Xây dựng mô hình ứng xử của cột ống thép nhồi bê tông chịu nén đúng tâm

Rất ít nghiên cứu quan tâm đến ứng xử kiềm chế nở hông trong cột CFST với các cường độ bê tông khác nhau.. Mục đích nghiên cứu: Dựa vào những hạn chế thu thập được từ các nghiên cứu trướ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

- ^ 0 ^

-NGÔ QUÝ PHÚ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TP HỒ CHÍ MINH, NĂM 2023

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

- ro Q ro

-NGÔ QUÝ PHÚ

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng

Tôi tên là: NGÔ QUÝ PHÚ

Ngày sinh: 28/10/1994 Nơi sinh: Bình Thuận

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã học viên: 1885802080028

Tôi đồng ý cung cấp toàn văn thông tin luận văn tốt nghiệp hợp lệ về bản quyền cho Thư viện trường đại học Mở Thành phố Hồ Chí Minh Thư viện trường đại học Mở Thành phố Hồ Chí Minh sẽ kết nối toàn văn thông tin luận văn tốt nghiệp vào hệ thống thông tin khoa học của Sở Khoa học và Công nghệ Thành phố Hồ Chí Minh

NGÔ QUÝ PHÚ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Ỷ KIẾN CHO PHÉP BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC sĩ

CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẢN

Giảng viên hướng dẫn: TS Lê Trung Phong

Học viên thực hiện: Ngô Quý Phú Lóp: MCON018A

Ngày sinh: 28/10/1994 Nơi sinh: Bình Thuận

Tên đề tài: Xây dựng mô hình ứng xử cha cột ống thép nhồi bê tông chịu nén dùng tâm.

Ý kiến của giáo viên hướng dẫn về việc cho phép học viên Ngô Quý Phú

được bảo vệ luận văn trước Hội đồng:

Học viên Ngô Quý Phú đã hoàn thành luận văn theo đúng đề cương được duyệt và đàm bảo

khối lượng theo yêu cầu.

Đe nghị nhà trường cho học viên được bảo vệ trước hội đồng.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày ì 1 ] tháng (ỹnăm 2023

Người nhận xét

TS Lê Trung Phong

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Ngô Quý Phú, học viên cao học ngành Kỹ Thuật Xây Dựng công

trình dân dụng và công nghiệp, Khóa 2018 trường Đại Học Mở Thành Phố Hồ Chí Minh Tôi xin cam đoan rằng đây là luận văn do chính tôi thực hiện Các kết quả trong luận văn này hoàn toàn trung thực và chưa từng ai công bố trước đây Các thông tin, tài liệu trích dẫn có trong luận văn này đã được ghi rõ nguồn gốc Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về kết quả nghiên cứu

TP Hồ Chí Minh, ngày ……, tháng ……, năm ……

Học viên

NGÔ QUÝ PHÚ

LỜI CẢM ƠN

học viên chân thành gửi lời cảm ơn đến TS Lê Trung Phong, người thầy đã

tận tình hướng dẫn, truyền đạt nhiều kiến thức về chuyên môn và thực tế trong quá

trình học viên thực hiện luận văn tốt nghiệp

Học viên gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy, cô đã giảng dạy lớp cao học Xây

Dựng Dân Dụng và Công Nghiệp khóa 2018-2020 Các thầy, cô đã truyền đạt những

kiến thức quý giá, là nền tảng vững chắc để học viên có thể hoàn thành luận văn tốt

nghiệp

Tiếp theo, học viên gửi lời cảm ơn đến các tác giả trước đây đã nghiên cứu,

công bố và cung cấp tài liệu có liên quan đến luận văn để học viên tham khảo và

hoàn thành luận văn

Cuối cùng xin gửi lời biết ơn sâu sác đến cha mẹ và anh chị đã luôn quan tâm

chăm sóc và động viên Chân thành cám ớn ơn các bạn học viên cao học Xây Dựng

đã kích lệ tinh thần để hoàn thành tốt khóa học

Xin chân thành cảm ơn !

TP Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023

Ngô Quý Phú

TÓM TẮT TIẾNG VIỆT

Luận văn trình bày phương pháp mô hình phần tử hữu hạn và mô hình vật liệu

sử dụng phần mềm ABAQUS để mô phỏng các cột ống thép nhồi bê tông có tiết diện tròn trong trường hợp chịu tải nén đúng tâm trên toàn mặt cắt Kết quả mô phỏng được kiểm chứng bằng cách so sánh với kết quả thí nghiệm thu thập được từ các nghiên cứu trước với việc xem xét sử dụng các loại bê tông có cường độ chịu nén khác nhau Trên cơ sở kết quả mô phỏng cho lực nén cực đại và đường cong lực – biến dạng khá chính xác với kết quả thí nghiệm, mô phỏng với tham số cường độ chịu nén bê tông khác nhau từ 30 MPa đến 200 MPa được thực hiện Kết quả mô phỏng với tham số cường độ chịu nén bê tông thay đổi cho thấy cường độ nén đánh hướng rất lớn đến khả năng chịu lực của cột

TÓM TẮT TIẾNG ANH

This thesis present a finite element method and material models using ABAQUS software to simulate the mechanical behavior of circular concrete filled steel tube columns (CFST) in cases loading on entire cross section (CFST) The numerical results in ABAQUS were verified against the test results collected from previous research with considering various concrete strength Based on the fact that the maximal loads and the curves of load versus strain obtained from ABAQUS were closed to those measured by the previous tests, a parametric study with only the change in the concrete strengths from 30 MPa -200 MPa was conducted Simulation results with variable compressive strength parameter of concrete show that the compressive strength has a great influence on the bearing capacity of the column

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu: 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 3

4 Phương pháp nghiên cứu : 4

5 Ý nghĩa của nghiên cứu: 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG 7

1.1 Giới thiệu chung về cột ống thép nhồi bê tông (CFST) 7

1.2 Ứng dụng của cột CFST trên thế giới và Việt Nam 13

1.3 Tổng quan về dữ liệu các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng cho cột CFST 17

1.4 Tổng quan về tiêu chuẩn thiết kế cho cột CFST 22

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG TRONG PHẦN MỀM ABAQUS 26

2.1 Dữ liệu thí nghiệm cột ngắn CFST có tiết diện hình tròn 26

2.2 Giới thiệu sơ lược về phần mềm ABAQUS 27

2.3.Xây dựng mô hình mô phỏng trong Abaqus 28

2.3.1 MÔ HÌNH PHẦN TỬ TẤM S4R, CAX4 28

2.3.2 CHIA LƯỚI PHẦN TỬ 29

TÓM TẮT TIẾNG VIỆT iii

TÓM TẮT TIẾNG ANH iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC BẢNG vii

viii

2.3.3 SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA VỎ THÉP VÀ LÕI BÊ TÔNG 29

2.3.4 ĐIỀU KIỆN BAN ĐẦU 30

2.4 Xây dựng mô hình vật liệu 31

2.4.1 MÔ HÌNH VẬT LIỆU THÉP 31

2.4.2 MÔ HÌNH VẬT LIỆU BÊ TÔNG 32

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 39

3.1 Hình dạng phá huỷ 39

3.2 Đánh giá ứng xử đường cong lực – biến dạng 41

3.3 Đánh giá ứng suất phân bố 45

3.4 Đánh giá kết quả lực nén cực hạn 46

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 52

4.1 KẾT LUẬN 52

4.2 KIẾN NGHỊ 52

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2 1: Dữ liệu tóm tắt cột ngắn CFST nén trên toàn mặt cắt 26

Bảng 3 1: Đánh giá kết quả lực cực đại của các cột CFST 50

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Cấu tạo thông thường của cột CFST [3] 8

Hình 1 2 : Các hình dạng mặt cắt ngang cơ bản của cột CFST [1] 8

Hình 1 3: Tiết diện cột CFST được gia cường bởi lõi thép hình, thép đặc, ống thép, cốt thép hoặc cốt sợi [3] 9

Hình 1 5: Các trường hợp tác dụng của tải nén lên cột CFST 12

Hình 1 6: Một số ứng dụng của cột CFST [1, 4] 14

Hình 1 7: Các ứng dụng kết cấu CFST cho công trình cầu ở Việt Nam 15

Hình 1 10: Dữ liệu thí nghiệm liên quan đến cột CFST của nhóm GS Richard Liew [3] 18 Hình 2 1: Thí nghiệm nén đúng tâm CFST của Schneider (2006) [20] 27

Hình 2 2: Mô hình phần tử cho cột ống thép nhồi 29

Hình 2 3: Chia lưới phần tử 29

Hình 2 4: Mô hình điều kiện biên và điều kiện tải trọng 30

Hình 2 5: Mô hình ứng suất – biến dạng của kết cấu thép [37] 31

Hình 2 6: Mô hình phá hoại dẻo của bê tông – CDP 33

Hình 2 7 : Đường cong vật liệu  -  cho bê tông trong cột CFST [43] 36

Hình 2 8: Dự đoán cường độ nén lớn nhất của các cột CFST 50

Hình 3 1: Dạng phá huỷ của các cột CFST 40

Hình 3 2: Đánh giá đường cong N- giữa ABAQUS và mẫu thí ngiệm 42

Hình 3 3: Đường cong ứng suất – biến dạng của từng thành phần vỏ thép, bê tông của cột CFST 44

Hình 3 4: Khảo sát ứng suất nén của cột CFST chịu nén 45

Hình 3 5 : Phân bố ứng suất nén với các cường độ bê tông khác nhau 49

Hình 3 6: Ảnh hưởng của thông số cường độ bê tông và tỷ số D/t 50

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (concrete filled steel tube – CFST) đã được ứng dụng cho nhiều công trình xây dựng như nhà cao tầng/siêu cao tầng, cầu vòm, trụ cầu,

hệ dàn Loại cột này có ưu điểm là khả năng chịu lực cao, độ dẻo dai tốt, khả năng chống cháy và kháng chấn cao khi so sánh với cột bê tông cốt thép và cột thép thuần túy thông thường, do đó đã được nhiều nghiên cứu trên thế giới quan tâm Bên cạnh bê tông thường cường độ thấp hơn 50 MPa đã được áp dụng đại trà cho loại cột này thì bê tông cường độ cao có cường độ chịu nén từ 50-90 MPa, bê tông cường độ siêu cao có cường độ chịu nén từ 90-200 MPa đã bắt đầu được áp dụng trong các công trình xây dựng cùng với sự phát triển công nghệ trong thời đại 4.0, các hợp chất giúp gia tăng cường độ và máy trộn bê tông Tuy nhiên bê tông có cường độ cao sẽ bị phá hoại rất dòn cho nên gây ra trở ngại khi áp dụng cho kết cấu cột chịu lực Chính vì thế ống thép nhồi bê tông là giải pháp để tăng độ dẻo dai cho bê tông có cường độ cao và hạn chế tối đa hiện tượng phá hoại giòn của bê tông Bên cạnh đó các nghiên cứu cột CFST với

bê tông cường độ cao đặc biệt là siêu cao là những bê tông có cường độ nén lên tới 90 MPa thì vẫn còn rất hạn chế Đồng thời các tiêu chuẩn thiết kế cho kết cấu cột liên hợp vẫn chỉ giới hạn cường độ bê tông cho việc dự đoán khả năng chịu tải Hầu hết các tiêu chuẩn chỉ phù hợp cho bê tông thường với cường độ chỉ đến 50 MPa, một số tiêu chuẩn

mở rộng tối đa đến 90 MPa Chính vì thế việc kiểm chứng khả năng dự đoán sức chịu tải của các tiêu chuẩn cho cột CFST với bê tông có cường độ cao và siêu cao là hết sức cần thiết cũng như việc nghiên cứu ứng xử cơ học của nó bằng thực nghiệm hoặc mô phỏng

Đối với cột CFST thông thường có hai hình thức chịu tải bao gồm: tải trọng tác dụng lên trên toàn mặt cắt và tải trọng được chỉ đặt trên lõi của bê tông Ứng xử của hai cách gia tải hoàn toàn khác nhau, và điều này được rất ít các nhà nghiên cứu tìm hiểu

và làm rõ vấn đề này đặc biệt là khi bê tông cường độ cao hơn 50 MPa được áp dụng Qua đó có thể nhận ra rằng, hiệu ứng kiềm chế nở hông đóng vai trò rất then chốt trong việc cải thiện cường độ chịu nén và tăng khả năng chịu tải trọng động đất của loại cột CFST này Tuy nhiên trong thực tế khi thí nghiệm rất khó đo hoặc không thể đo đạc được áp lực nở hông của vỏ thép truyền lên lõi bê tông Chính vì thế hầu hết các nghiên cứu đều sử dụng mô phỏng để quan sát áp lực nở hông này Tuy nhiên bê tông có cường

độ khác nhau thì độ nở hông khác nhau dẫn tới áp lực nở hông khác nhau Rất ít nghiên cứu quan tâm đến ứng xử kiềm chế nở hông trong cột CFST với các cường độ bê tông khác nhau

ABAQUS (FEM) là một phần mềm mô phỏng rất phổ biến trên thế giới dùng để

mô phỏng ứng xử của kết cấu từ những phân tích tuyến tính đơn giản đến những mô hình phi tuyến về vật liệiu Các phần tử có trong phần mềm thương mại ABAQUS rất

đa dạng qua đó giúp cho ta có thể mô phỏng bất kỳ loại kết cấu nào Đặc biệt là cho những kết cấu liên hợp, cụ thể khi kết hợp nhiều vật liệu khác nhau Rất nhiều nghiên cứu trước đây đều lấy việc sử dụng các phần mềm thương mại làm nền tảng để đánh giá ứng xử của kết cấu, cụ thể là các cột thép nhồi bê tông Tuy nhiên đến hiện nay mô hình vật liệu bê tông của các nghiên cứu trước đây sử dụng ABAQUS thường có độ

chính xác cao với bê tông có cường độ nén thấp (f c < 50 MPa) Chính vì thế việc đề xuất mô hình bê tông để áp dụng trong ABAQUS cho bê tông có cường độ chịu nén khác nhau là hết sức cần thiết

Dựa trên các nghiên cứu đã công bố trước đây thì nghiên cứu cho luận văn thạc sĩ,

học viên đã quyết định lựa chọn và sẽ thực hiện đề tài: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ỨNG

XỬ CỦA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM

2 Mục đích nghiên cứu:

Dựa vào những hạn chế thu thập được từ các nghiên cứu trước đây trên thế giới cũng như chưa có nghiên cứu nào chuyên sâu ở Việt Nam về cột CFST, đề tài sẽ tập trung vào những mục đích chính như sau:

▪ Lựa chọn mô hình vật liệu, mô hình phần tử hữu hạn và thực hiện mô phỏng trong phần mềm ABAQUS để đánh giá các thí nghiệm đã thực hiện trên cột ngắn CFST có xem xét đến ảnh hưởng bê tông cường độ cao và siêu cao;

▪ Tiến hành mô phỏng cho trường hợp gia tải là trên toàn bộ mặt cắt cột trên cơ

sở các cột đã được thí nghiệm từ các nghiên cứu thu thập được Từ đó kiểm chứng lại tính chính xác của mô hình trong ABAQUS so với thí nghiệm và làm rõ hơn về cơ chế chịu lực của hai cách gia tải này;

▪ Áp dụng các mô phỏng đã được công bố trước đây vào kiểm chứng tiến hành thực hiện mô phỏng ảnh hưởng của cường độ chịu nén và ứng suất phân bố của bê tông thông qua mô phỏng với tham số cường độ bê tông thay đổi, còn các tham số khác của cột CFST giữ nguyên;

▪ Ứng xử của vật liệu bê tông có cường độ chịu nén khác nhau đường cong lực nén dọc trục – biến dạng dọc trục và sức chịu tải cực hạn của hai loại gia tải là cột CFST

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu:

Cột ngắn CFST tiết diện mặt cắt hình tròn chỉ sử dụng ống thép bọc ngoài và bê tông nhồi ở bên trong;

▪ Các cột liên hợp là cột ngắn có tỉ lệ chiều cao cột/bề rộng cột (đường kính cột) hay L/D ≤ 4;

▪ Tải nén đúng tâm trong trường hợp nén trên toàn bộ mặt cắt ngang;

▪ Mô hình số có sẵn trong ABAQUS để đánh giá tham s

Phạm vi nghiên cứu

▪ Nghiên cứu này chỉ tập trung nghiên cứu phần ứng xử chịu nén đúng tâm của cột ngắn CFST;

▪ Đề xuất mô hình vật liệu cho bê tông và ống thép trong phần mềm ABAQUS;

▪ Xây dựng mô hình lưới phần tử hữu hạn, điều kiện biên, cách gia tải nén đúng tâm trong phần mềm ABAQUS;

▪ Sử dụng các thí nghiệm thu thập được trong vấn đề so sánh và việc dự đoán trong ứng xử chính xác của cột thông qua mô phỏng

▪ Ứng xử của ứng suất nén dọc trục phân phối trên mặt cắt ngang bê tông

▪ Sử dụng các tiêu chuẩn để đánh giá sự phù hợp của tiêu chuẩn đó cho cột ngắn CFST sử dụng đa dạng cường độ bê tông

4 Phương pháp nghiên cứu :

Các phương pháp chủ yếu dùng trong nghiên cứu này là:

▪ Phương pháp thu thập, phân tích và tổng hợp tài liệu: thu thập các tài liệu

bao gồm quy trình quy phạm quốc tế, các bài báo quốc tế và trong nước theo chuẩn mực khoa học, các báo cáo và các luận văn liên quan đến kết cấu CFST;

▪ Phương pháp thống kê: thu thập các nghiên cứu và các kết quả từ các thực

nghiệm qua đó tiến hành so sánh với dự đoán từ các quy trình quy phạm quốc tế và các kết quả xuất ra được từ trong mô phỏng trong ABAQUS;

▪ Phương pháp mô phỏng:

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp mô phỏng bằng phần tử hữu hạn trong phần mềm ABAQUS

5 Ý nghĩa của nghiên cứu:

Nhìn chung rằng, các cột CFST đã được ứng dụng nhiều ở các nước phát triển, trong khi đó đây vẫn còn là một khái niệm mới mẻ trong kết cấu ở Viết Nam Chưa

có nghiên cứu chuyên sâu và tiêu chuẩn nhà nước ban hành cũng như những hướng dẫn trong phạm vi từng dự án Chính vì thế việc nghiên cứu cột CFST là hoàn toàn cần thiết và có ý nghĩa về mặt khoa học Ảnh hưởng của cường độ nén cột bê tông là vấn đề hết sức quan trong trong việc đánh giá Trong phạm vi của một đề tài thạc sĩ, nghiên cứu sẽ thực hiện có ý nghĩa như sau

▪ Kết quả luận văn sẽ giải thích được loại cột này, giúp người kĩ sư hiểu rõ hơn

cơ chế làm việc của cột CFST qua đó có thể cân nhắc áp dụng và các công trình thực tiễn trong đời sống;

▪ Những kết quả rút ra được từ việc áp dụng các công nghệ (ABAQUS) góp phần làm sáng tỏ lí thuyết tính toán, các mô hình vật liệu, mô hình phần tử hữu hạn phù hợp để có thể áp dụng phần mềm ABAQUS vào việc tính toán dự đoán ứng xử của cột CFST này thay thế cho việc làm thí nghiệm và giảm chi phí nghiên cứu;

▪ Tạo cơ sở cho việc đánh giá tiêu chuẩn thế giới khi tính toán cột CFST, đặc biệt là tính phù hợp với những loại bê tông có cường độ cao và siêu cao, qua

đó là tiền đề để phát triển và củng cố xây dựng tiêu chuẩn tốt hơn cho các kết cấu ở môi trường Viết Nam;

▪ Cơ sở dựa trên kết quả nghiên cứu là tiền đề đầu tiên để các nhà nghiên cứu sau này phát của loại cột CFST này ở Việt Nam trong thời gian tới

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

1.1 Giới thiệu chung về cột ống thép nhồi bê tông (CFST)

Thép và bê tông là hai loại vật liệu phổ biến nhất trong xây dựng từ nhà cao tầng, nhà xưởng, cầu cho đến hạ tầng Thép được đặc trưng bởi cường độ chảy dẻo cao, tính dẻo dai tốt và mô đun đàn hồi lớn, từ đó làm giảm tiết diện mặt cắt ngang của kết cấu và tạo ra được những kết cấu thanh mảnh, vượt nhịp lớn Ngược lại so với các loại kết cấu thép, bê tông có thuần tuý có cường độ nén cao hơn rất nhiều nhưng cường độ kéo thấp hơn Ngoài ra, giá thành vật liệu tính trên 1m3 và khả năng dẫn nhiệt của bê tông thấp hơn khi so sánh với thép, điều này dẫn đến các cấu kiện

bê tông to lớn khi mà các vết nứt dòn do khả năng kháng kéo yếu, co ngót và từ biến của bê tông sẽ có ảnh hưởng lớn đến ứng xử của kết cấu theo thời gian Chính vì thế

để hạn chế những nhược điểm vốn có của thép-bê tông, kết cấu liên hợp thép – bê tông sẽ kết hợp đầy đủ những ưu điểm của hai loại vật liệu này để tạo ra được một kết cấu có cường độ, độ dẻo và độ cứng tốt nhất trên nguyên tắc cơ bản: tính chịu nén cao của bê tông, tính chịu kéo cao và độ dẻo dai của thép [1, 2, 29] Thông thường cột ống thép được lấp đầy bê tông (concrete filled steel tube – CFST) có cấu tạo bao gồm ống thép bọc bên ngoài và bê tông nhồi phía bên trong có hoặc không có sử dụng cốt thép dọc và cốt thép đai (xem hình 1-1) Kết cấu CFST có thể tạo ma sát giữa lớp bê tông và vỏ thép thông qua các đinh tán gắn trong vỏ thép hoặc để ma sát

tự nhiên Việc kết hợp hai loại vật liệu với nhau trên cơ sở kết hợp bê tông là vật liệu dòn, thép là vật liệu dẻo như đã trình bày ở trên để tạo ra một loại kết cấu hạn chế tính dòn, tăng tính dẻo [2]

Hình 1 1: Cấu tạo thông thường của cột CFST [3]

Với các tấm thép mỏng thì mất ổn định sẽ dễ xảy ra và cách ngăn chặn là lõi bê tông được lấp đầy Sự kết hợp này, làm cho lõi bê tông sẽ bị tác động bởi ảnh hưởng kiềm chế nở hông của ống thép Hiệu ứng kiềm chế nở hông dẫn đến sự tăng cường

độ và độ dẻo của cột CFST dưới tác dụng của lực nén lớn [2] Bên cạnh đó, ống thép bọc ngoài làm việc như một ván khuôn vĩnh viễn cho việc đổ bê tông vào bên trong,

từ đó loại bỏ việc sử dụng lắp đặt tháo dỡ cốp pha, đẩy nhanh tiến độ thi công, giảm được chi phí xây dựng

Hình 1 2 : Các hình dạng mặt cắt ngang cơ bản của cột CFST [1]

Cột CFST có thể có tiết diện mặt cắt ngang liên hợp theo nhiều hình dạng khác nhau tiêu biểu như hình tròn, hình vuông, hình chữ nhật, hình lục giác đều thường hay được sử dụng nhất, hoặc hình elip cho những công trình có yêu cầu rất cao về mặt kiến trúc thẩm mỹ

Bê tông không có gia cường thường được sử dụng để nhồi vào ống thép Tuy nhiên bê tông cũng có thể được gia cường bởi các loại cốt sợi khác nhau để tăng tính dẻo dai của nó đặc biệt là bê tông cường độ cao Ngoài ra việc sử dụng các thanh cốt thép dọc hoặc ống thép dọc bên trong cùng với bê tông nhồi sẽ làm tăng thêm hiệu ứng kiềm chế nở hông, từ đó tăng thêm khả năng chịu lực và độ dẻo tốt cho cột Các lõi thép hình hoặc thép đặc được chèn vào trong ống thép cùng với bê tông để tăng cường khả năng chịu tải nén và làm giảm tiết diện cột đi rất nhiều Hình 1-3 mô tả các loại tiết diện mặt cắt ngang cột CFST có gia cường bên cạnh các tiết diện thông thường như ở hình 1-2

Hình 1 3: Tiết diện cột CFST được gia cường bởi lõi thép hình, thép đặc, ống

thép, cốt thép hoặc cốt sợi [3]

Cột CFST có nhiều ưu điểm khi so sánh với các loại cột thông thường khác như sau [1-5, 8, 15]:

(1) Ưu điểm so với cột thép thuần túy:

- Khả năng chống cháy và chịu lửa cao hơn;

- Khả năng chịu uốn và chống va đập cao hơn

- Làm giảm đáng kể sự mất ổn định cục bộ của thành thép mỏng;

- Hệ số dao động tăng đáng kể;

- Giảm được độ mảnh của cấu kiện;

- Hạn chế ăn mòn cốt thép bề mặt bên trong;

- Đều thi công nhanh giống nhau

(2) Ưu điểm so với cột bê tông cốt thép (BTCT) thông thường:

- Cường độ chịu tải, độ cứng và độ dẻo cao hơn;

- Thi công nhanh hơn;

- Khả năng chịu uốn, chống va đập cao hơn;

- Không có sự nứt vỡ của bê tông khi chịu lửa, dẫn đến khả năng chịu lửa,

chống cháy cao hơn;

- Co ngót khô và từ biến thấp hơn do bê tông làm giảm sự trao đổi độ ẩm (3) Ưu điểm so với các cột liên hợp thông thường khác không có ống thép bọc ngoài (như cột liên hợp BTCT – lõi thép hình):

- Hiệu ứng kiềm chế chế nở hông mạnh hơn dẫn đến tăng cường độ chịu tải

nén và độ dẻo tốt hơn;

- Thi công nhanh hơn;

- Không có sự nứt vỡ của bê tông khi chịu lửa, dẫn đến khả năng chịu lửa

và chống cháy cao hơn

Hình 1-4 so sánh khả năng chịu lực và biểu đồ quan hệ giữa lực dọc – biến dạng dọc trục của cột CFST với các loại cột thông dụng khác Có thể thấy với cùng một loại cường độ thép và bê tông, cùng một tiết diện mặt cắt như nhau thì cột CFST

có sức chịu tải nén lớn nhất gấp 3 lần so với ống thép, gấp gần 2 lần so với cột BTCT [1, 15] Tương tự như vậy, dựa vào biểu đồ lực dọc – biến dọc dọc trục (hình 1-4b) thì cột CFST ứng xử dẻo hơn so với các loại cột truyền thống sau khi đạt tải nén cực đại thì biến dạng dọc trục tiếp tục tăng đều trong khi tải trọng giảm rất ít

Cột ống thép nhồi bê tông CFST thường được sử dung hiệu quả chỉ khi chịu tải nén và thông thường có hai trường hợp tải tác dụng như sau: (1) tải trọng nén đặt trên lỏi; (2) tải trọng nén áp lên toàn bộ mặt cắt

- Trường hợp thứ nhất (xem hình 1-5a) khi tải nén tác dụng đồng thời lên

mặt cắt ống thép và bê tông thì ban đầu cả ống thép và bê tông đều chịu tải nén và hiệu ứng kiềm chế nở hông chưa phát triển Ghi nhận cho thấy rằng trong giai đoạn gia tải tiếp theo khi hệ số nở hông thành thép nhỏ hơn nhiều so với lõi bê tông, lúc này hiệu ứng kiềm chế nở hông bắt đầu phát triển làm cho tăng khả năng ứng xử của cột, cụ thể là tăng khả năng chịu nén dọc trục [5, 19, 29]

a) Tải nén lên toàn mặt cắt b) Tải nén lên mỗi lõi bê tông Hình 1 4: Các trường hợp tác dụng của tải nén lên cột CFST

- Trường hợp thứ hai (xem hình 1-5b) khi tải nén trên mỗi lõi bê tông thì

ban đầu mỗi lõi bê tông chịu tải nén và sau đó tải được truyền từ lõi bê tông sang ống thép thông qua lực dính bám giữa hai vật liệu Lúc này ứng suất vòng trong ống thép là lớn nhất, dẫn đến lõi bê tông bị tác động bởi hiệu ứng kiềm chế nở hông là lớn nhất Do đó sức chịu tải và độ dẻo dai của lõi bê tông cũng như khả năng kháng chấn của cột sẽ tăng lên rất nhiều [2, 19]

Có thể thấy cơ chế tác động qua lại giữa lõi bê tông và thành thép sẽ khác nhau tương ứng với hai trường hợp gia tải khác nhau như trên Chính vì thế việc nghiên cứu để hiểu rõ cơ chế này là rất quan trọng Mặt khác, cột CFST là một loại kết cấu hội tụ nhiều ưu điểm so với các loại cột truyền thống, do đó việc nghiên cứu các vấn

đề xung quanh khả năng chịu lực, chống cháy, kháng chấn, độ bền của cột CFST là vấn đề luôn luôn được quan tâm và thu hút nhiều nhà khoa học

1.2 Ứng dụng của cột CFST trên thế giới và Việt Nam

Với những ưu điểm như trên, cột CFST là một loại kết cấu liên hợp đã được nghiên cứu và ứng dụng cho nhiều công trình trên thế giới như nhà cao tầng/siêu cao tầng, các công trình đặc biệt ngoài khơi, các kết cấu chống đỡ và trụ cầu [1, 4] Cột CFST còn rất phù hợp với những kết cấu chịu tải lớn hoặc tải đặc biệt hoặc yêu cầu chống động đất cao Các nước phát triển mạnh về cột CFST (Trung Quốc, Nhật Bản) ưa chuộng trong việc lựa chọn trong xây dựng nhà cao tầng và kết cấu cầu Hình 1-6 mô tả các ứng dụng của cột CFST trong nhà cao tầng và các kết cấu tháp hoặc cột truyền tải điện

a) Tháp Canon ở Quảng Châu,

d) Cột truyền tải điện bằng CFST ở Zhoushan, Trung Quốc Hình 1 5: Một số ứng dụng của cột CFST [1, 4]

Ở Việt Nam, kết cấu CFST được ứng dụng chủ yếu trong các cấu kiện cầu vòm [16, 17] Trong những năm đầu thế kỷ 21, trên đại lộ Nguyễn Văn Linh địa bàn quận

7 thành phố Hồ Chí Minh đươc sự trợ giúp của các chuyên gia Trung Quốc đã thiết

kế, thi công một số cầu vòm với công nghệ ống thép nhồi bê tông như : cầu Ông Lớn, cầu Xóm Củi, cầu Cần Giuộc với chiều dài nhịp 99m đã được đưa vào sử dụng năm

2003 Thiết kế cho tải trọng H30 với 3 làn xe, kiểm toán với tải trọng đặc biệt HK80 Vòm thép có tiết diện hình quả tạ là 2 ống thép tròn đường kính Ф=1000, dày 12mm nối với nhau bằng bản thép, bê tông nhồi trong ống là loại mác 500 Chiều cao vòm thép 20.291m, chiều dài nhịp tính toán 97.6m với bản mặt cầu xe chạy dưới Đây là công trình cầu đầu tiên ở Việt Nam áp dụng loại ống thép nhồi bê tông cho kết cấu vòm chủ Kết cấu này cho pháp giảm 45% lượng thép so với trường hợp cầu chỉ làm bằng thép Kết cấu CFST tạo ra một số đột phá về giải pháp kĩ thuật, công nghệ chế

tạo thi công, được áp dụng lần đầu tiên tại Việt Nam, nó góp phần làm đa dạng hóa các loại hình kết cấu cầu khẩu độ nhịp lớn và nâng cao hiệu quả kiến trúc công trình

a) Cầu Ông Lớn, Quận 7, TPHCM b) Cầu Rạch Chiếc mới, Quận 2,

TPHCM

c) Cầu Châu Giang, Phủ Lý, Hà

Nam

d) Cầu Đồng Trù, Hà Nội Hình 1 6: Các ứng dụng kết cấu CFST cho công trình cầu ở Việt Nam

Gần đây một số dự án lớn dùng cầu vòm ống thép nhồi bê tông đã được hoàn thành ở Việt Nam như cầu Đồng Trù, cầu Rạch Chiếc mới, cầu Châu Giang Trong tương lai loại cầu này hứa hẹn sẽ là xu hướng của các nhà nghiên cứu tại Việt Nam Hình 1-7 mô tả các hình ảnh ứng dụng kết cấu CFST cho công trình cầu ở Việt Nam Tuy nhiên, trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp thì ứng dụng của cột CFST theo hiểu biết của học viên thì rất hiếm ở Việt Nam Một vài công trình nhà phố do công ty Vitec Việt Nam đã chủ trì thiết kế và thi công thí điểm nhưng

vẫn chưa đươc phổ biến Chính vì thế việc nghiên cứu cột CFST là xu hướng của ngành công nghệ kỹ thuật xây dựng trong tương lai gần tại Việt Nam

1.3 Cơ chế chịu lực của cột CFST

Cơ chế chịu lực của các cột thép nhồi bê tông bị ảnh hưởng chủ yếu bởi các yếu

tố chính như sau [2, 15, 16, 29]:

▪ Ứng suất cắt được hình thành trong tác động giữa thành ống thép và lõi bê tông

▪ Sự chênh lệch của hệ số nở hông giữa hai loại vật liệu thép và bê tông

▪ Cơ chế phá hủy trong ống thép và lõi bê tông

▪ Cách thức gia tải và loại tải trọng

Để ứng xử như một loại kết cấu liên hợp, tải trọng phải được truyền qua bề mặt tiếp xúc giữa hai lớp vật liệu thông qua ứng suất tiếp trên bề mặt đó (xem hình 1-8a) Bốn

cơ chế chủ yếu liên quan đến việc chuyển ứng suất tiếp ở bề mặt tiếp xúc như ở hình 1-8b:

▪ Độ bám dính (Adhesion) là là liên kết hóa học gây ra sự kết dính giữa ống thép và lõi bê tông

▪ Bề mặt cài lẫn vào nhau (Interface interlocking) nhau là sự đan xen cơ học giữa lõi bê tông và độ nhám bề mặt của ống thép dẫn đến sự truyền ứng suất tiếp

▪ Ma sát (Friction) là lực chống lại chuyển dịch tương đối của hai bề mặt Hệ

số ma sát là một yếu tố quan trọng khác khi xác định ma sát Thông thường

hệ số ma sát giữa bê tông và thép nằm trong khoảng từ 0.2-0.6

▪ Các liên kết chống cắt (Shear connector): sử dụng các đinh tán hoặc bu lông hàn vào vỏ thép hoặc đóng xuyên qua vỏ thép để liên kết vỏ thép với phần bê tông nhồi bên trong

Hệ số nở hông của bê tông trong giai đoạn đàn hồi nằm trong khoảng 0.15-0.2 nhỏ hơn nhiều so với thép trong giai đoạn đàn hổi là khoảng 0.3 Chính vì thế đối với các cột bê tông khi chịu tải nén dọc trục thì giai đoạn ban đầu gia tải bê tông có biến dạng nở hông nhỏ hơn thép nên hai vật liệu làm việc chủ yếu thông qua ma sát giữa mặt tiếp xúc Tuy nhiên khi chảy dẻo thì hệ số nở hông của bê tông vượt qua 0.5, trong khi thép có hệ số nở hông trong giai đoạn này là 0.5 Chính vì thế sau một thời gian gia tải khi biến dạng nở hông của lõi bê tông bên trong lớn hơn so với vỏ thép thì lúc này vỏ thép đóng vai trò kiềm chế sự nở hông của bê tông Chính vì thế

sẽ tăng cường độ và độ dẻo dai của cột CFST Johansson (2002) [2] khẳng định khi cột CFST chịu tải nén đúng tâm khi hệ số nở hông của thép nhỏ hơn lớn hơn lõi bê tông thì lúc đó vỏ thép sẽ ở trạng thái ứng suất hai trục, bê tông chịu ứng suất đơn trục Tuy nhiên khi hệ số nở hông của thép nhỏ hơn lõi bê tông thì lúc này vỏ thép chịu ứng suất hai trục, còn bê tông ở trạng thái ứng suất ba trục do chịu áp lực kiềm chế nở hông từ vỏ thép truyền vào Hình 1-9 mô tả trạng thái ứng suất của vỏ thép

và bê tông tùy thep hệ số nở hông của hai vật liệu

1.3 Tổng quan về dữ liệu các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng cho cột CFST

Cho đến thời điểm hiện tại có rất nhiều nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng cho cột CFST thực hiện bởi các nhà khoa học trên thế giới Một số lượng lớn các nghiên cứu thử nghiệm trên các cột CFST tròn chịu nén được thực hiện bởi các nhà nghiên cứu khác nhau trên toàn thế giới trong nhiều năm

Tất cả các nghiên cứu này được đưa vào trang dữ liệu có sẵn trên internet (xem

http://web.ukonline.co.uk/asccs2) của hiệp hội kết cấu liên hợp thép – bê tông của Anh Theo khảo sát và thu thập gần đây nhất của nhóm nghiên cứu của Giáo Sư Richard Liew tại Đại Học Quốc Gia Singapore thì hầu hết các dữ liệu nghiên cứu

đều tập trung vào bê tông thường (có cường độ nén ≤ 50 MPa), trong khi đó số dữ liệu liên quan đến bê tông cường độ cao (có cường độ nén từ 50 – 90 MPa) và bê tông cường độ siêu cao (cường độ nén ≥ 90 MPa) cực kì ít [3, 4] Hình 1-10 minh họa cho điều này, trong tổng số hơn 2033 dữ liệu thí nghiệm thì số lượng mẫu cho cột CFST dùng bê tông có cường độ nén nhỏ hơn 50 MPa là 71.9%, trong khi đó cột CFST dùng bê tông có cường độ từ 50 – 90 MPa là 18.8 và lớn hơn 90 MPa chỉ 9.3%

Hình 1 7: Dữ liệu thí nghiệm liên quan đến cột CFST của nhóm GS

Richard Liew [3]

Bê tông có cường độ cao được coi như là loại vật liệu mới để thay thế cho bê tông thường truyền thống trong việc xây dựng các kết cấu nhà cao tầng/siêu cao tầng Cường độ nén của bê tông càng cao thì tiết diện mặt cắt ngang kết cấu càng giảm, dẫn đến kết cấu cột thanh mảnh và hiệu quả kiến trúc cao, không gian công năng sử dụng được mở rộng [4, 15] Chính vì thế việc áp dụng bê tông cường độ cao hơn cho cột CFST thay vì các loại bê tông cường độ thường là điều hết sức cần thiết Bên cạnh đó có thể thấy kết cấu CFST hoàn toàn phù hợp cho bê tông có cường

độ cao hơn Lí do là bê tông khi cường độ cao thì tính dòn sẽ tăng, trong khi đó việc

kết hợp với ống thép bọc bên ngoài sẽ là phương pháp hiệu quả nhất để giảm hoặc ngăn chặn phá hoại dòn đó của bê tông [15] Hiệu ứng kiềm chế nở hông của ống thép lên bê tông là một nguyên nhân lớn nhất làm cho bê tông tăng tính dẻo dai [8]

Sự thiếu hụt các dữ liệu nghiên cứu từ mô phỏng đến các mẫu thí nghiệm cho các cột ngắn CFST sử dụng bê tông có cường độ nén lớn, qua đó cho thấy tính cần thiết của hướng nghiên cứu cột CFST sử dụng bê tông có cường độ nén cao hơn 50 MPa Một số nghiên cứu tiêu biểu về thực nghiệm và mô phỏng cột CFST như sau:

Nghiên cứu của Giakoumelis et al [24] khảo sát ứng xử của cột bê tông cốt thép với các cường độ vật liệu khác nhau Tương tác giữa các bề mặt, tính ma sát và ứng suất ép ngang là các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của của các cột thép CFST Nghiên cứu đã chế tạo cho các mẫu có cường độ nén từ 30 – 100 MPa, có thành thép dày t = 22.9 – 30.5 mm và đường kính 114 mm Các dự toán cường độ chịu lực của các tiêu chuẩn châu âu như EC4, Úc, Mỹ cho 15 mẫu khá thấp so với kết quả thực nghiệm Kết quả cho thấy, dự đoán từ các tiêu chuẩn EC4 và BS4 dự đoán chính xác trong khoảng cường độ nén bê tông dưới 90 MPa Tuy nhiên, các cường độ còn lại thì d tiêu chuẩn dự đoán khá thấp

Trong nghiên cứu Evirgen et al [25] thử độ bền nén, mô đun đàn hồi và độ bền kéo của thép được sử dụng trong nghiên cứu này để xác định các đặc tính của vật liệu Các thí nghiệm nén dọc trục được thực hiện bằng cách sử dụng 48 mẫu ống thép chứa đầy bê tông và 16 ống thép tạo hình nguội rỗng Đối với tải trọng giới hạn, ứng suất dọc trục, độ dẻo và ứng xử oằn, các tác động của tỷ lệ chiều rộng/độ dày (b/t), cường độ nén của bê tông và hình dạng hình học của các đặc điểm mặt cắt ngang được khám phá Phương pháp thử nghiệm sẽ sử dụng các tiết diện hình tròn, hình lục giác, hình chữ nhật và hình vuông, các giá trị tỷ lệ 18,75, 30,00, 50,00 và 100,00 b/t cũng như các giá trị cường độ nén bê tông 13, 26 và 35 MPa Một chương trình phần

tử hữu hạn (ABAQUS) được sử dụng để tạo các mô hình phân tích mẫu vật và kết quả được so sánh Theo cả phép đo ứng suất dọc trục và độ dẻo, các mẫu tròn là những mẫu hữu ích nhất Mặc dù bê tông thường là vật liệu giòn, nhưng bê tông trong ống đã trải qua một lượng biến dạng đáng kể Các kết quả đưa ra một quan điểm mới về việc sử dụng thép và bê tông được tạo hình nguội làm vật liệu composite

Nghiên cứu Patel et al [26] Theo các thí nghiệm, thép không gỉ có cường độ nén cuối cùng cao hơn đáng kể so với độ bền kéo cuối cùng Độ bền nén của ống thép không gỉ có thể được đánh giá thấp hơn bằng mô hình cấu thành hai giai đoạn đầy đủ cho thép không gỉ, điều này đưa ra giả định rằng thép không gỉ thể hiện hành

vi ứng suất-biến dạng giống nhau khi nén và căng Nghiên cứu này trình bày một mô hình phần tử sợi để phân tích phi tuyến các cột ngắn hình ống tròn bằng thép không

gỉ nhồi bê tông (CFSST) dưới tác dụng nén dọc trục kết hợp các mối quan hệ ứng suất-biến dạng ba giai đoạn đầy đủ được phát triển gần đây dựa trên ứng xử được quan sát bằng thực nghiệm đối với thép không gỉ Các hiệu ứng giam cầm bê tông được cung cấp bởi ống thép không gỉ được xem xét bởi mô hình phần tử sợi Tính chính xác của mô hình phần tử sợi và mô hình cấu thành vật liệu cho thép không gỉ được kiểm tra bằng cách so sánh các giải pháp máy tính với dữ liệu thực nghiệm được báo cáo trong tài liệu Để điều tra ảnh hưởng của các tham số khác nhau đến hành vi của các cột ngắn CFSST hình tròn, các nghiên cứu tham số được thực hiện Đối với các cột ngắn CFSST tròn, một mô hình thiết kế dựa trên công thức thiết kế của Liang và Fragomeni được đưa ra và xác nhận dựa trên kết quả của các thí nghiệm, phân tích thành phần sợi, mã ACI-318 và Eurocode 4 Người ta đã chứng minh rằng

mô hình thành phần sợi có hiệu quả mô phỏng hành vi tải trọng-biến dạng dọc trục của các cột ngắn CFSST tròn khi nó kết hợp các mối quan hệ ứng suất-biến dạng ba giai đoạn đối với thép không gỉ Tải trọng trục cuối cùng bằng số và thử nghiệm của

các cột CFSST được dự đoán chính xác bằng mô hình thiết kế được đề xuất Độ bền dọc trục tối đa của các cột ngắn CFSST dường như bị đánh giá thấp nghiêm trọng theo tiêu chuẩn ACI-318 và Eurocode 4

Trong nghiên cứu Wang et al [27], tác động về kích thước của các cột ngắn hình ống tròn bằng thép nhồi bê tông chịu nén dọc trục đã được kiểm tra trong nghiên cứu này bằng cách sử dụng 36 cột ngắn với các đường kính khác nhau (150 mm -

460 mm) và tỷ lệ thép (4,0% - 10,0%) Người ta đã nghiên cứu xem kích thước ảnh hưởng như thế nào đến ứng suất dọc trục cực đại, biến dạng dọc trục cực đại, mô đun đàn hồi tổng hợp và hệ số dẻo Các phát hiện thực nghiệm chỉ ra rằng với việc tăng đường kính cột, ứng suất dọc trục cực đại, biến dạng dọc trục cực đại và hệ số dẻo của mẫu vật có xu hướng giảm Khi đường kính của mẫu vật tăng lên, các giá trị của

mô đun đàn hồi tổng hợp hầu như không đổi, cho thấy rằng không có bằng chứng về ảnh hưởng kích thước lên mô đun đàn hồi tổng hợp Trong khi đó, tỷ lệ thép trong khoảng 4–10% có ảnh hưởng đến hiệu ứng kích thước lên ứng suất dọc trục cực đại Ngoài ra, khi tỷ lệ thép tăng, tác động kích thước có xu hướng giảm đi Một hệ số giảm đã được tạo ra để tính đến tác động kích thước của lõi bê tông bằng cách so sánh nó với các mã hiện tại Hiệu ứng giam cầm được phát hiện làm cho hiệu ứng kích thước của lõi bê tông bên trong ống thép yếu hơn so với các cột bê tông không

bị hạn chế dựa trên hệ số giảm

Trong nghiên cứu Lin et al [28], dựa trên thử nghiệm cột CFT chịu tải bằng bê tông, đã tiết lộ rằng các tuyến ứng suất của bê tông bị hạn chế trong cột ống thép nhồi bê tông (CFT) tác động đến cường độ nén của bê tông Quỹ đạo ứng suất của

bê tông kín trong cột CFT chịu tải nguyên tiết diện được khảo sát trong nghiên cứu này nhằm nắm bắt hoàn toàn cường độ chịu nén của bê tông kín trong cột CFT Các đường ứng suất và các tác động liên quan của chúng đối với cường độ nén là chủ đề của một nghiên cứu tham số mở rộng Theo kết quả thử nghiệm, ứng suất ngang của

bê tông trong cột CFT chịu tải trọng toàn phần thường phát triển muộn hơn và ít nghiêm trọng hơn so với cột CFT chịu tải trọng bằng bê tông Hiệu ứng giam cầm của bê tông thường nhỏ hơn hiệu ứng trong cột CFT chịu tải bằng bê tông và cường

độ nén của bê tông hạn chế trong cột CFT chịu tải toàn phần với hệ số giam giữ khiêm tốn phụ thuộc vào đường đi Cường độ chịu nén của bê tông hạn chế trong các cột CFT chịu tải toàn phần trở nên độc lập với đường đi với sự gia tăng hệ số hạn chế Trên cơ sở các kết quả thử nghiệm, một mô hình cường độ nén cho bê tông bị hạn chế trong cả cột CFT chịu tải toàn phần và bê tông chịu tải được xây dựng Người

ta phát hiện ra rằng kết quả thực nghiệm và kết quả dự đoán của mô hình tương ứng tốt với nhau, chỉ ra hiệu suất mạnh mẽ của mô hình được đề xuất

Hiện nay, các công trình nghiên cứu về đặc tính và ứng xử của cột CFST sử dụng vật liệu có cường độ cao thông qua mô phỏng còn rất ít và hạn chế Ứng xử cơ học và cơ chế chịu lực khi bê tông cường độ cao và siêu cao sử dụng vẫn còn là câu hỏi đặt ra cho nhiều nhà nghiên cứu

1.4 Tổng quan về tiêu chuẩn thiết kế cho cột CFST

Hiện nay ở Việt Nam chưa có tiêu chuẩn cụ thể ban hành cho kết cấu CFST nói chung và cột CFST nói riêng Trên thế giới tùy theo từng khu vực và quốc gia khác nhau, tiêu chuẩn cho kết cấu liên hợp và CFST đã được đề xuất và có hướng tiếp cận khác nhau Các tiêu chuẩn phổ biến hiện nay bao gồm: tiêu chuẩn châu Âu Eurocode 4 (EC4)– EN 1994-1-1:2004 [9], tiêu chuẩn hiệp hội thép Mỹ ANSI/AISC 360-10:2010 [11], tiêu chuẩn của Nhật AIJ (2001) [12], tiêu chuẩn của hiệp hội bê tông Mỹ ACI 318R [10], tiêu chuẩn của Canada CISC (2007) [14], tiêu chuẩn của Trung Quốc DBJ/T13-51-2010 [13] Trong EC4 và CISC, hiệu ứng kiềm chế nở hông làm tăng cường độ tới hạn của cột được xem xét thông qua các hệ số nở hông

cho riêng thép và bê tông Tương tự tiêu chuẩn AIJ và DBJ cũng đưa các hệ số liên quan đến ảnh hưởng của việc nở hông làm tăng cường độ bê tông Tiêu chuẩn AISC thì dùng hệ số 0.95 cho tỉ lệ của phần bê tông lấp đầy trong tổng cường độ chịu nén dọc trục của cột Trái lại tiêu chuẩn ACI lại không xem xét đến ảnh hưởng của nở hông mà sức kháng của cột được tính bằng tổng sức kháng của bê tông và ống thép Hiệu ứng độ mảnh khi chiều cao cột tăng được xem xét kĩ trong tiêu chuẩn EC4, AISC và AIJ Nhìn chung các tiêu chuẩn đều dựa trên các thí nghiệm thực tế và có

sự điều chỉnh hợp lí

Bảng 1 1: Hạn chế về mặt cường độ trong các tiêu chuẩn quốc tế cho cột CFST [3]

Tuy nhiên tất cả các tiêu chuẩn quốc tế nói trên đều có hạn chế nhất định đó là chỉ phù hợp với cột CFST sử dụng bê tông thường và ống thép thường [7] Bảng 1-

1 mô tả các hạn chế về mặt cường độ vật liệu sử dụng trong tiêu chuẩn tính toán quốc tế EC4 giới hạn bê tông cho cột CFST chỉ đến cường độ 50 MPa, trong khi đó AISC cường độ bê tông phù hợp là 70 MPa Hiện nay tiêu chuẩn AIJ đã áp dụng cho phép các loại bê tông có cường độ nén đạt đến 90 MPa Cho đến thời điểm hiện tại, chưa có tiêu chuẩn nào ban hành cho việc sử dụng chấp nhận sử dụng bê tông

có cường độ nén trên 90 MPa trong chế tạo các cột CFST [3] Các nhóm và hiệp hội

nghiên cứu khác nhau đang quan tâm rất nhiều đến việc cập nhật tính phù hơp của các tiêu chuẩn cho cột CFST dùng vật liệu có cường độ cao và siêu cao Việc bê tông cường độ cao và siêu cao đang bắt đầu được ứng dụng hiệu quả cho thấy sự cần thiết phải nghiên cứu tính phù hợp của tiêu chuẩn thiết kế cho các loại vật liệu cường độ cao này

Tiêu Chuẩn Eurocode 4 - NEC4

Với cột tròn có độ mảnh tương đối thỏa mãn  ≤ 0.5 và tỉ số độ lệch tâm e/D ≤ 0.1 thì lực nén cực hạn (NEC4) được xác định như sau:

e D

0

10 1

e D

ra trong tiêu chuẩn EC4 được tính như sau:

'

cr

A f A f N

+

Lực gây mất ổn định N cr:

( ) 4 2

4

2

EC eff EC

cr

e

EI N

Is và Ic lần lượt là môment quán tính của thép và bê tông Môdun đàn hồi bê tông Ec

Tiêu Chuẩn AISC_LRFD – NAISC

Cho cột có tiết diện tròn sử dụng chung một công thức sau để xác định lực nén tới hạn của cột:

(1-8)

(1-9) (1-10) với N0 là lực nén tương đương và Ncr là lực nén gây mất ổn định

Kết cấu CFST tổng quát và cũng như cụ thể cột CFST, tại Việt Nam vẫn chưa

có nhiều nghiên cứu chuyên sâu để ứng dụng Hơn nữa các tài liệu tính toán cũng như các báo cáo của các dự án cầu vòm CFST ở Việt Nam vẫn còn rất hiếm hoi Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng thì kết cấu CFST vẫn hoàn toàn mới mẻ ở Việt Nam Quy trình quy phạm về loại kết cấu này vẫn chưa được phổ biến ở Việt Nam

cr ACI

CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG TRONG PHẦN MỀM ABAQUS

2.1 Dữ liệu thí nghiệm cột ngắn CFST có tiết diện hình tròn

Bộ dữ liệu được công bố ở các nghiên cứu trên thế giới về cột CFST chủ yếu bao gồm là nén trên toàn mặt cắt được trình bày trong bảng 2-1 Ở đây kí hiệu thường được cho như sau:

- Cột chịu nén trên toàn măt cắt tên gọi là CFST

Thông số về cường độ của thép và bê tông có tính đa dạng và phân bố rộng như sau:

- Cường độ nén phá hủy của mẫu trục 150x300, f c ’ dao động trong khoảng

Chiều dày t (mm)

Chiều cao L (mm)

CC8-D-8 337 6.47 1011 823 85.1 13776 C3

2497

2314 C7

2610

2633

Số hiệu Tác giả

Đường kính D (mm)

Chiều dày t (mm)

Chiều cao L (mm)

Hình 2 1: Thí nghiệm nén đúng tâm CFST của Schneider (2006) [20]

2.2 Giới thiệu sơ lược về phần mềm ABAQUS

ABAQUS là một phần mềm thương mại được dùng phân tích kết cấu thông qua việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method viết tắt là FEM) ABAQUS được dùng để mô phỏng và tính toán cá cấu kiện trong các chuyên nghành

kĩ thuật khác nhau dưới các tải trọng khác nhau Ngoài ra việc ứng dụng ABAQUS

còn được dùng trong các lĩnh vực khác ngoài kết cấu như: nhiệt, dòng chảy, điện, diện tử, tương tác giữa các môi trường Quá trình mô phỏng trong ABAQUS cơ bản bao gồm các trình tự sau: xử lý số liệu – tính toán phân tích – xử lý kết quả Trong từng quá trình trên sẽ bao gồm các bước nhỏ như sau [18]:

2.3.Xây dựng mô hình mô phỏng trong Abaqus

2.3.1 Mô hình phần tử tấm S4R, CAX4

Phần tử lập phương khối C3D8R (solid element) được sử dụng để mô phỏng lõi BTCT và vỏ théo Rất nhiều các nghiên cứu trước đây cũng lựa chọn phần tử tuyến tính C3D8R cho phần tử lõi và vỏ của các cột đang nghiên cứu bởi vì tiết kiệm các tài nguyên tính toán và thoả mãn các vấn đề liên quan về sự hội tụ

Tên phần tử chia lưới C3D8R hàm chứ ý nghĩa của phần tử Trong đó: