Hành vi của dầm composite thép-bê tông sử dụng bê tông siêu cao cấp

Luận án tiến sĩ phân tích behaviour of steel concrete composite beams made of ultra high performance concrete, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng góp tri thức

• Tác giả: Bui Duc Vinh
• Người hướng dẫn: Prof. Immanuel Wojan
• Trường học: University of Leipzig
• Chuyên ngành: Civil Engineering
• Đề tài: Nghiên cứu hành vi của dầm composite thép-bê tông sử dụng bê tông siêu cao cấp
• Loại tài liệu: dissertation
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Leipzig

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên cứu Dầm Composite Thép Bê Tông UHPC

Dầm composite thép-bê tông là một giải pháp kết cấu hiệu quả, kết hợp ưu điểm của cả hai vật liệu: thép chịu kéo tốt và bê tông chịu nén tốt. Việc sử dụng bê tông siêu cao cấp (UHPC) trong dầm composite mang lại nhiều lợi ích tiềm năng, bao gồm tăng cường khả năng chịu tải, độ bền và độ cứng của kết cấu. Nghiên cứu về hành vi của dầm composite thép-bê tông sử dụng UHPC đang ngày càng trở nên quan trọng, đặc biệt khi các công trình xây dựng đòi hỏi các giải pháp kết cấu vượt trội về hiệu suất và tuổi thọ. Kết cấu composite này cho phép tối ưu hóa việc sử dụng vật liệu, giảm thiểu trọng lượng và tăng khẩu độ nhịp. Theo tài liệu nghiên cứu, UHPC với cường độ nén cao và khả năng chịu kéo sau nứt giúp cải thiện đáng kể độ bền dầm composite. Các thử nghiệm thực nghiệm đóng vai trò then chốt trong việc xác định hành vi kết cấu của dầm composite UHPC, đồng thời cung cấp dữ liệu để hiệu chỉnh các mô hình số.

1.1. Ưu điểm và nhược điểm của Bê Tông Siêu Cao Cấp UHPC

UHPC mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như cường độ nén cao, độ bền kéo cao, và khả năng kháng nứt tốt. Điều này giúp tăng cường đáng kể hiệu suất của dầm composite. Tuy nhiên, UHPC cũng có một số nhược điểm, bao gồm giá thành cao và yêu cầu kỹ thuật thi công khắt khe hơn so với bê tông thường. Nghiên cứu cần xem xét các yếu tố này để đánh giá hiệu quả kinh tế của việc sử dụng UHPC. Việc sử dụng sợi thép trong UHPC còn giúp tăng cường độ dẻo và khả năng chịu tải sau nứt của vật liệu.

1.2. Tầm quan trọng của liên kết giữa thép và bê tông trong dầm composite

Sự liên kết hiệu quả giữa thép và bê tông là yếu tố then chốt để đảm bảo hành vi composite của dầm. Các biện pháp liên kết giữa thép và bê tông như sử dụng neo, bulong, hoặc bề mặt nhám giúp truyền lực cắt giữa hai vật liệu. Nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế liên kết để đạt được khả năng chịu tải tối đa của dầm. Khả năng chịu tải của dầm composite phụ thuộc rất lớn vào sự làm việc đồng bộ của thép và bê tông, điều này được đảm bảo bởi liên kết hiệu quả.

II. Thách Thức Độ Võng và Ứng Suất trong Dầm Composite

Một trong những thách thức chính trong thiết kế dầm composite là kiểm soát độ võng và ứng suất trong các cấu kiện. Sử dụng UHPC có thể giúp giảm độ võng do cường độ và mô đun đàn hồi cao hơn so với bê tông thường. Tuy nhiên, cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng sự phân bố ứng suất trong dầm composite UHPC để đảm bảo an toàn và tuổi thọ của kết cấu. Ảnh hưởng của tải trọng động cũng là một yếu tố cần được xem xét, đặc biệt trong các công trình chịu tải trọng thay đổi hoặc rung động lớn. Phân tích chính xác ứng suất trong dầm composite giúp đánh giá khả năng chịu tải và độ bền của kết cấu, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế tối ưu.

2.1. Phân tích ảnh hưởng của tải trọng tĩnh và tải trọng động

Tải trọng tĩnh và tải trọng động có ảnh hưởng khác nhau đến hành vi của dầm composite. Tải trọng tĩnh gây ra ứng suất và biến dạng tĩnh, trong khi tải trọng động có thể gây ra hiện tượng mỏi và phá hoại do cộng hưởng. Nghiên cứu cần phân tích cả hai loại tải trọng để đánh giá đầy đủ hiệu suất của dầm composite UHPC. Ảnh hưởng của tải trọng động lên dầm composite cần được xem xét trong thiết kế để đảm bảo an toàn và tuổi thọ của công trình.

2.2. Kiểm soát độ võng và hạn chế nứt trong dầm composite UHPC

Độ võng quá mức và sự hình thành vết nứt có thể ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ và khả năng sử dụng của công trình. UHPC có khả năng chống nứt tốt hơn so với bê tông thường, nhưng vẫn cần phải có các biện pháp kiểm soát độ võng và hạn chế sự phát triển của vết nứt. Sử dụng cốt thép hợp lý và tăng cường liên kết giữa thép và bê tông có thể giúp giảm độ võng và hạn chế nứt. Crack pattern dầm composite cần được nghiên cứu để hiểu rõ cơ chế phá hoại và đưa ra các giải pháp gia cường phù hợp.

III. Giải Pháp Mô Hình Hóa và Phân Tích Số Dầm Composite UHPC

Mô hình hóa và phân tích số đóng vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu hành vi của dầm composite UHPC. Các phần mềm mô phỏng dầm composite như ANSYS và ABAQUS cho phép các kỹ sư dự đoán độ võng, ứng suất và khả năng chịu tải của kết cấu. Mô hình số dầm composite cần được hiệu chỉnh bằng dữ liệu thực nghiệm để đảm bảo tính chính xác. Phân tích số cũng giúp đánh giá ảnh hưởng của các thông số thiết kế khác nhau đến hiệu suất của dầm, từ đó tối ưu hóa thiết kế kết cấu. Việc lựa chọn vật liệu composite phù hợp và mô hình hóa chính xác các đặc tính của vật liệu này là rất quan trọng để có được kết quả phân tích đáng tin cậy.

3.1. Sử dụng phần mềm ANSYS và ABAQUS để mô phỏng dầm composite

ANSYS và ABAQUS là hai phần mềm phân tích phần tử hữu hạn phổ biến được sử dụng để mô phỏng hành vi của dầm composite. Cả hai phần mềm đều cung cấp các công cụ mạnh mẽ để mô hình hóa vật liệu, áp đặt tải trọng và điều kiện biên, và phân tích kết quả. Việc lựa chọn phần mềm phù hợp phụ thuộc vào độ phức tạp của bài toán và kinh nghiệm của người sử dụng. Phần mềm mô phỏng dầm composite cần có khả năng mô hình hóa chính xác các đặc tính vật liệu và tương tác giữa các thành phần.

3.2. Hiệu chỉnh mô hình số bằng dữ liệu thực nghiệm

Để đảm bảo tính chính xác của mô hình số, cần phải hiệu chỉnh mô hình bằng dữ liệu thực nghiệm. Dữ liệu thực nghiệm có thể thu được từ các thử nghiệm uốn, thử nghiệm kéo, hoặc thử nghiệm cắt. Việc so sánh kết quả phân tích số với kết quả thực nghiệm giúp xác định các sai số và điều chỉnh các thông số của mô hình để đạt được độ chính xác cao nhất. Quá trình hiệu chỉnh đảm bảo rằng mô hình số dầm composite phản ánh đúng hành vi thực tế của kết cấu.

IV. Nghiên Cứu Thực Nghiệm về Dầm Composite Thép UHPC Chịu Uốn

Các nghiên cứu thực nghiệm dầm composite chịu uốn đóng vai trò then chốt trong việc xác định hành vi kết cấu và khả năng chịu tải của dầm. Các thử nghiệm thường được thực hiện để đo độ võng, ứng suất, biến dạng và sự phát triển của vết nứt dưới các mức tải trọng khác nhau. Dữ liệu thực nghiệm được sử dụng để xác nhận các mô hình số và để phát triển các công thức thiết kế. Nghiên cứu thực nghiệm dầm composite cung cấp thông tin quan trọng về cơ chế phá hoại và khả năng làm việc thực tế của kết cấu. Các thí nghiệm Push-Out cũng được sử dụng để đánh giá khả năng chịu cắt của liên kết thép-bê tông.

4.1. Thử nghiệm uốn để xác định khả năng chịu tải và độ võng

Thử nghiệm uốn là một phương pháp phổ biến để đánh giá khả năng chịu tải và độ võng của dầm composite. Trong thử nghiệm này, dầm được đặt lên hai gối đỡ và chịu tải trọng tăng dần cho đến khi phá hoại. Độ võng và ứng suất được đo tại các vị trí khác nhau trên dầm. Dữ liệu từ thử nghiệm uốn được sử dụng để xác định moment kháng uốn dầm composite và các đặc tính kết cấu quan trọng khác.

4.2. Đo biến dạng và sự phát triển của vết nứt trong quá trình thử nghiệm

Việc đo biến dạng và sự phát triển của vết nứt trong quá trình thử nghiệm cung cấp thông tin quan trọng về cơ chế phá hoại của dầm composite. Các thiết bị đo biến dạng như strain gauge và LVDT được sử dụng để đo biến dạng tại các vị trí khác nhau trên dầm. Sự phát triển của vết nứt được quan sát bằng mắt thường hoặc sử dụng các thiết bị đo vết nứt. Thông tin này giúp hiểu rõ hơn về sự phân bố ứng suất và cơ chế phá hoại của dầm composite UHPC. Biến dạng dầm composite cho thấy khả năng làm việc của kết cấu dưới tải trọng và sự phân bố ứng suất bên trong.

V. Ứng Dụng Giải Pháp Kết Cấu Composite UHPC trong Xây Dựng

Dầm composite thép-UHPC có nhiều ứng dụng tiềm năng trong xây dựng, bao gồm cầu, nhà cao tầng, và các công trình công nghiệp. Sử dụng UHPC giúp tăng khẩu độ nhịp, giảm trọng lượng kết cấu, và tăng độ bền. Ứng dụng của dầm composite UHPC có thể mang lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao hơn so với các giải pháp kết cấu truyền thống. Tuy nhiên, cần phải xem xét các yếu tố như chi phí vật liệu, kỹ thuật thi công và yêu cầu bảo trì để đảm bảo tính khả thi của dự án. Hiệu quả kinh tế của dầm composite UHPC cần được so sánh với các giải pháp khác để đưa ra quyết định tối ưu.

5.1. Các dự án cầu sử dụng dầm composite thép UHPC

Dầm composite thép-UHPC đã được sử dụng trong một số dự án cầu trên thế giới, cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn của giải pháp này. UHPC giúp tăng khẩu độ nhịp, giảm trọng lượng kết cấu, và tăng độ bền của cầu. Các dự án này chứng minh rằng dầm composite thép-UHPC có thể là một giải pháp hiệu quả cho các công trình cầu vượt khẩu độ lớn. Ứng dụng của dầm composite UHPC trong xây dựng cầu giúp giảm chi phí xây dựng và bảo trì, đồng thời tăng tuổi thọ của công trình.

5.2. Ứng dụng trong nhà cao tầng và các công trình công nghiệp

Dầm composite thép-UHPC cũng có thể được sử dụng trong nhà cao tầng và các công trình công nghiệp để giảm trọng lượng kết cấu và tăng độ bền. UHPC giúp giảm kích thước cột và dầm, từ đó tăng không gian sử dụng. Các công trình này cho thấy rằng dầm composite thép-UHPC có thể là một giải pháp hiệu quả cho các công trình đòi hỏi độ bền và khả năng chịu tải cao. Độ bền lâu dài của dầm composite UHPC là một yếu tố quan trọng khi xem xét ứng dụng trong các công trình nhà cao tầng và công nghiệp.

VI. Kết Luận Tương Lai của Nghiên Cứu Dầm Composite UHPC

Nghiên cứu về dầm composite thép-UHPC vẫn còn nhiều hướng phát triển tiềm năng. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế liên kết, phát triển các mô hình vật liệu UHPC chính xác hơn, và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến độ bền của kết cấu. Tương lai của dầm composite UHPC hứa hẹn nhiều tiến bộ trong lĩnh vực xây dựng, đặc biệt là trong các công trình đòi hỏi hiệu suất cao và tuổi thọ lâu dài. Việc nghiên cứu tiêu chuẩn thiết kế dầm composite cũng rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả của kết cấu.

6.1. Các hướng nghiên cứu về độ bền lâu dài và khả năng chống ăn mòn

Độ bền lâu dài và khả năng chống ăn mòn là những yếu tố quan trọng cần được nghiên cứu kỹ lưỡng. UHPC có khả năng chống ăn mòn tốt hơn so với bê tông thường, nhưng vẫn cần phải đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố môi trường khắc nghiệt như muối biển và hóa chất công nghiệp. Nghiên cứu về các biện pháp bảo vệ kết cấu cũng rất quan trọng để đảm bảo tuổi thọ của công trình. Độ bền lâu dài của dầm composite UHPC cần được nghiên cứu để đảm bảo tính an toàn và hiệu quả của công trình trong suốt vòng đời sử dụng.

6.2. Phát triển các mô hình thiết kế dầm composite UHPC tiên tiến

Phát triển các mô hình thiết kế dầm composite UHPC tiên tiến là một hướng nghiên cứu quan trọng. Các mô hình này cần phải tính đến các đặc tính độc đáo của UHPC, như cường độ cao, độ bền kéo sau nứt, và khả năng chống ăn mòn. Việc tích hợp các mô hình này vào các tiêu chuẩn thiết kế sẽ giúp các kỹ sư thiết kế các kết cấu dầm composite UHPC an toàn và hiệu quả. Phương pháp thiết kế dầm composite cần được cập nhật để phản ánh những tiến bộ trong công nghệ UHPC.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Behaviour of Steel-Concrete Composite Beams Made of Ultra High Performance Concrete Der Wirtschaftswissenschaftlichen Fakultät der Universität Leipzig DISSERTATION zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr. Bui Duc Vinh geboren am 07 April 1972 in Vinh Phuc - Vietnam Leipzig, 9th October 2010 Foreword This thesis was the results of a long hard working period of the author, is would not have been possible without the contribution of a great number of people: First of all, I would like to thank to my supervisor Prof. Nguyen Viet Tue for giving me the opportunity to join his research group and giving me this challenging research project. I had learn a lot of thing from many hours discussion with him.

He was not only always able to push up my spirits while I was in despair with my results but also sharing with me in sad moment which I had spent, and I am very grateful for that. The experiments of this study could not have been performed without the help and technical expertise of the laboratory personnel, as of Dipl. Holger Busch, Dipl. Immanuel Wojan and many staffs at MFPA-Leipzig for conducting the experiments.

I would like to express my thanks for their support. My gratitude also goes to Dr. Nguyen Duc Tung, Dr. Jiaxin Ma, Dr.

Michael Küchler, Dipl. Jiabin Li, Dipl. Stephan Mucha, Dipl. Gunter Schenck etc.

my colleagues in IMB (Institut für Massivbau und Baustofftechnologie, Uni-Leipzig) for many valuable suggestions and discussion hours. Grateful appreciation is also due to Mrs. Sigrid Fritzsche and Mrs. Sylvia Proksch for their warm friendship and constant help during my stay in Leipzig.

I wish to thank the German Research Foundation (DFG- Deutsche Forschungs- gemeinschaft) for finance support the research project SPP 1182, which allows me take up doctoral studies at University of Leipzig, Germany. Last but not least, I want to sincerely thank my parents and especially my wife Van Anh and son Nhan for their great support and patience during my study. I hope in the future I can return all their love. Biography Bui Duc Vinh was born in Vinh Phuc, Vietnam, on the 7th April 1972.

In October 1991 he started his studies in Civil Engineering at Ho Chi Minh University of Technology (HCMUT), where he received his Bachelor degree in 1996, specialize in Coastal Engineering. He started joint Faculty of Civil Engineering (FCE), HCMUT and worked as research assistant. Two year after, 1998, he obtained Master Degree in Mechanic of Construction from University of Liege, Belgium. He continued his studies on structural engineering and focused on high strength concrete material, modelling of concrete structures.

2006, he jointed research team of Prof. Nguyen Viet Tue, at Institute for Structural Concrete and Building Materials, University of Leipzig (IMB, Uni-Leipzig). At here, his work concentrates on investigation structural behaviour of steel-concrete composite beams made of ultra high performance concrete. March 2010 he finished his dissertation under the supervision of Prof.

Nguyen Viet Tue. Leipzig, October 2010 Bui Duc Vinh vi Biography Dedicated to my parents, my wife Van Anh and my son Bui Hoang Nhan viii Biography Abstract Ultra-High Performance Concretes (hereafter, UHPC) have high mechanical strengths (fc > 150 MPa, ft > 7 MPa) and exhibit quasi-strain hardening in tension. Their very density improve durability and extend long service life. The steel-concrete composite beams with concrete slab made of UHPC possess ad- vanced properties give significant improvement in ultimate strength of the com- posite beams.

The research reported in this thesis aimed to determine the perfor- mance and structural behaviour of composite steel-UHPC elements in bending. In addition, the continuous Perfobond based shear connectors that belong to the beams was investigated as well. The Experimental assessment of the shear connector was conducted through 11 series Push-Out test with 27 specimens. In order to predict shear capacity, char- acteristic load-slip curves as well as contribution of constituents.

The connec- tors without any reinforcement show very poor ductility, the characteristic slip reached lower 1. They could be classified as non-ductile connector. The headed stud show better characteristic load-slip response, but this connec- tor often failed by shanked at the base of connector. The shear connector with added reinforcement in front cover and dowel exhibits better performance than headed stud connection in both terms of load capacity and ductility.

The test pointed out that embedded rebars in dowel play an important role in improve- ment performance of the connector. The contribution of steel fiber less important than and It is not obviously when steel fiber vary in range of 0. The structural response of the composite members under bending with the UHPC slab in compression was investigated with four points bending test of six full scale composite beams. The concrete mix contained either 1% fibres or 0.5% (by vol- ume) of straight steel fibres with concrete strength of approximately 150 MPa.

The experimental study demonstrates that the use of UHPC slab with contin- uous shear connector is possible, and it enhances the performance of composite elements in terms of resistance and stiffness. The finite element analysis of the Push-Out specimens and composite beams which tested in this investigation was carried out using software ATENA. Full three dimension models for both Push-Out specimens and composite beams were developed in order to taken into account complexity of geometry. The concrete was modelled using a Microplane M4 with parameters were calibrated accom- panying to uni-axial compression and RILEM bending test.

Modelling result showed a reasonable agreement with the experimental data. The FE simulation is not only provide ultimate strength, global behaviour but also explained local damage area as well process of collapse occurred in structures. However, the FE analysis need more improvement in concrete material model, in order to used for parameter studies. Finally, based on result of experimental and numerical investigation a numerous recommendations are issued for practical design.

The results form this work provide to better knowledge on using new UHPC in composite structures. It also contribute to provision of design code. Contents Foreword iii Biography v Abstract ix Abbreviations xv List of Symbols xvii List of Figures xix List of Tables xxvii 1. State of the art.

Context and motivation. Objectives of study. Scope of work. Structure of the thesis.

Consideration aspects of steel-concrete composite beams 7 2. Single span composite beams under sagging moment. Basic Structural Behaviour. Structural composite beam with continuous shear connection 12 2.

Perfobond shear connector (PSC). Conventional Perfobond shear connector. Modified pefobond shear connectors. Development of concrete technology.

Composite beam made of UHPC. Finite Element modelling. modelling of composite beams. Modelling of Push-Out test.

Design of composite beam. Limit state design philosophy. Methods for analysis and design. Resistant capacity of composite beam under sagging moment 26 2.

Partial shear connection. Ductile and non-ductile shear connectors. Characterization material properties of UHPC 31 3. Development of UHPC-A Historical perspective.

Constituent materials of Ultra High Performance Concrete. Principle of UHPC. Composition of UHPC. Cost of UHPC.

Material used in this work. Relevant material properties. Properties of fresh UHPC. Time dependent properties of UHPC.

Mechanical behaviour characterization. Development of compressive strength. Stress-strain behaviour in uni-axial compression. Bi-axial behaviour of UHPC.

Flexural and direct tension behaviour of UHPC. Fracture properties of UHPC. Experimental study for perfobond shear connector in UHPC 53 4. Experimental programs and specimens.

Push-Out test specimens. Arrangement for Push-Out series. Standard Push-Out test setup. Test results and observations.

Resistance and slip results. Behaviour of headed stud shear connectors in UHPC. General behaviour of perfobond shear connector in UHPC. Influence of dowel profile and test setup.

Influence of fiber content to load slip-behaviour. Influence of transverse reinforcement arrangement. Influence of embedding reinforcement through concrete dowel 72 Contents xiii 4. Summary conclusions for Push-Out test.

Experimental investigation on the structural behaviour of steel- UHPC composite beams 75 5. Experimental program for composite beams. Aim and Objectives. Design and construction of test specimens.

Test set-up and instrumentation. Analysis of the test results and observations. Structural behaviour and Observations of beam B1 and B2 83 5. Structural behaviour and Observation of beam B3 and B4.

Test results and observing of beam B5. Test results and observing of beam B6. Shear flow distribution in composite beam. Load-slip behaviour in composite beam versus Push-Out test101 5.

Distribution of longitudinal shear forces. Material models for Finite Element Modelling 107 6. Material models for structural steel and reinforcement. Microplane M4 material model for concrete.

Aspects of concrete material model. Microplane M4 material model in ATENA. Parameter study of Microplane. Setting up virtual test.

Input parameter and sensitivity analysis. UHPC experimental data. Results of M4 model parameters investigation and discussion118 6. Proposed set of parameter for UHPC.

Adjustment strategy for model parameters. Result of compression and bending modelling with M4. Finite Element Modelling 127 7. Modelling of Push Out Test.

Finite element model. Experimental validation finite element model. Local behaviour Push-Out specimens. Proposed model for prediction ultimate capacity of perfor- bond shear connector.

Modelling of composite beam. Finite element model. Validation of the FE model. Local stress distribution in steel girder and shear connectors155 7.

Shear flow on concrete dowel. Conclusions and Future Perspective 159 8. Ultra high performance concrete. Composite beam members made of UHPC under static load 160 8.

Perfobond based shear connectors in UHPC. Modelling of composite beams. Recommendations for further research. Appendices: Concrete mix proportional 165 A.

List of tables for constituent materials. Appendices: Standard Push-Out Test 169 B. Experimental results of Standard Push-Out test. List of drawings and charts.

Appendices: Bending test of composite beam 181 C. Design of steel-concrete composite beams for bending test. List of drawings and charts .