ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THÀNH NHÂN

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT CỘT ỐNG
THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG
BÊ TÔNG CỐT THÉP

Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công nghiệp
Mã số
: 60.58.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG
VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. ĐÀO NGỌC THẾ LỰC

Phản biện 1: PGS. TS. Phạm Thanh Tùng

Phản biện 2: TS. Lê Anh Tuấn

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng công trình Dân dụng và Công

thi công xây dựng công trình, đặc biệt loại cột này sẽ phát huy hiệu quả
trong thi công tầng hầm bằng phương pháp top – down. Do đó kết cấu
cột ống thép nhồi bê tông là giải pháp thích hợp cho việc thay thế cột bê
tông cốt thép truyền thống trong kết cấu nhà cao tầng.
Từ phân tích trên xét thấy việc kết hợp hai loại kết cấu sàn
phẳng BTCT và cột ống thép nhồi bê tông cho kết cấu nhà cao tầng
sẽ đem lại hiệu quả cao về mặt kinh tế, kỹ thuật. Tuy nhiên vấn đề
lớn nhất khi kết hợp hai loại kết cấu này đấy là liên kết giữa chúng,


2
hiện nay các nghiên cứu chỉ dừng lại ở việc đề xuất liên kết và tiến
hành thí nghiệm đánh giá độ tin cậy của liên kết chứ chưa có những
mô phỏng và phân tích cụ thể về ứng xử của liên kết (trạng thái ứng
suất và cơ chế phá hoại), mức độ ảnh hưởng các chi tiết cấu tạo đến
sự làm việc của liên kết. Do đó việc mô phỏng liên kết giữa sàn
phẳng BTCT và cột ống thép nhồi bê tông là cần thiết nhằm cung cấp
một cơ sở lý luận chi tiết về ứng xử của liên kết giúp người thiết kế
hiểu rõ bản chất làm việc để cấu tạo chi tiết liên kết hợp lý và đó là lý
do để thực hiện luận văn với đề tài “Mô phỏng ứng xử liên kết cột
ống thép nhồi bê tông với sàn phẳng bê tông cốt thép”
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu tổng quan về cột CFST và sàn phẳng BTCT, liên kết
giữa CFST với sàn phẳng BTCT;
Nghiên cứu mô phỏng liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng
BTCT bằng phần mềm ABAQUS;
So sánh kết quả mô phỏng bằng ABAQUS với thí nghiệm;
Khảo sát sự ảnh hưởng của tấm thép chịu cắt đến sự làm việc
của kết cấu.
3. ối tƣ ng ph m vi nghiên cứu

Chƣơng 2: Mô phỏng sự làm việc của liên kết bằng ABAQUS.
Chƣơng 3: hân tích, đánh giá kết quả mô phỏng.


4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN CỘT CFST, SÀN PHẲNG BTCT VÀ LIÊN KẾT
GIỮA CỘT CFST VỚI SÀN PHẲNG BTCT
1.1. TỔNG QUAN VỀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
1.1.1. Khái niệm về cột ống thép nhồi bê tông
Cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube viết
tắt CFST) là một kết cấu liên hợp bao gồm vỏ ống thép và lõi bê
tông cùng làm việc chung với nhau.
1.1.2. Phân lo i cột ống thép nhồi bê tông
Dạng tiết diện phổ biến nhất của cột CFST là tiết diện mà bê
tông được nhồi vào phần rỗng bên trong ống thép có dạng hình tròn
(Circular Hollow Section - CHS), hay cột có tiết diện rỗng hình
vuông (Square Hollow Section - SHS) hoặc cột có tiết diện rỗng hình
chữ nhật (Rectangular Hollow Section - RHS)
1.1.3. Ƣu điểm,nhƣ c điểm của cột ống thép nhồi bê tông
a) Ưu điểm
ộ bền của lõi bê tông (lớp vỏ thép với chức năng như lớp áo
bọc chặt bên ngoài) đã được tăng khoảng 2 lần so với độ bền của bê
tông thường [1].
Cách sắp xếp vật liệu trên trên mặt cắt ngang làm tối ưu cường
độ và độ cứng của cấu kiện. Cốt thép được phân bố ở chu vi ngoài
cùng của tiết diện nên phát huy hiệu quả làm việc cao nhất khi chịu mô
men uốn. Bê tông tạo một lõi lý tưởng để chống lại tải trọng nén trong
quá trình làm việc, trì hoãn và chống lại sự bất ổn định cục bộ của ống
thép đặc biệt các cấu kiện có tiết diện hình vuông hoặc chữ nhật [2].

phức tạp thêm sự phân tích và thiết kế đối với cấu kiện CFST[2];
Một hạn chế nữa ảnh hưởng đến việc sử dụng rộng rãi loại kết
cấu này đó là cấu tạo liên kết giữa cột CFST và sàn bê tông cốt thép,


6
dầm bê tông cốt thép hay dầm thép. Các ứng xử, cơ chế làm việc,
trạng thái phá hoại liên kết chưa được hiểu rõ do đó gây ra không ít
những khó khăn cho tính toán thiết kế cấu tạo liên kết;
Hiện nay, các hạn chế tồn tại của loại kết cấu CFST tiếp tục
được nghiên cứu để dần dần hoàn thiện các yêu cầu về mặt cấu
tạo, lý thuyết tính toán cũng như nhận thức sâu hơn về ứng xử của
loại kết cấu này.
1.2. TỔNG QUAN CÁC LOẠI SÀN PHẲNG BTCT
1.2.1. Sàn phẳng BTCT thƣờng
Là hệ thống chịu lực theo một hoặc hai phương được kê trực
tiếp lên cột hoặc tường chịu lực. Nó là một trong những dạng kết
cấu sàn phổ biến nhất trong các tòa nhà.

iểm đặc biệt của loại sàn

này là chiều dày không đổi hoặc gần như không đổi tạo ra mặt
phẳng phía dưới của sàn dẫn tới sự đơn giản trong việc làm cốt pha
và thi công. Sàn này cho phép linh hoạt trong việc tạo vách ngăn và
có thể không cần phải sử dụng trần giả.
1.2.2. Sàn phẳng bê tông ứng suất trƣớc
Trong cấu kiện bê tông ứng suất trước, bằng cách đặt vào
một lực nén trước tạo bởi lực kéo cốt thép, nhờ tính đàn hồi, cốt
thép có xu hướng co lại tạo nên lực nén trước và gây ra ứng suất
trước trong bê tông.Ứng suất nén trước trong bê tông sẽ triệt tiêu

NHỒI BÊ TÔNG VỚI SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP
Jin-Won Kim (2014) [5] tiến hành nghiên cứu thực nghiệm
liên kết cột CFST và sàn phẳng BTCT dựa trên các điều khoản thiết
kế của tiêu chuẩn ACI 318-11[6].
Cheol-Ho Lee (2007) [7] đã nghiên cứu cường độ chịu cắt
thủng và ứng xử sau chọc thủng của liên kết giữa cột CFST và sàn
phẳng BTCT.


8
Tại hội nghị thế giới về kĩ thuật động đất lần thứ 13 tại
Vancouver. B.C, Canada, Hiroki Satoh (2004) [8] đã công bố kết quả
về nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu tải của liên kết giữa cột
CFST và sàn phẳng BTCT.
1.4. TỔNG QUAN VỀ MÔ PHỎNG LIÊN KẾT GIỮA CỘT
CFST VỚI SÀN PHẲNG BTCT
P.Y. Yan, Y.C. Wang (2016) [9] đề xuất liên kết giữa cột
CFST và sàn phẳng BTCT, tiến hành thí nghiệm, và xác thực kết quả
thí nghiệm bằng mô phỏng sử dụng phần mềm ABAQUS.
Young K. Ju (2013) [10]dựa trên cơ sở phân tích ưu nhược
điểm các liên kết giữa cột CFST và sàn BTCT mà các tác giả trước
đó đã nghiên cứu và thí nghiệm. Tác giả đã đề xuất một liên kết mới
với tấm thép được hàn vào cột và có chừa các lổ ren để nối với thép
chờ, các thép chờ này được nối ren với cốt thép thường của sàn và
sau đó đổ bê tông. ồng thời tác giả sử dụng phần mềm ANSYS để
phân tích sự làm việc của kết cấu.
Y. Su, Y.Tian (2010) [11] nghiên cứu thực nghiệm liên kết
giữa cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép dưới tác
dụng của tải trọng động và xác thực kết quả thí nghiệm bằng mô
phỏng sử dụng phần mềm DIANA v9.3.

giả [4]đã đề xuất cấu tạo cho liên kết mới gồm: (1) Cột ống thép nhồi
bê tông, (2) Cốt thép sàn neo vào cột, (3) Tấm thép chịu cắt xuyên cột,
(4) Cốt thép đai bọc tấm thép, (5) khoan lỗ sẵn trên mặt cột để neo cốt
thép vào cột.

Hình 2.1. Cấu tạo liên kết giữa cột CFST và sàn phẳng BTCT[4]


11
2.2. MÔ PHỎNG LIÊN KẾT BẰNG ABAQUS
2.2.1. Giới thiệu về phần mềm ABAQUS
2.2.2. Xây dựng mô hìnhcho liên kết
ABAQUS sẽ mô phỏng các bộ phận này dưới dạng các phần tử
phản ánh phù hợp nhất với trạng thái làm việc thực của nó.
Bảng 2.1. Các loại phần tử mô phỏng trong liên kết
Cấu kiện

Phần tử

Kích thước

mô phỏng
2

Sàn bê tông
Cột thép hộp CFST
Lõi Bê tông cột
CFST
Tấm sườn thép


T3D2

Trong ABAQUS mỗi cấu kiện được xây dựng trong hệ tọa độ cục
bộ của nó ( art), độc lập trong mô hình. Chức năng (Assembly) sử
dụng để lắp ghép các cấu kiện rời rạc tạo thành một mô hình hoàn
chỉnh như Hình 2.2.


12

Hình 2.2. Mô phỏng 1/4 liên kết đề xuất giữa cột CFST và sàn phẳng
BTCT [4]
2.2.3. Mô hình vật liệu trong Abaqus
Trong ABAQUS miền đàn hồi của bê tông được khai báo bởi
mô đun đàn hồi E và hệ số Poisson μC cho trong Bảng 2.2.
Bảng 2.2. Thông số miền đàn hồi của bê tông
odule đàn hồi

Hệ số Possion

Cường độ chịu nén

E (Mpa)



fc' (MPa)

21.564


μ

13

0

Ngoài miền đàn hồi trạng thái làm việc của bê tông được mô tả qua
đường cong quan hệ giữa ứng suất và biến dạng, phá hoại và biến
dạng cho vùng kéo, nén. Các đường cong này được xây dựng dựa
vào lý thuyết của B. Alfarah (2017) [12] như Hình 2.3, Hình 2.4.

a) Mối quan hệ ứng suất – biến dạng
b) Mối quan hệ phá hoại – biến dạng
Hình 2.3. Các đường cong quan hệ bê tông vùng chịu kéo

a) Mối quan hệ ứng suất – biến dạng
b) Mối quan hệ phá hoại – biến dạng
Hình 2.4. Các đường cong quan hệ bê tông vùng chịu nén
Vật liệu thép sử dụng là mô hình đàn hồi - dẻo để mô tả ứng xử,
mô đun đàn hồi của thép là Es= 2,1.105 MPa, hệ số Poisson là 0,3. Ống
thép và tấm thép chịu cắt chọn thép có cường độ giới hạn chảy tương


14
ứng là fy = 220 MPa. Thép dọc chịu lực và cốt thép đai trong dầm có
cường độ giới hạn chảy tương ứng là fy = 350 MPa.
Trong mô phỏng, để kết cấu làm việc đồng thời, các bộ phận
của kết cấu phải liên kết với nhau. Có nhiều hình thức liên kết được
ABAQUS cung cấp như tương tác bề mặt (Contact Surface to
surface), liên kết nhúng (Embedded element), liên kết ràng buộc

Embedded element

Sàn BTCT

Cốt đai Ø10

Embedded element

Sàn BTCT

ể có được kết quả đạt độ chính xác cao, việc chia nhỏ phần tử
là cần thiết. Do liên kết được tạo nên bởi các phần tử khác nhau nên
kích thước phần tử được lấy sao cho phù hợp nhất để kết quả phân
tích được hợp lý và không làm tốn nhiều tài nguyên máy tính.
Bảng 2.5. Kích thước chia nhỏ phần tử
Kích

Sàn

Cột

Lõi

Cốt

Cốt

Tấm

thước


30

100


15
2.2.4. Gán điều kiện biên cho kết cấu
Sau khi chia lưới, tiến hành điều kiện biên và gán tải trọng
cho mô hình. Trong mô hình này, gán điều kiện biên là tựa khớp
xung quanh chu vi sàn. Tải trọng được áp dụng theo phương pháp
gia tải bằng cách tăng dần chuyển vị tại chân cột như Hình 2.6.
(Khống chế chuyển vị
theo phương đứng U3=0)

( ối xứng hệ kết cấu qua trục
X XSYMM (U1=UR2=UR3=0)

( ối xứng hệ kết cấu qua trục Y
YSYMM (U1=UR2=UR3=0)

Hình 2.6. Điều kiện biên, điều kiện chuyển vị cho kết cấu
2.3. TRÌNH TỰ THỰC HIỆN CÁC BƢỚC MÔ PHỎNG
TRONG ABAQUS
2.3.1. Xây dựng cấu kiện
2.3.2. ịnh nghĩa vật liệu và thuộc tính mặt cắt
2.3.3. ịnh nghĩa thuộc tính mặt cắt
2.3.4. ịnh nghĩa lắp ghép cấu kiện
2.3.5. Thiết lập bƣớc phân tích
2.3.6. ịnh nghĩa tải trọng và điều kiện biên

ồ thị Hình 3.6 cho thấy mối quan hệ giữa tải trọng - chuyển
vị theo thí nghiệm và mô phỏng ABAQUS có sự tương đồng.


18
3.1.3. ánh giá ứng xử bề mặt sàn từ mơ hình ABAQUS và
thực nghiệm
Bảng 3.1. So sánh phản ứng bề mặt sàn từ mơ hình ABAQUS và
thực nghiệm

Cấp tải

Mơ hình ABAQUS

Mơ hình thí nghiệm

140 kN

300

Vùng BT
bò phá hoại

3/4(L v-0,5C1 )=350
d/2=150

3/4(L v-0,5C1 )=350
d/2=150

hs =180

cấp tải
Cấp
tải
268
kN

Góc trực diện
(1/4 mô hình)

Góc xiên 450
(1/4 mô hình)

Bề mặt sàn


20

302
kN

342
kN

382
kN

412
kN

452

160
15 × 100
180 (1hs)
Mẫu 2

180

160

15 × 100

360 (2hs)

Mẫu 3

180

160

15 × 100

540 (3hs)

Thực hiện phân tích các mẫu đề xuất theo chiều dài cánh tay
vươn, được kết quả ứng xử trong từng mẫu như Bảng 3.5


22
Bảng 3.5. Trạng thái ứng suất trên các mặt cắt cho từng mẫu
khảo sát

Trong chương này đã thực hiện các nội dung sau:
- Mô tả cấu tạo của liên kết trong nghiên cứu thực nghiệm
của tác giả [4];
- Thực hiện so sánh kết quả giữa mô phỏng và thí nghiệm
trên các khía cạnh về: quan hệ tải trọng - chuyển vị của sàn,
trạng thái ứng suất và biến dạng của tấm thép chịu cắt, trạng thái
ứng xử bề mặt sàn qua các cấp tải trọng cho kết quả phân tích và
thí nghiệm có sự phù hợp;
- Thực hiện phân tích sự hình thành và phát triển của tháp chọc
thủng theo các cấp tải trọng. Với mô hình mô phỏng ABAQUS, dễ
dàng quan sát và hiểu rõ được phản ứng của liên kết qua từng giai
đoạn mà thí nghiệm không thể thực hiện được;
- Thực hiện khảo sát ảnh hưởng chiều dài của tấm thép chịu cắt
với các kích thước 1hs, 2hs , 3hs, kết quả cho thấy với chiều tăng của tấm
thép chịu cắt thì khả năng chịu cắt thủng tăng lên và phù hợp với kết quả
nghiên cứu thực nghiệm trước đó và tiêu chuẩn ACI 318-11 [6].