i bê tông như AIJ, ANSI/AIS 360, E 4 D J/13. Tất cả các tiê ch ẩn n y đề áp ụng ch ng ch c t ống th p nh i bê tông có tiết i n chữ nh t hình tròn. ác chi tiết rõ hơn có th được tì thấy tr ng từng tiê ch ẩn cụ th . Đối i tiê ch ẩn ANSI/AIS 360 AIJ các c ng thức ch tải trọng ức háng được th nh p the trạng thái gi i hạn ứng ất ch ph p, đối i tiê ch ẩn E 4 D J/13 các c ng thức được th nh p the trạng thái gi i hạn. 1.2. Tổng quan về hệ kết cấu dầm bẹt 1.2.1. t us n ng: Trong kết cấu nhà nhiều t ng, sàn là h kết cấu nằm ngang, toàn b kết cấu sàn được đ t lên kết cấu ch u tải trọng th ng đứng như c t, vách, lõi cứng. B ph n chính cấu tạo nên sàn là bản. Bản n th ng thường là ô hình chữ nh t. Kết cấu sàn hình thành những đ a cứng ngang. húng gia cường và liên kết các kết cấu ch u lực th ng đứng của c ng trình đ ảo cho nó làm vi c như t kết cấu hoàn chỉnh ư i tác dụng của tải trọng ngoài. Sàn tiếp nh n tải trọng đứng r i truyền vào kết cấu khung, vách, õi. S n c ng đóng ai trò an trọng trong vi c phân phối tải trọng ngang vào kết cấu khung, vách, lõi. Hình dạng và những kết cấu ch u lực của công trình quyết đ nh t hợp các cấu ki n của sàn. Vi c lựa chọn đúng đắn các kết cấ n có ý ngh a t n, vì rằng các kết cấu này quyết đ nh ơ đ truyền tải trọng gió, tải trọng th ng đứng và chúng ảnh hưởng đến vi c lựa chọn h ch u lực. Chọn h kết cấu sàn chủ yếu do chiều cao t ng, nh p nh điều ki n thi công quyết đ nh. Hi n nay, h u hết các phương án iến trúc của công trình nhà nhiều t ng là cố gắng hạn chế tối đa chiều cao t ng. Điề n y được lý giải là v i chiều cao t ng hạn chế (nhà có t ng thấp) sẽ tiết ki được năng ượng (điều hòa, chiếu sáng) giảm tải trọng ngang tác dụng ên c ng trình, tăng được số ượng t ng từ đó tiết ki được t ng mức đ tư. 12 Đ đáp ứng được yêu c u trên vi c chọn ra giải pháp sàn hợp lý là cực kì c n thiết. M t trong những giải pháp n được ư tiên ựa chon hi n nay là sàn ph ng hay sàn nấm. Sàn ph ng hay sàn nấm là sàn không d m, bản sàn tựa trực tiêp lên c t. Dùng sàn nấm sẽ giả được chiều cao kết cấu, vi c án h n đơn giản và dễ dàng bố trí cốt thép. Sàn ph ng có m t dư i ph ng nên chiế áng th ng gió tốt, thoát nhi t tốt hơn n m. Ngoài ra vi c ngăn chia các phòng trên t sàn linh hoạt và rất thích hợp cho các tường ngăn i đ ng. Hình 1.6. Sàn ph ng Khi ch u tải trọng th ng đứng, bản sàn có th b phá hoại về cắt theo ki u b c t đâ thủng. Đ tăng cường khả năng ch u cắt, có th bố tr c t ho c bản đ u c t có chiều dày l n hơn. Hình 1.7. Sàn ph ng c m cột Bản có chiều dày l n trên đ c t còn có tác dụng tăng cường khả năng ch u mô men vì tiết di n át đ u c t, mô men uốn trong bản đạt giá tr l n nhất. hiề r ng thích hợp của sàn nấ thường là từ 4-8 đối v i cốt th p thường, khi nh p từ 7m trở lên nên có cốt thép ứng lực trư c đ giảm chiều dày bản và giả đ võng. Ư đi m: Thi công nhanh, giảm chiều cao toàn b kết cấu, hạn chế khả năng chọc thủng trong sàn.