Tải bản đầy đủ

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG LIÊN HỢP DẦM THÉP CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG LẶP_ThS. Lê Đăng Dũng, ThS. Đặng Việt Tuấn, TS. Nguyễn Xuân Huy

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG LIÊN HỢP DẦM THÉPCỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG LẶP
EXPERIMENTAL STUDY ON THE BEHAVIOUR OF REINFORCED CONCRETE COLUMN- STEEL
BEAM JOINT SUBJECTED CYCLIC LOADING
ThS. Lê Đăng Dũng, ThS. Đặng Việt Tuấn, TS. Nguyễn Xuân Huy

ABSTRACT
In this paper, experimental investigations on exterior RCS
(Reinforced concrete- steel) specimen are presented. The
experimental research consisting of a full-scale RCS joint was
carried out at University of Transport and Communication to
study the cyclic behavior. The specimen in which a steel
profile totally embedded inside RC column is directly welded
to the steel beam was designed according Eurocode Standards.
Details of the test results are discussed to understand the
specimens’ seismic performance in terms of general behavior,
hysteresis loops response, and strain profiles of long-itudinal
reinforcement.
ThS. Lê Đăng Dũng
Giảng viên, Viện Kỹ Thuật Xây Dựng , Trường Đại h ọc Giao
thông Vận tải
Email: ledangdung@utc.edu.vn

Điện thoại: 0986 354 689
Ths. Đặng Việt Tuấn
Giảng viên, Viện Kỹ Thuật Xây Dựng , Trường Đại h ọc Giao
thông Vận tải
Email: dangviettuan@utc.edu.vn
Điện thoại: 0963 291 163
TS. Nguyễn Xuân Huy
Giảng viên, Viện Kỹ Thuật Xây Dựng , Trường Đại h ọc Giao
thông Vận tải
Email: nguyenxuanhuy@utc.edu.vn
Điện thoại: 0973 223 400

Giải pháp mới được đưa ra trong bài báo này là sử dụng
một đoạn thép hình đặt trong cột BTCT. Dầm thép liên kết với
đoạn thép hình và truyền lực từ dầm vào cột thông qua đoạn
thép hình. Do không chỉ tập trung trong khu vực nút mà đoạn
thép hình còn được kéo dài ra phía cột nên ứng suất cũng
không còn tập trung tại nút mà được phân tán ra các vùng xung
quanh. Điều này giúp cải thiện được khả năng làm việc cũng
như thay đổi dạng phá hoại của nút khung. Nút khung thiết kế
được tiến hành thí nghiệm chịu tải trọng lặp trên hệ thống
tường phản lực tại Trường Đại học Giao thông vận tải. Các kết
quả minh chứng sự hiệu quả của đề xuất cũng như làm rõ ứng
xử cục bộ của nút khung liên hợp khi chịu tải trọng lặp.
2. Thí nghiệm nút khung chịu tải trọng lặp
2.1 Giới thiệu chi tiết mẫu thí nghiệm
Mẫu thí nghiệm là nút biên của khung liên hợp dầm thépcột BTCT. Mẫu được thiết kế theo [5], [6], [7] và chế tạo với tỷ
lệ 1-1 (Hình 1). Cột BTCT có kích thước mặt cắt ngang
400 × 400mm . Cốt thép dọc được sử dụng cho cột là 8D25.
Cốt đai được sử dụng cho cột là D10. Khoảng cách giữa các
thanh cốt đai được chia làm hai vùng, trong vùng mặt cắt
ngang cột có thép hình khoảng cách cốt đai là 70mm , ở vùng
cột mà mặt cắt chỉ có BTCT, cốt đai được bố trí với khoảng
cách 100mm (Hình 3). Riêng trong vùng giao giữa dầm và cột,
cốt đai được sử dụng là 3D16. Dầm thép sử dụng cho mẫu thí
nghiệm là thép hình chữ I cán nóng, có kích thước tiết diện
300 × 150 × 9 × 6, 5mm. Để tăng cường độ cứng cho dầm, các
sườn gia cường với chiều dày t = 10 mm được hàn với bản
bụng và cánh dầm với khoảng bố trí thể hiện trên Hình 2. Phần
thép hình neo vào trong cột là thép cán nóng có tiết diện

150 × 150 × 10 × 7mm . Bản bụng của thép hình được gia cường
bằng một tấm thép có kích thước 110 × 600 × 7mm và 6 đinh
chịu cắt được hàn trực tiếp bố trí dọc hai bên bản bụng của thép
hình neo trong cột.
Thép dọc, D25

3600

Kết cấu khung là dạng được sử dụng rộng rãi nhất trong
các dạng sơ đồ kết cấu nhà cao tầng. Bên cạnh giải pháp truyền
thống khung BTCT thuần túy, việc sử dụng các cấu kiện liên
hợp đang ngày càng được phát triển rộng rãi. Một trong những
giải pháp đáng chú ý của khung liên hợp (gọi tắt là RCS) có cột
là kết cấu bê tông cốt thép (Reinforced concrete - RC) và dầm
là kết cấu thép (steel - S). Khung RCS có nhiều ưu điểm về khả
năng chịu lực, thẩm mĩ cũng như kinh tế [1], [2]. Vị trí nút giao
giữa dầm và cột trong sơ đồ kết cấu khung có ứng xử rất phức
tạp. Vì vậy, các nghiên cứu về kết cấu khung RCS cũng hầu hết
tập trung vào nghiên cứu ứng xử của nút. Do có nhiều ưu điểm
nên dạng kết cấu này đã có nhiều nghiên cứu ở Mỹ và Nhật
Bản. Các nghiên cứu trước đây đã đưa ra một số dạng cấu tạo
cho nút khung RCS [3]. Tuy nhiên các giải pháp cấu tạo đã
được đưa ra hầu hết các chi tiết liên kết tập trung tại vùng nút.
Trong khi đó, sự phá hoại của kết cấu khung thường là do phá

1150

1. Giới thiệu

A

A

B

B

Đinh chịu cắt,
D16

Thép đai, D10

Thép hình
Mặt cắt C-C

D

1300

Bài báo trình bày về nghiên cứu thực nghiệm đối với nút
khung biên liên hợp liên kết giữa dầm thép với cột bê tông cốt
thép (BTCT). Một mô hình mẫu tỉ lệ 1/1 được tiến hành thí
nghiệm chịu tải trọng lặp trên hệ thống tường phản lực tại
Trường Đại học Giao thông vận tải. Cấu tạo nút khung gồm
một đoạn thép hình đặt trong cột BTCT và hàn với dầm thép
được thiết kế dựa theo các Tiêu chuẩn Eurocode 3, Eurocode 4.
Chi tiết về kết quả thí nghiệm được trình bày cụ thể giúp hiểu
hơn về ứng xử của nút khung liên hợp chịu tải trọng lặp trên
các phương diện khác nhau.

hoại nút khung. Việc các chi tiết liên kết tập trung tại vùng nút
sẽ gây ra ứng xử tại đây phức tạp hơn. Vấn đề phá hoại tập
trung tại nút khung ở các giải pháp trên chưa giải quyết được
triệt để.

C

C

D

Dầm thép
I300x150x6.5x9

Mặt cắt D-D

Cột BTCT
400x400

1150

TÓM TẮT

Mặt cắt B-B
400

Mặt cắt A-A

1900

Hình 1 Cấu tạo mẫu thí nghiệm
Trang 1


150 150

450

300

150 150

Sườn gia cường, t10

400

400

600

250

Đinh chịu cắt, D16

Tấm gia cường, t7
110x600x7

Dầm thép
I300x150x6.5x9

250

Đoạn neo thép hình
I150x150x10x7

Hình 2 Chi tiết cấu tạo phần thép hình

Hình 4 Các vị trí gắn đầu đo biến dạng
9D10,a100

10D10,a70

10D10,a70

9D10,a100

3D16,a80

Hình 3 Cấu tạo cốt đai trong cột BTCT
2.2 Vật liệu được sử dụng trong thí nghiệm
Cốt thép dọc của cột đường kính 25mm và cốt thép đai
trong vùng nút đường kính 16mm thuộc cấp độ bền AIII theo
quy định của Tiêu chuẩn Việt Nam, với cường độ chịu kéo tiêu
chuẩn Rsn = 390 MPa . Cốt thép đai cột đường kính 10mm
thuộc cấp độ bền AII theo Tiêu chuẩn Việt Nam, với cường độ
chịu kéo tiêu chuẩn Rsn = 295 MPa . Thép hình cán nóng được
sử dụng làm dầm và phần neo trong cột là loại thuộc Mác
CCT34 với cường độ giới hạn kẻo chảy là 280MPa và cường
độ kéo đứt là 435MPa . Đinh chịu cắt (chốt hàn) được sử dụng
có đường kính 16mm.

2.4 Sơ đồ thí nghiệm
Hình 5 thể hiện sơ đồ tính của mẫu thí nghiệm. Trong
đó, chân cột được đỡ bằng gối cố định; đầu mút dầm được đỡ
bằng gối di động ngăn cản chuyển vị theo phương thẳng đứng;
tải trọng ngang tác dụng dưới dạng đổi chiều (tải trọng lặp)
được đặt ở đỉnh cột. Để thực hiện được điều này, các cơ cấu
được mô tả chi tiết trên Hình 6. Trong đó, chân cột được đỡ
bằng cơ cấu ngăn cản chuyển vị theo ba phương x, y, z nhưng
cho phép chuyển vị xoay không giới hạn quanh trục vuông góc
với mặt phẳng khung. Một thanh có độ cứng lớn nối giữa khớp
xoay tại dầm và gối cố định ở mặt sàn cho phép mô phỏng lại
gối di động đỡ dầm như ở sơ đồ tính ở Hình 5.

Bê tông được sử dụng để chế tạo mẫu là bê tông thường
cấp độ bền chịu nén B30. Độ sụt của hỗn hợp vữa bê tông là
75 ± 25mm . Cường độ chịu nén trung bình của mẫu thử lăng
trụ tại ngày thí nghiệm là 32MPa .
2.3 Các thiết bị đo
Thiết bị đo lực
Lực tác dụng là một trong những giá trị quan trọng cần
được thu thập trong thí nghiệm. Giá trị này được lấy trực tiếp
từ loadcell có sẵn ở đầu kích.

Tường phản lực

Dầm thép
I300x150x6.5x9

Khớp xoay

Cột BTCT
400x400mm

Thiết bị đo biến dạng trong cốt thép

Vết nứt xuất hiện trên mẫu thí nghiệm được quan sát
bằng mắt thường và đánh dấu bằng bút.

Gối cố định
140

Để kiểm tra biến dạng của cốt thép trong quá trình thí
nghiệm, các cảm biến điện trở được dán vào các thanh cốt thép
dọc, cốt thép đai và thép hình tại các vị trí được dự đoán có
biến dạng lớn (Hình 4).

1680

Đoạn neo thép hình
I150x150x10x7

3340

Một cặp đầu đo chuyển vị LVDT cũng được đặt tại vị
trí nút để đo biến dạng xoay và biến dạng cắt của nút (Hình
12a). Đồng thời, một đồng hồ đo biến dạng xoay cũng được đặt
ở mặt trên của dầm nhằm theo dõi góc xoay giữa dầm và thân
cột.

Kích thủy lực
1000kN

1660

Ngoài thu thập dữ liệu chuyển vị đỉnh cột thông qua
quãng đường đi của kích, để có thêm dữ liệu so sánh cũng như
kiểm soát được các chuyển vị tương đối, 3 đầu đo chuyển vị
LVDT với độ dài đo 0 – 200 mm được bố trí thêm tại 3 vị trí là
chân cột, giữa cột và 2/3 chiều cao cột.

3200

Thiết bị đo chuyển vị

Hình 5 Sơ đồ tính của mẫu thí nghiệm

1850
Gối cố định

Hình 6 Sơ đồ bố trí thí nghiệm
Trang 2


Tại độ lệch tầng 0,85%, xuất hiện thêm vết nứt từ mép cánh
dầm chạy ngang ra mép cột (Hình 10a). Tăng đến độ lệch tầng
1%, xuất hiện vết nứt ngang do uốn trên thân cột về phía đối
diện với mặt đặt dầm (mặt lưng cột) tại khoảng 1/3 chiều cao
cột (Hình 10b).

Hình 7 Sơ đồ bố trí thí nghiệm thực tế

a.

b.

Hình 10 Hình ảnh vết nứt trên mẫu thí nghiệm ở DR 1%
Đến độ lệch tầng 1,5% xuất hiện thêm vết nứt xiên tại nút,
vết nứt này vuông góc với vết nứt xiên đã xuất hiện tại độ lệch
tầng 0,75% (Hình 11a). Ngoài ra xuất hiện thêm một số vết nứt
dọc và ngang thân cột ở khu vực nút giao giữa cột với dầm. Ở
mặt lưng cột cũng xuất hiện thêm vết nứt ngang cột tại khu vực
gần với vết nứt ngang đã xuất hiện trên lưng cột ở độ lệch tầng
1% (Hình 11b).

Hình 8 Lịch sử gia tải trọng ngang
Tải trọng ngang đổi chiều tác dụng lên mô hình thí nghiệm
được sinh ra từ kích thủy lực loại 1000kN , với một đầu gắn
vào tường phản lực và một đầu gắn với đỉnh cột. Lịch sử các
vòng lặp tác dụng theo chu kỳ sử dụng trong thí nghiệm được
thể hiện trên Hình 8 với tổng số 22 vòng lặp tác dụng vào mẫu
thí nghiệm. Dải độ lệch tầng được tăng dần từ 0,1% đến 2,34%
tương đương với chuyển vị đỉnh cột từ 3, 8mm đến 74, 8mm .
3. Kết quả
3.1 Quá trình hình thành vết nứt
Mẫu thí nghiệm được gia tải đến độ lệch tầng 0,75% thì
vết nứt đầu tiên xuất hiện, vết nứt này là vết nứt xiên và nằm
trong vùng nút giao giữa dầm và cột (Hình 9).

Hình 9 Hình ảnh vết nứt trên mẫu thí nghiệm ở DR 0,75%

a.

b.

Hình 11 Hình ảnh vết nứt trên mẫu thí nghiệm ở DR 1,5%
Hình 12 Thể hiện vết nứt trên mẫu thí nghiệm tại độ lệch
tầng 1,9% tương ứng với chuyển vị đỉnh cột 61,2mm. Lực cắt
lớn nhất cũng đạt được ở mẫu thí nghiệm tại độ lệch tầng này.
Ở độ lệch tầng này, trên mặt hông của cột tại khu vực nút
không xuất hiện thêm vết nứt mới so với các độ lệch tầng trước
đó mà chỉ xu hướng mở rộng khe nứt (Hình 12d). Ngược lại
với vết nứt ở khu vực nút, ở tất cả các mặt vùng giữa cột có
xuất hiện thêm nhiều vết nứt ngang do uốn (Hình 12c, d). Khu
vực tiếp giáp giữa dầm thép và cột bê tông xuất hiện các vết
nứt xiên hoặc thẳng xuất phát từ mặt dầm thép. Nguyên nhân
xuất hiện các vết nứt thẳng là do mặt cánh của dầm ép vào
phần bê tông cột gây ra hiện tượng nở ngang. Đối với các vết
nứt nghiêng là phản ánh hình ảnh của các vùng bê tông chịu
lực nén cục bộ ngay dưới mặt cánh dầm (Hình 12a, b). Hình
dạng các vết nứt xuất hiện trên mẫu thí nghiệm cũng phù hợp
với sơ đồ thanh chống- giằng đã được giả thiết trong các tính
toán về sự làm việc của nút [4].
Trang 3


a.

b.

a.

b.

Hình 14 Hình ảnh vết nứt trên mẫu thí nghiệm ở DR 2,34%
Mô hình thí nghiệm được thiết kế theo tiêu chí cột yếu dầm
khỏe nên trong suốt quá trình thí nghiệm sự làm việc của dầm
thép vẫn nằm trong giới hạn đàn hồi. Ổn định cục bộ của các
bản bụng, bản cánh và sườn vẫn được đảm bảo như thiết kế
ban đầu.
3.2 Quan hệ lực cắt- chuyển vị ngang của mô hình thí
nghiệm

c.

d.
Hình 12 Hình ảnh vết nứt trên mẫu thí nghiệm ở DR 1,9%

Quan hệ lực cắt (chân cột)- chuyển vị ngang (đỉnh cột) của
mô hình thí nghiệm được thể hiện ở Hình 15. Lực cắt lớn nhất
đạt được ở trụ là 83,92kN tại độ lệch tầng 61,2mm (1,9%). Mô
hình thí nghiệm bị suy giảm 15% khả năng chịu lực tại độ lệch
tầng 71,4 (2,23%) và bị suy giảm tới 36% khả năng chịu lực tại
độ lệch tầng 74,8 (2,34%). Tại độ lệch tầng 2,34% phần bê
tông vỏ phía trên dầm thép bị ép vỡ, đây cũng là nguyên nhân
khiến mô hình thí nghiệm giảm tới 36% khả năng chịu lực ở độ
lệch tầng này.

Tại độ lệch tầng 2,34%, các vết nứt dọc cột gần phần dầm
kéo dài ra phía mút của thép hình trong cột, các vết nứt này nối
với các vết nứt xiên xuất hiện từ mép dầm thép, hình thành các
mảng vỏ bê tông bị ép vỡ (Hình 13a, b). Cũng tại độ lệch tầng
này, các vết nứt ngang trên thân cột ở bốn mặt nối lại với nhau
ở các mép giống hình ảnh của các mặt cắt ngang cắt qua thân
cột. Theo quan sát, các vết nứt ngang xuất hiện nhiều ở phần
cột dưới dầm trong khi đó phần bê tông bị ép vỡ nằm ở phía
trên của dầm (Hình 14a, b).

Hình 15 Quan hệ lực cắt- chuyển vị ngang
3.3 Biến dạng của cốt thép

a.

b.
Hình 13 Hình ảnh vết nứt trên mẫu thí nghiệm ở DR 2,34%

Các giá trị biến dạng của cốt thép được thu thập thông qua
các cảm biến điện trở gắn vào cốt thép của mô hình thí nghiệm
theo sơ đồ trên Hình 4. Theo đó, phần thép hình đặt trong cột
và thép dọc của cột vẫn đang làm việc trong giới hạn đàn hồi.
Biến dạng lớn nhất trên cốt thép dọc đạt tại vị trí đặt BDIII,
điều này có thể được giải thích do ảnh hưởng độ cứng của phần
thép hình đặt trong cột. Với cốt đai, hiện tượng chảy dẻo xuất
hiện ở các cốt đai đặt BD5 và BD6 tại độ lệch tầng 1,5%, điều
này khá phù hợp với sơ đồ tính theo [4].
Trang 4


4. Kết luận
Bài báo này đã mô tả chi tiết ứng xử của dạng nút khung
mới theo kết quả thực nghiệm. Các kết quả thực nghiệm mẫu
với tỉ lệ 1/1 lần đầu tiên được tiến hành tại Việt Nam cho thấy
đây là một giải pháp đáng chú ý về cấu tạo vì đem lại nhiều ưu
điểm, cụ thể:
Với các dạng nút khung BTCT thông thường hoặc các dạng
nút khung liên hợp dầm thép – cột BTCT đã được nghiên cứu
trước đây, hình dạng phá hoại các nút khung tập trung chủ yếu
tại vùng giao giữa dầm và cột. Ngược lại, với cách thức cấu tạo
như nút khung trong nghiên cứu này, hình ảnh phá hoại nút đã
không còn tập trung tại nút mà được phân tán ra cả các vùng
xung quanh. Điều này thể hiện thông qua hình ảnh vết nứt xuất
hiện trên mẫu thí nghiệm không còn tập trung ở vùng nút mà
phân tán ra cả vùng cột phía trên và dưới dầm trong khu vực
đặt đoạn thép hình neo. Việc này giúp cấu tạo nút khung đơn
giản hơn, tránh tập trung hàm lượng lớn cốt thép tại nút. Đồng
thời kiểm soát tốt hơn sự làm việc của nút do sự phá hoại của
nút đã có xu hướng chuyển ra phía ngoài cột. Với dạng cấu tạo
mới, vết nứt đầu tiên xuất hiện tại độ lệch tầng 0,75% trong khi
thông thường các dạng nút khung xuất hiện vết nứt tại độ lệch
tầng 0,5%, đây cũng là minh chứng cho khả năng làm việc hiệu
quả của dạng nút được đề xuất trong bài báo.
Mô hình thí nghiệm trong nghiên cứu đang được thiết kế
với tiêu chí cột yếu dầm khỏe nhằm mục tiêu xem xét hình ảnh
phá hoại của cột BTCT từ đó có biện pháp cấu tạo phù hợp với
yêu cầu chịu lực. Vì vậy việc đánh giá về độ dẻo, khả năng tiêu
hao năng lượng và suy giảm độ cứng chưa được xem xét tới
trong bài báo này.

Tài liệu tham khảo
1.

2.

3.

4.

5.

6.
7.

Griffis, L.G. (1986), Some design consideration for
composite-frame structure, Engineering Journal 23 Issue
2, 59-64.
Sheikh, T.M., Yura, J.A., and Jirsa, J.O. (1987), Moment
Conections between Steel Beam and Concerete Columns,
PMFSEL Report No. 87-4, University of Texas at Austin,
Austin, Tex.
Deierlein, D.D., Noguchi, H. (2004), Overview of U.S. –
Japan reseach on seismiec design of composite reinforced
concrete and steel moment frame, Journal of Structure
Engineering, ASCE 130 Issue 2, 361-367.
Nguyễn Huy Cường, Nguyễn Quang Huy, Nguyễn Xuân
Huy (2014), Nghiên cứu ứng xử của nút khung liên hợp
thép – bê tông cốt thép, Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ
học Kỹ thuật toàn quốc 4/2014, Tập 2, Tr. 97-102.
EN1992-1-1 (2004), Design of concrete structures-Part 1:
General rules and rules for buildings, European
Committee for Standardization.
EN1993-1-8 (2005), Design of steel structures-Part 1.8:
Design of joint, European Committee for Standardization.
EN1994-1-1 (2004), Design of composite steel and
concrete structures-Part 1.1: General rules and rules for
buildings, European Committee for Standardization.

Trang 5



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×