Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông ứng lực trước

Chia sẻ: Mai Thuy Dung | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:278

Thêm vào BST

Báo xấu

101
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án với các nội dung: tổng quan về khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng; nghiên cứu khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép bằng mô phỏng số; nghiên cứu thực nghiệm khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép và bê tông ứng lực trước. Để nắm chi tiết nội dung nghiên cứu mời các bạn cùng tham khảo luận án.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông ứng lực trước

TRẦN VIỆT TÂM BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG TRẦN VIỆT TÂM * LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG CHỌC THỦNG CỦA SÀN PHẲNG BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng * Mã số: 9580201 MÃ SỐ: 9580201 LUẬN ÁN TIẾN SỸ * NĂM - 2019 Hà Nội – 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG TRẦN VIỆT TÂM NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG CHỌC THỦNG CỦA SÀN PHẲNG BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Mã số: 9580201 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1: GS.TS PHAN QUANG MINH 2: PGS.TS NGUYỄN NGỌC PHƯƠNG Hà Nội - 2019
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày 08 tháng 08 năm 2019 Tác giả luận án Trần Việt Tâm
ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS Phan Quang Minh, PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương đã tận tình hướng dẫn, cho nhiều chỉ dẫn khoa học có giá trị, thường xuyên động viên, tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu, hoàn thành luận án và nâng cao năng lực khoa học cho tác giả. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn Bộ môn công trình Bê tông cốt thép, Phòng thí nghiệm LAS-XD125, Khoa xây dựng dân dụng và công nghiệp, Khoa đào tạo Sau đại học nơi tác giả nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả xin cảm ơn PGS-TS Vũ Hoàng Hưng – trường Đại học thủy lợi, đã có những ý kiến đóng góp quý báu trong xây dựng mô hình khảo sát số bằng phần mềm ANSYS. Cuối cùng tác giả bày tỏ lòng biết ơn người thân trong gia đình đã động viên khích lệ, chia sẻ những khó khăn với tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả luận án Trần Việt Tâm
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ......................................................................................... vii DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................ x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .......................................................................................... xi MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án ................................................................................ 2 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu, cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu ............. 2 4. Nội dung nghiên cứu ................................................................................................. 3 5. Các đóng góp mới của luận án ................................................................................... 3 6. Cấu trúc của luận án .................................................................................................. 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KHẢ NĂNG CHỐNG CHỌC THỦNG CỦA SÀN PHẲNG ............................................................................................................................ 6 1.1. Khái niệm về khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng ..................................... 6 1.2. Các mô hình xác định khả năng chống chọc thủng sàn phẳng BTCT ................... 8 1.2.1. Mô hình cơ học phá hoại chọc thủng theo điều kiện cân bằng ....................... 9 1.2.2. Mô hình thanh dàn ..................................................................................... 11 1.2.3. Mô hình phá hoại vùng kéo ........................................................................ 12 1.2.4. Mô hình uốn khi tính chọc thủng ................................................................ 16 1.2.5. Mô hình vết nứt tới hạn và góc xoay của Muttoni (2008) ............................ 17 1.3. Các mô hình xác định khả năng chống chọc thủng sàn phẳng bê tông ứng lực trước ........................................................................................................................ 18 1.3.1. Mô hình ứng suất kéo chính ....................................................................... 18 1.3.2. Mô hình thêm lượng thép dọc chịu kéo tương đương .................................. 19 1.3.3. Mô hình ứng suất nén ngược tương đương (decompression stress) ............. 19 1.4. Nghiên cứu thực nghiệm về khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT .. 20 1.5. Khảo sát khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bằng phương pháp số ........ 23 1.6. Các tiêu chuẩn thực hành .................................................................................. 25 1.6.1. Tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI-318-2014 ............................................................ 25 1.6.2. Tiêu chuẩn châu Âu EC2 (2004) ............................................................... 27 1.6.3. Tiêu chuẩn Ôxtrâylia AS3600 (2018) ........................................................ 28 1.6.4. Tiêu chuẩn Canada CSA A23.3-14 ............................................................ 29 1.6.5. Tiêu chuẩn Trung Quốc GBJ 50010-2010 .................................................. 30
iv 1.6.6. Tiêu chuẩn Anh Quốc BS 8110-1997 ........................................................ 31 1.6.7. Tiêu chuẩn Đức DIN 1045-2008 ............................................................... 31 1.6.8. Tiêu chuẩn FIB – Modal Code 2010 .......................................................... 32 1.6.9. Tiêu chuẩn TCVN 5574-2018 ................................................................... 33 1.7. Các nghiên cứu về khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT ở Việt nam ................................................................................................................................ 35 1.8. Nhận xét rút ra từ tổng quan .............................................................................. 37 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỐNG CHỌC THỦNG CỦA SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG MÔ PHỎNG SỐ ............................................................. 38 2.1. Giới thiệu .......................................................................................................... 38 2.2. Mô hình hóa cốt thép trong bê tông ................................................................... 40 2.3. Mô hình vết nứt trong bê tông ........................................................................... 41 2.4. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn .................................................................. 42 2.4.1. Phần tử trong mô hình ................................................................................ 42 2.4.2. Chia lưới và điều kiện biên ......................................................................... 44 2.4.3. Vật liệu trong mô hình................................................................................ 46 a. Sự làm việc của bê tông.............................................................................. 46 b. Mô hình quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông thường khi nén, không kiềm chế nở ngang ............................................................................................... 47 c. Mô hình quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông khi chịu kéo ................. 56 2.5. Tiêu chuẩn phá hoại .......................................................................................... 58 2.5.1. Tiêu chuẩn phá hoại của bê tông................................................................. 58 2.5.2. Tiêu chuẩn phá hoại của mẫu ..................................................................... 58 2.6. Thông số đầu vào cho mô hình .......................................................................... 60 2.6.1. Bê tông ...................................................................................................... 60 2.6.2. Cốt thép, cốt thép cường độ cao, thép tấm đệm ........................................... 62 2.6.3. Tải trọng đứng............................................................................................ 62 2.6.4. Tải trọng do ứng suất trước ........................................................................ 63 2.7. Sơ đồ khối thuật toán xây dựng mô hình tính khả năng chống chọc thủng của sàn trong Ansys viết bằng ngôn ngữ ADPL .................................................................... 63 2.8. Kiểm chứng mô hình số với thí nghiệm được công bố ....................................... 64 2.8.1. Mô phỏng thí nghiệm Yaser Mirzae .......................................................... 64 2.8.2. Mô phỏng thí nghiệm Alam (1997) ........................................................... 66 2.8.3. Mô phỏng thí nghiệm Franklin and Long cho sàn phẳng BT ứng lực ......... 67 2.8.4. Mô phỏng thí nghiệm của Rahman ........................................................... 68 2.8.5. Nhận xét..................................................................................................... 69
v 2.9. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng thép dọc đến khả năng chống chọc thủng của sàn BTCT ................................................................................................................ 69 2.10. Khảo sát số ảnh hưởng của ứng suất nén trước trong bê tông đến khả năng chống chọc thủng của bản sàn .................................................................................. 73 2.11. Khảo sát ảnh hưởng của cường độ bê tông, tham số kích thước đến khả năng chống chọc thủng của bản sàn BTCT ....................................................................... 75 2.11.1. Ảnh hưởng của cường độ bê tông ............................................................. 75 2.11.2. Ảnh hưởng của chiều cao làm việc của sàn ............................................... 77 2.11.3. Ảnh hưởng kích thước tiết diện hình chữ nhật của cột .............................. 78 2.12. Xây dựng công thức xác định khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT và bê tông ứng lực trước .......................................................................................... 79 2.12.1. Cơ sở xây dựng công thức ........................................................................ 79 2.12.2. Xây dựng công thức xác định khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT .................................................................................................................. 80 2.12.3. Xây dựng công thức xác định khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông ứng lực trước............................................................................................... 81 2.12.4. Đánh giá công thức đề xuất với kết quả mô phỏng số ............................... 81 2.12.5. Đánh giá công thức đề xuất với kết quả các kết quả thí nghiệm được công bố ........................................................................................................................ 83 2.13. Nhận xét chương 2 .......................................................................................... 84 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG CHỐNG CHỌC THỦNG CỦA SÀN PHẲNG BTCT VÀ BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC ..................................... 85 3.1. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu thực nghiệm .................................................. 85 3.1.1. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................... 85 3.1.2. Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 85 3.2. Cơ sở thiết kế mẫu và mô hình thí nghiệm ........................................................ 86 3.2.1. Cơ sở xây dựng mô hình ............................................................................ 86 3.2.2. Thiết lập mẫu thí nghiệm ............................................................................ 86 3.3. Thiết kế và chế tạo mẫu thí nghiệm ................................................................... 87 3.3.1. Bê tông ...................................................................................................... 87 3.3.2. Cốt thép thường ......................................................................................... 88 3.3.3. Cốt thép căng trước .................................................................................... 88 3.4. Kích thước và cấu tạo mẫu thí nghiệm .............................................................. 88 3.4.1. Cấu tạo mẫu không ứng lực S0N1; S0N2 ; S0N3........................................ 90 3.4.2. Cấu tạo mẫu S1 ; S2 ................................................................................... 91 3.5. Hệ gia tải .......................................................................................................... 91 3.5.1. Hệ gia tải đứng ........................................................................................... 91 3.5.2. Khung gia tải ứng lực trước ........................................................................ 93
vi 3.6. Sơ đồ bố trí thiết bị đo....................................................................................... 94 3.6.1. Sơ đồ lắp đặt chuyển vị kế (LVDT) ............................................................ 94 3.6.2. Sơ đồ lắp đặt cảm biến (Strain gauges) ....................................................... 95 3.7. Chế tạo mẫu thí nghiệm .................................................................................... 98 3.7.1. Đúc mẫu thí nghiệm ................................................................................... 98 3.7.2. Trình tự căng thép ứng lực trước ................................................................ 99 3.7.3. Trình tự buông neo ................................................................................... 100 3.8. Thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu ........................................................ 101 3.8.1. Thí nghiệm cường độ chịu nén, kéo và mô đun đàn hồi của bê tông . ....... 101 3.8.2. Thí nghiệm kéo thép ................................................................................. 105 3.8.3. Thí nghiệm kéo thép ứng lực trước ........................................................... 105 3.8.4. Tổn hao ứng suất trong thép ứng lực trước ............................................... 106 3.9. Thí nghiệm khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng ................................... 107 3.10. Kết quả thí nghiệm ........................................................................................ 110 3.10.1. Số liệu thí nghiệm và cách xử lý ............................................................. 110 3.10.2. Khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng ............................................. 110 3.10.3. Độ võng lớn nhất tại điểm giữa của bản sàn . .......................................... 112 3.10.4. Sự hình thành vết nứt ............................................................................. 113 3.10.5. Quan hệ giữa tải trọng và độ võng của điểm giữa sàn phẳng ................... 117 3.10.6. Quan hệ giữa tải trọng và biến dạng bê tông ........................................... 121 3.10.7. Quan hệ giữa tải trọng và ứng suất trong cốt thép ................................... 124 3.10.8. Kiểm chứng mô hình ANSYS với kết quả thí nghiệm ............................. 126 3.10.9. Kiểm chứng công thức đề xuất với kết quả thí nghiệm............................ 127 3.11. Nhận xét chương 3 ........................................................................................ 128 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 130 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ............................................................. 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 133 PHỤ LỤC A.................................................................................................................. PL1 PHỤ LỤC B .................................................................................................................. PL8 PHỤ LỤC C ................................................................................................................ PL10 PHỤ LỤC D.............................................................................................................. PL103
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU BTCT Bê tông cốt thép BTƯL Bê tông ứng lực trước PTHH Phần tử hữu hạn HLT Hàm lượng thép KN CCT Khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT Pct , Vu Lực nén (cắt) tới hạn gây chọc thủng sàn Rb , fcu Cường độ chịu nén tính toán (đặc trưng) của bê tông mẫu lập phương fc’ Cường độ chịu nén tính toán (đặc trưng) của bê tông mẫu lăng trụ Rbm ,fcm’ Cường độ chịu nén trung bình của bê tông mẫu lập phương (lăng trụ) Rbt , ft Cường độ chịu kéo tính toán của bê tông Eb , E c Mô đun đàn hồi của bê tông b , fcp Ứng suất nén trước trong bê tông Es  Mô đun đàn hồi của cốt thép y, fy Giới hạn chảy của cốt thép CHƯƠNG 1: F Tổng lực tập trung do tải trọng ngoài tác dụng Fb ,ult Lực tập trung lớn nhất mà bê tông có thể tiếp nhận khi chưa bị phá hoại h0 Chiều dày hiệu dụng của sàn M Tổng mômen uốn do tải trọng ngoài tác dụng M b ,ult Mômen uốn lớn nhất mà bê tông có thể tiếp nhận khi chưa bị phá hoại Rbt Cường độ chịu kéo tính toán dọc trục của bê tông ứng với TTGH1 um Giá trị trung bình của chu vi đáy trên và đáy dưới tháp nén thủng u Chu vi tiết diện tới hạn Wb Mômen kháng uốn CHƯƠNG 2 fc Cường độ chịu nén mẫu lăng trụ, ứng suất ứng với với biến dạng εc Lực tập trung lớn nhất mà bê tông có thể tiếp nhận khi chưa bị phá hoại
viii ε0 biến dạng tại ứng suất f’c,  50u biến dạng ứng với ứng suất bằng 50% cường độ nén lớn nhất của bê tông  c1 Biến dạng nén của bê tông tại ứng suất lớn nhất m , m Biến dạng và ứng suất ban đầu của bê tông. Em Mô đun đàn hồi ban đầu của bê tông vm Hệ số biến động của mô đun cát tuyến  Giá trị hệ số biến động tại đỉnh biểu đồ khi  m   m ' v0 Hệ số biến động ban đầu của mô đun cát tuyến 1 , 2 Hệ số đặc trưng cho độ điển đầy của biểu đồ vật liệu 2  1  1  mức gia tăng ứng suất m,el ứng suất ứng với giới hạn đàn hồi của vật liệu mk Hệ số biến động của mô đun tiếp tuyến νs Hệ số Poát xông của cốt thép.  xp -  zp ứng suất chính theo các phương chính x, y, z f t , f c' cường độ chịu kéo và nén một trục của bê tông fcb , f1, f2 Cường độ chịu nén 2 trục đẳng áp, cường độ chịu nén 2 trục dưới trạng thái áp lực thủy tĩnh, cường độ chịu nén 1 trục dưới trạng thái áp lực thủy tĩnh h  , h Hệ số ảnh hưởng chiều dày sàn đến khả năng chống chọc thủng của sàn BTCT o,  c Hệ số truyền lực cắt khi vết nứt mở và đóng. CHƯƠNG 3: Pctdx Lực chọc thủng tính toán trong công thức đề xuất Pctthinghiem Lực chọc thủng trong thí nghiệm Ecm Mô đun đàn hồi trung bình của bê tông S0N1,2,3 Mẫu thí nghiệm không ứng lực nhóm 1, 2, 3 S1,2 Mẫu thí nghiệm ứng lực trước nhóm 1, 2 LVDT Chuyển vị kế
ix D1,2,3,4,5 Điểm đo chuyển vị trong thí nghiệm tại vị trí 1, 2, 3, 4, 5 ST1,2,3,4 Ký hiệu vị trí và cảm biến đo biến dạng trong cốt thép vị trí 1,2… C1,2.. Ký hiệu vị trí và thiết bị đo chuyển vị LDVT trên sàn tại điểm 1, 2.. u Giới hạn bền của cốt thép s Ứng suất trong cốt thép Pcti Lực chọc thủng sàn trong thí nghiệm thứ i Pcttb Lực chọc thủng trung bình trong sàn  Hàm lượng cốt thép thường trong sàn i Ymax Độ võng của sàn trong thí nghiệm thứ i tb Ymax Độ võng trung bình lớn nhất tại điểm giữa của sàn Pcirc Tải trọng bắt đầu gây nứt trong thí nghiệm thứ i Pcrc Tải trọng trung bình bắt đầu gây nứt Pcirc 0.3 Tải trọng gây ra bề rộng vết nứt 0.3mm nứt trong thí nghiệm thứ i Pcrc 0.3 Tải trọng trung bình gây ra bề rộng vết nứt 0.3mm Pansys Lực chọc thủng trong mô hình bằng phần mềm ANSYS F Tổng lực tập trung do tải trọng ngoài tác dụng
x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các trường hợp chia lưới ........................................................................ 44 Bảng 2.2 Kết quả khảo sát số thí nghiệm Yaser Mirzae theo các mô hình quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông khi chịu nén .......................................................... 56 Bảng 2. 3 Bảng so sánh kết quả mô phỏng số và thí nghiệm Yaser Mirzae ........... 65 Bảng 2.4 Bảng so sánh kết quả thí nghiệm mẫu SLAB 13 và ANSYS .................. 66 Bảng 2.5 Bảng so sánh kết quả thí nghiệm Franky và Long và ANSYS ............... 67 Bảng 2.6 Bảng so sánh kết quả thí nghiệm Franky and Long và mô phỏng số ...... 68 Bảng 2. 7 Thông số các nhóm mẫu khảo sát thí nghiệm số .................................... 69 Bảng 2.8 Kết quả khảo sát số về khả năng CCT của sàn phẳng (KN) nhóm N1R . 70 Bảng 2.9 Kết quả khảo sát số về khả năng CCT của sàn phẳng (KN) nhóm N2R . 71 Bảng 2.10 Kết quả khảo sát số về khả năng CCT của sàn phẳng (KN) nhóm N3R71 Bảng 2. 11 Thông số các nhóm mẫu khảo sát thí nghiệm số .................................. 74 Bảng 3.1 Cấp phối bê tông B30 (mác 400) ............................................................ 88 Bảng 3.2 Thống kê chi tiết các mẫu thí nghiệm ..................................................... 89 Bảng 3.3 Kết quả TN cường độ chịu nén của BT nhóm không tạo lực nén trước 102 Bảng 3.4 Kết quả TN cường độ chịu nén của BT nhóm tạo lực nén trước ........... 102 Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi của bê tông ................................... 103 Bảng 3.6 Xác định mô đun đàn hồi của bê tông từ cường độ chịu nén (MPa) ...... 104 Bảng 3.7 Kết quả thí nghiệm cường độ kéo của bê tông ...................................... 104 Bảng 3.8 Kết quả xác định giới hạn chảy và bền của cốt thép.............................. 105 Bảng 3.9 Kết quả kéo thép cường độ cao ............................................................ 106 Bảng 3.10 Kết quả thí nghiệm KN CCT của sàn BTCT thường. .......................... 111 Bảng 3.11 Kết quả thí nghiệm KN CCT của sàn bê tông ứng lực trước ............... 111 Bảng 3.12 Kết quả thí nghiệm độ võng lớn nhất của sàn phẳng BTCT thường .... 112 Bảng 3.13 Kết quả thí nghiệm độ võng lớn nhất của bản sàn BT ứng lực trước ... 113 Bảng 3.14 Kết quả thí nghiệm tải trọng gây nứt của sàn phẳng BTCT thường.... 114 Bảng 3.15 KQTN tải trọng gây nứt và góc nghiêng phá hoại sàn bê tông ƯLT ... 116 Bảng 3.16 Bảng so sánh kết quả thí nghiệm và tính theo ANSYS ....................... 126 Bảng 3. 17 So sánh kết quả thí nghiệm và công thức đề xuất theo HLT .............. 127 Bảng 3.18 So sánh kết quả thí nghiệm và công thức đề xuất theo ứng suất nén ... 128
xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1 Dạng phá hoại điển hình tại liên kết cột sàn do chọc thủng ...................... 6 Hình 1. 2 Vết nứt tiếp tuyến và vết nứt hướng tâm lực (Sherif 1996 ) ..................... 7 Hình 1.3 Phân biệt phá hoại do chọc thủng và do uốn trong thí nghiệm của Menétrey ................................................................................................................ 8 Hình 1.4 Mô hình phá hoại của Shchata và Regan (1990) ....................................... 9 Hình 1.5 Ứng suất nén phá hoại trong mô hình Broms , tiêu chuẩn Fib (2001)..... 10 Hình 1.6 Mô hình phá hoại vùng nén hướng tâm cột (Marzouk, Rizk và Tiller - 2010) ..................................................................................................................... 12 Hình 1. 7 Mô hình dàn của Alexander và Simmonds (1992) ................................ 13 Hình 1.8 Mô hình phá hoại chọc thủng của Georgopolous ................................... 14 Hình 1.9 Sơ đồ xác định khả năng chịu lực của dải qua đầu cột ............................ 14 Hình 1.10 Các thành phần của mô hình theo Menétrey ........................................ 15 Hình 1.11 Các thành phần của mô hình Ranking và Long (1987) ......................... 17 Hình 1.12 Xác định khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT theo Muttoni 2008 ..................................................................................................................... 18 Hình 1.13 Mô hình trong mô phỏng của Aikaterini Genikomsou (2015) .............. 24 Hình 1.14 Mô hình trong mô phỏng của A.K.M Jahagir 2016 .............................. 25 Hình 1.15 Bố trí cốt ngang chống cắt chọc thủng theo ACI-318-14 ...................... 26 Hình 1.16 Vị trí và hình dạng của tiết diện kiểm tra chọc thủng theo EC2 (2004) . 27 Hình 1.17 Bố trí cốt thép ngang và tiết diện kiểm tra chống chọc thủng EC2-2004 .............................................................................................................................. 28 Hình 1.18 Vị trí tiết diện tính cắt chọc thủng theo AS3600-2018 ......................... 28 Hình 1.19 Sơ đồ kiểm tra chọc thủng theo GBJ 50010-2010 ................................ 30 Hình 1.20 Tiết diện kiểm tra chống chọc thủng theo DIN 1045-2008 ................... 32 Hình 1.21 Mô hình thiết kế chống chọc thủng của sàn phẳng theo TCVN 5574- 2018 ..................................................................................................................... 33 Hình 1.22 Biểu đồ khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT theo 270 thí nghiệm công bố và TCVN 5574-2018. .................................................................. 34
xii Hình 1.23 Mô hình thí nghiệm trong nghiên cứu của PGS.TS Lê Thanh Huấn ..... 35 Hình 1.24 Quan hệ giữa tỷ lệ độ cứng và tỷ lệ % tăng KN chống chọc thủng ....... 36 Hình 2.1 Các mô hình cốt thép trong bê tông ....................................................... 41 Hình 2.2 Mô hình vết nứt trong bê tông ............................................................... 42 Hình 2.3 Dạng hình học của phần tử khối SOLID 65 .......................................... 43 Hình 2.4 Dạng hình học của phần tử thanh LINK180 ........................................... 43 Hình 2.5 Dạng hình học của phần tử khối SOLID185 ......................................... 44 Hình 2.6 Quan hệ giữa lực và chuyển vị khi thay đổi lưới rời rạc phần tử ............. 45 Hình 2.7 Mô hình phần tử và rời rạc hóa trong ANSYS ........................................ 46 Hình 2.8 Đường cong ứng suất–biến dạng của bê tông khi nén và kéo một trục .... 47 Hình 2.9 Mô hình quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông theo Hognestad ....... 48 Hình 2.10 Mô hình quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông Todeschini ............ 49 Hình 2.11 Mô hình quan hệ ứng suất–biến dạng của bê tông theo Kent và Park ... 50 Hình 2.12 Mô hình quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông theo Popovics ....... 51 Hình 2. 13 Mô hình quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông theo EC2-2004 ..... 52 Hình 2.14 Mô hình quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông theo Kachlakev ..... 53 Hình 2.15 Biểu đồ đường cong biến dạng của bê tông theo TCVN 5574-2018 ..... 54 Hình 2.16 Biểu đồ quan hệ tải trọng – biến dạng bê tông theo các mô hình quan hệ ứng suất và biến dạng của bê tông khi chịu nén ..................................................... 56 Hình 2.17 Mô hình quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông khi chịu kéo .......... 57 Hình 2.18 Mô hình quan hệ ứng suất–biến dạng của cốt thép ............................... 57 Hình 2.19 Quan hệ tải trọng-độ võng theo ANSYS và thực nghiệm ..................... 59 Hình 2.20 Quan hệ P- và P- khi sàn bị phá hoại do chọc thủng ......................... 60 Hình 2.21 Vết nứt do chọc thủng theo mô hình số từ ANSYS ............................... 60 Hình 2.22 Quan hệ P-d của sàn với các hệ số truyền lực cắt 0 - c khác nhau ..... 61 Hình 2.23 Gia tải trọng đứng tác dụng trên mô hình.............................................. 63 Hình 2.24 Sơ đồ thuật toán tính toán khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT và bê tông ứng lực trước ............................................................................. 64 Hình 2.25 Mô hình thí nghiệm của Yaser Mirzae ................................................. 65 Hình 2.26 Quan hệ P-d, vết nứt thí nghiệm Yaser Mirzae và mô phỏng số ........... 65
xiii Hình 2.27 Mô hình thí nghiệm của Alam ............................................................. 66 Hình 2. 28 Quan hệ P-d, tháp chọc thủng thí nghiệm Alam và mô phỏng số ........ 67 Hình 2.29 Vết nứt mẫu mô phỏng số thí nghiệm của Franky và Long (1981) ........ 67 Hình 2. 30 Vết nứt phát triển trong mô hình của Rahman .................................... 68 Hình 2.31 Biến dạng bê tông và ứng suất trong cốt thép mô hình Rahman ........... 68 Hình 2.32 Quan hệ giữa hàm lượng thép dọc và KN CCT nhóm N1R.................. 71 Hình 2.33 Quan hệ giữa hàm lượng thép dọc và KN CCT nhóm N2R.................. 72 Hình 2.34 Quan hệ giữa hàm lượng thép dọc và KN CCT nhóm N3R.................. 72 Hình 2.35 Quan hệ tải trọng và chuyển vị giữa sàn phẳng nhóm N1R ................... 72 Hình 2.36 Quan hệ giữa HL thép và độ võng của sàn phẳng nhóm N2R ............... 73 Hình 2.37 Quan hệ giữa tải trọng và biến dạng nén góc cột nhóm N2R................. 73 Hình 2.38 Quan hệ giữa ứng suất nén và khả năng chống chọc thủng của sàn bê tông ứng lực trước ................................................................................................. 74 Hình 2.39 Quan hệ giữa biến dạng và khả năng chống chọc thủng của sàn bê tông ứng lực trước với các ứng suất nén trước khác nhau. ............................................. 75 Hình 2.40 Quan hệ giữa cường độ chịu nén BT và KN CCT của sàn nhóm N1R . 76 Hình 2.41 Quan hệ giữa cường độ chịu nén BT và KN CCT của sàn nhóm N2R . 76 Hình 2. 42 Quan hệ giữa cường độ chịu nén BT và KN CCT của sàn nhóm N3R . 76 Hình 2. 43 Quan hệ giữa cường độ chịu kéo BT và KN CCT của sàn nhóm N1R . 77 Hình 2.44 Quan hệ giữa chiều dày sàn và ứng suất nén thủng (Pct / um.h0) của sàn 77 Hình 2.45 Quan hệ giữa  c và khả năng chống chọc thủng sàn ............................. 78 Hình 2.46 Mô hình thiết kế chống chọc thủng theo công thức đề xuất................... 81 Hình 2.47 So sánh công thức đề xuất và với phần mềm mô phỏng mẫu N1R ........ 82 Hình 2.48 So sánh công thức đề xuất và với phần mềm mô phỏng mẫu N2R ........ 82 Hình 2.49 So sánh công thức đề xuất và với phần mềm mô phỏng mẫu N3R ........ 82 Hình 2.50 So sánh công thức 2.33, 2.34 và các thí nghiệm sàn phẳng BTCT và bê tông ứng lực trước được công bố ........................................................................... 83 Hình 2.51 So sánh công thức 2.34 với các thí nghiệm sàn phẳng BTCT có cột tiết diện chữ nhật và  c ≥ 2 .......................................................................................... 84 Hình 3.1 Mẫu thí nghiệm của luận án.................................................................... 87
xiv Hình 3.2 Mặt bằng bố trí lớp thép trong mẫu không ứng lực S0N1; S0N2; SON3 . 90 Hình 3.3 Mặt cắt ngang của mẫu S0N1; S0N2; S0N3 .......................................... 90 Hình 3.4 Mặt bằng bố trí lớp thép trong mẫu S1, S2 ............................................. 91 Hình 3.5 Mặt cắt ngang của mẫu S1, S2 ............................................................... 91 Hình 3.6 Cấu tạo kết cấu khung đỡ ....................................................................... 92 Hình 3.7 Cấu tạo khung gia tải ứng lực trước ........................................................ 93 Hình 3.8 Khung gia tải ứng lực trước trong quá trình căng cáp ............................. 94 Hình 3.9 Mặt bằng bố trí chuyển vị kế .................................................................. 94 Hình 3.10 Sơ đồ lắp đặt cảm biến đo biến dạng của cốt thép chịu kéo ................... 95 Hình 3.11 Sơ đồ cảm biến đo biến dạng của thép ứng lực trước mẫu S1-1; S2-1 .. 96 Hình 3.12 Sơ đồ cảm biến đo biến dạng của thép ứng lực trước mẫu S1-1; S2-1 ... 96 Hình 3.13 Sơ đồ cảm biến đo biến dạng của thép ứng lực trước mẫu S1-3; S2-3 ... 97 Hình 3.14 Sơ đồ lắp đặt cảm biến đo biến dạng của bê tông .................................. 97 Hình 3.15 Chuẩn bị đổ bê tông ............................................................................. 99 Hình 3.16 Mẫu thí nghiệm sau khi đổ bê tông ....................................................... 99 Hình 3.17 Trình tự đúc căng cáp và đúc mẫu sàn bê tông ứng lực trước .............. 100 Hình 3.18 Trình tự buông neo mẫu tạo lực nén lực trước .................................... 101 Hình 3.19 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của bê tông ................................ 103 Hình 3.20 Quan hệ ứng suất và biến dạng của thép cường độ cao ....................... 106 Hình 3.21 Phân bố ứng suất trước trong bản sàn ................................................. 107 Hình 3.22 Cẩu mẫu vào vị trí thí nghiệm ............................................................ 109 Hình 3.23 Lắp hệ khung gia tải đứng .................................................................. 109 Hình 3.24 Lắp đặt thiết bị đo............................................................................... 109 Hình 3.25 Thí nghiệm sàn phẳng bị phá hoại do chọc thủng ............................... 110 Hình 3.26 Quan hệ Pct -  (hàm lượng thép) theo kết quả thí nghiệm ................. 111 Hình 3. 27 Quan hệ Pct - p theo kết quả thí nghiệm ............................................ 112 Hình 3.28 Quan hệ độ võng lớn nhất và hàm lượng thép theo thí nghiệm ........... 113 Hình 3. 29 Quan hệ giữa độ võng lớn nhất và ứng suất nén theo thí nghiệm ....... 113 Hình 3.30 Tháp chọc thủng của mẫu SON3 (6a200 =0.39%) .......................... 114 Hình 3. 31 Tháp chọc thủng của mẫu SON1 (6a100 =0.71%) ......................... 115
xv Hình 3.32 Tháp chọc thủng của mẫu SON2 (6a50 =1.35%) ............................ 115 Hình 3. 33 Tháp chọc thủng của mẫu S1 (=0.71% p=1.53 Mpa ) .................. 116 Hình 3. 34 Tháp chọc thủng của mẫu S2 (=0.71% p=2.45 Mpa ) .................. 117 Hình 3. 35 Quan hệ tải trọng và độ võng nhóm mẫu S0N3 (s0.39%) .............. 117 Hình 3. 36 Quan hệ tải trọng và độ võng nhóm mẫu S0N1 (s0.71%) .............. 118 Hình 3. 37 Quan hệ tải trọng và độ võng nhóm mẫu S0N2 (s1.35%) .............. 118 Hình 3. 38 Quan hệ tải trọng - độ võng theo hàm lượng thép dọc chịu kéo ......... 119 Hình 3. 39 Quan hệ tải trọng và chuyển vị của nhóm S1 (p=1.43 Mpa) ............. 120 Hình 3. 40 Quan hệ tải trọng và chuyển vị của nhóm S1 (p=2.45 Mpa) ............. 120 Hình 3. 41 Quan hệ tải trọng và chuyển vị theo ứng suất nén trong bê tông ....... 121 Hình 3. 42 Quan hệ tải trọng và biến dạng điểm C2 theo hàm lượng thép ........... 122 Hình 3. 43 Quan hệ tải trọng và biến dạng điểm C1 theo hàm lượng thép .......... 122 Hình 3.44 Quan hệ tải trọng và biến dạng C2 theo ứng suất nén trước ................ 123 Hình 3.45 Quan hệ tải trọng và biến dạng bê tông điểm C1 theo ứng suất nén .... 123 Hình 3.46 Quan hệ tải trọng và ứng suất kéo trong thép lớp 1 hàm lượng thép .. 124 Hình 3.47 Quan hệ tải trọng và ứng suất kéo trong thép lớp 2 hàm lượng thép ... 124 Hình 3.48 Quan hệ tải trọng và ứng suất kéo trong thép lớp 1 theo ứng suất nén . 125 Hình 3.49 Quan hệ tải trọng và ứng suất kéo trong thép lớp 2 theo ứng suất nén . 125 Hình 3.50 Quan hệ tải trọng và chuyển vị của thí nghiệm và tính theo ANSYS . 126 Hình 3.51 Quan hệ Pct –  của KQTN, CTĐX và một số tiêu chuẩn thiết kế ....... 127 Hình 3. 52 Quan hệ Pct – p của KQTN, CTĐX và một số tiêu chuẩn thiết kế..... 128
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay sàn phẳng BTCT và bê tông ứng lực trước (sàn không dầm) được sử dụng khá phổ biến trong xây dựng dân dụng ở Việt nam và thế giới vì chúng có những ưu điểm về mặt kiến trúc, kết cấu và thi công. Trong thiết kế kết cấu sàn phẳng, vấn đề thiết kế chống phá hoại chọc thủng giữa cột và sản luôn được quan tâm đặc biệt vì đây là kiểu phá hoại giòn nguy hiểm. Một số công trình được xây trên thế giới bị phá hoại do chọc thủng và để lại hậu quả nghiêm trọng như: Tòa nhà Sampoong Departement tại Hàn quốc (1995) làm 502 người chết và 1000 người bị thương [86] ; Tòa nhà Skyline Plaza bang Virgina – Mỹ (1971) gây thương vong cho hơn 14 công nhân [56] … Do tính chất nguy hiểm của phá hoại chọc thủng, từ trước đến nay trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu về liên kết này. Các nghiên cứu tập trung vào đề xuất những mô hình làm rõ sự truyền lực qua liên kết đầu cột sàn, tuy nhiên chưa có mô hình trên lý thuyết hoặc mô hình bán thực nghiệm nào được công nhận hoàn toàn cho phá hoại chọc thủng. Các tiêu chuẩn tiên tiến trên thế giới như EC2-2004 [36], ACI-318-14 [19], cũng sử dụng mô hình và thí nghiệm khác nhau nên cũng cho kết quả khác nhau đáng kể trong dự đoán khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT. Để tránh phá hoại do chọc thủng trong sàn phẳng có thể tăng chiều dày sàn, chiều dày mũ cột, thêm đai chịu cắt hoặc thay đổi cấp độ bền bê tông. Theo một số tiêu chuẩn như tiêu chuẩn châu Âu (EC2-2004), tiêu chuẩn Anh quốc (BS 8110-1997), tiêu chuẩn Đức (DIN 1045-1 -2008), khi tăng hàm lượng thép dọc chịu kéo, tăng ứng suất nén trước trong bê tông cũng tăng khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng. Tiêu chuẩn thiết kế hiện hành ở Việt Nam là “ Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 5574-2018 ” [7] dựa trên tiêu chuẩn Nga SP 63.13330 [80] chủ yếu chỉ dẫn tính toán khả năng chống chọc thủng cho cấu kiện bê tông thông thường. Trong công thức xác định khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT
2 còn chưa xét đến ảnh hưởng của các yếu tố như hàm lượng cốt thép dọc trong vùng kéo, ứng suất nén trong bê tông do ứng lực trước, kích thước tiết diện cột. Nhằm tăng hiệu quả kinh tế trong sử dụng sàn phẳng, nghiên cứu khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông cốt thép và bê tông ứng lực trước, từ đó đề xuất công thức dự báo và được kiểm chứng bằng nghiên cứu thực nghiệm là việc làm hết sức cần thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Mục tiêu nghiên cứu của luận án: a) Nghiên cứu tổng quan về khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT và sàn phẳng BT ứng lực trước. b) Nghiên cứu khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT bằng phương pháp số, khảo sát các tham số ảnh hưởng đến khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bao gồm: hàm lượng cốt thép, ứng suất nén trước trong bê tông, chiều dày sàn, kích thước tiết diện cột. c) Đề xuất công thức tính toán khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT và bê tông ứng lực trước. d) Xây dựng mô hình thực nghiệm để kiểm chứng công thức đề xuất tính khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT và bê tông ứng lực trước. 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu, cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT và sàn phẳng bê tông có ứng lực trước với cấp độ bền của bê tông không lớn hơn B60, không có cốt thép ngang chịu cắt, không có lỗ mở, không xét đến ảnh hưởng của mô men tại liên kết cột sàn, cột chỉ xét ở vị trí giữa, có tiết diện tròn hoặc tiết diện chữ nhật. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài: Thông qua nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm để đánh giá khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT và bê tông ứng lực trước, đồng thời làm sáng tỏ trạng thái ứng suất, biến dạng tại liên kết cột sàn.
3 Giải pháp sàn phẳng BTCT, bê tông ứng lực trước ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng dân dụng , nghiên cứu và đề xuất công thức tính toán phù hợp với TCVN 5574-2018 là ý nghĩa thực tiễn của luận án. Công thức đề xuất có xét ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép và ứng suất nén trước trong bê tông, tương quan giữa chiều cao cột và chiều cao làm việc của sàn đến khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT giúp thiết kế hợp lý hơn. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu là nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng số kết hợp với thực nghiệm. 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan về khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT và BT ứng lực trước. - Xây dựng mô hình mô phỏng số liên kết cột sàn phẳng trong Ansys, mô hình được viết bằng ngôn ngữ thiết kế tham số ADPL [19] để khảo sát số ảnh hưởng của các tham số ảnh hưởng đến khả năng chống chọc thủng của sàn bao gồm: hàm lượng cốt thép dọc, ứng suất nén trong bê tông do ứng lực trước , chiều dày sàn, kích thước tiết diện cột. - Đề xuất công thức tính toán khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng BTCT. - Đề xuất công thức tính toán khả năng chống chọc thủng của sàn phẳng bê tông ứng lực trước. - Chế tạo thí nghiệm cho bản sàn BTCT và đánh giá độ tin cậy của công thức đề xuất. - Chế tạo thí nghiệm cho mẫu bản sàn bê tông ứng lực trước và đánh giá độ tin cậy của công thức đề xuất. 5. Các đóng góp mới của luận án a) Xây dựng mô hình số trong phần mềm ANSYS viết bằng ngôn ngữ ADPL, từ đó có thể dễ dàng khảo sát được các tham số quan trọng ảnh hưởng đến khả năng chống chọc thủng của sàn bao gồm: ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép,