mô phỏng ứng xử của dầm ống thép nhồi bê tông

Khảo sát sự ảnh hưởng của các đại lượng khác nhau của ống thép nhồi bê tông đến ứng xử của dầm ống thép nhồi bê tông chịu tải đơn 4.. - Khảo sát sự ảnh hưởng của các đại lượng khác nhau

GIỚI THIỆU

Đặt vấn đề

Ống thép nhồi bê tông (CFST) là cấu kiện hỗn hợp gồm ống thép và lõi bê tông Bê tông sau khi đông cứng sẽ làm việc chung với ống thép, giúp CFST có đặc tính cơ học vượt trội hơn hẳn kết cấu thép hoặc bê tông cốt thép Ống thép có thể có tiết diện vuông, chữ nhật hoặc tròn Tiết diện vuông và chữ nhật thường dùng cho dầm, còn tiết diện tròn phù hợp cho cột vì khả năng chịu lực nở ngang tốt hơn.

Hình 1.1: Mặt cắt ngang các loại CFST điển hình

Trong những năm gần đây, CFST đang được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau bao gồm các công trình nhà cao tầng, nhà xưởng, công trình cầu, và công trình ngoài khơi nhờ vào những ưu điểm sau:

- Độ bền và độ dẻo cao: Việc ống thép bao quanh lõi bê tông giúp tạo ra hiệu ứng kháng nở hông Khi bê tông chịu tải nén, ống thép sẽ ngăn chặn sự giãn nở của bê tông và giúp bê tông tăng khả năng chịu tải và tăng tính dẻo dai

Trong khi đó, bê tông sẽ giúp ống thép không bị mất ổn định cục bộ khi chịu tải Nhờ có tính dẻo tốt nên kết cấu CFST có thể chịu được tải trọng động đất, giúp công trình không bị sụp đổ

- Tính linh hoạt về mặt kiến trúc: Sự kết hợp giữa thép và bê tông trong kết cấu CFST mang lại sự linh hoạt về hình dạng, kích thước và khả năng tích hợp với các vật liệu xây dựng khác Kích thước mặt cắt ngang có thể được giảm do tăng cường độ vật liệu Ống thép có thể ở hình dạng cong hoặc thẳng cho phép tạo ra các cấu trúc độc đáo và có tính thẩm mỹ Bên cạnh đó, kết cấu CFST có thể được thiết kế để chịu các loại tải trọng khác nhau và hỗ trợ các công trình có nhịp lớn Đặc tính này cho phép các kiến trúc linh hoạt hơn trong các thiết kế công trình

- Hiệu quả kinh tế: So với kết cấu bê tông cốt thép và kết cấu thép thông thường, giải pháp sử dụng kết cấu CFST đạt hiệu quả kinh tế cao hơn vì ống thép đóng vai trò như ván khuôn cho bê tông mà không cần dùng mẫu ván khuôn riêng biệt Qua đó giúp đẩy nhanh tiến độ và tiết kiệm đáng kể các chi phí liên quan trong quá trình xây dựng Bên cạnh đó, sự bền vững về tuổi thọ của kết cấu CFST giúp tiết kiệm chi phí bảo trì và sửa chữa trong thời gian dài Ống thép nhồi bê tông đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Trong lĩnh vực cầu đường, việc xây dựng đường cao tốc và đường sắt cao tốc quy mô lớn đòi hỏi phải phát triển các cầu vòm nhịp dài Do đó, CFST được sử dụng trong vòm chính của các công trình cầu Trong những công trình này, bao gồm các cầu với khẩu độ nhịp lớn để đáp ứng nhu cầu bắc qua các con sông rộng Theo thống kê, trong vòng 20 năm qua, Trung Quốc có hơn 400 cây cầu vòm CFST đã được xây dựng [2] Đặc biệt, cầu Pingnan Third (Hình 1.2-a) được ghi nhận là cầu vòm có nhịp chính dài nhất thế giới với chiều dài nhịp 575 m Ở Việt Nam, cầu Ông Lớn (Hình 1.2-b), cầu Xóm Củi (Hình 1.2-c), và cầu Cần Giuộc (Hình 1.2-d) là một trong những cây cầu áp dụng CFST cho kết cấu vòm chủ

Giới thiệu 3 a) Cầu Pingnan Third – Trung Quốc [3] b) Cầu Ông Lớn –TP.HCM [4] c) Cầu Xóm Củi – TP.HCM [5] d) Cầu Cần Giuộc – TP.HCM [6]

Hình 1.2: Một số công trình cầu sử dụng kết cấu CFST

Hình 1.3: Tòa Trung tâm thương mại Osaka World [7]

Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp, kết cấu CFST cũng được áp dụng khá nhiều Ở Nhật Bản, loại kết cấu này được sử dụng để đáp ứng nhu cầu chịu tải trọng động đất Hình 1.3 là tòa Trung tâm thương mại Osaka World với chiều cao

Công trình 256 m là một tổ hợp đa năng với các không gian văn phòng, triển lãm, nhà hàng và đài quan sát, được thiết kế với hệ khung ống thép nhồi bê tông (CFST) làm kết cấu chịu lực chính Ống thép nhồi bê tông đang được ứng dụng ngày càng phổ biến trong xây dựng, vì vậy nhu cầu nghiên cứu về CFST là cấp thiết Mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu về cấu kiện cột CFST, nhưng các nghiên cứu về dầm CFST vẫn còn hạn chế Để phát triển kết cấu khung CFST trong tương lai, cần thực hiện thêm nhiều nghiên cứu về cấu kiện dầm CFST, chính vì vậy đề tài "Mô phỏng ứng xử của dầm ống thép nhồi bê tông" ra đời.

Mục đích nghiên cứu

Cụ thể các nội dung của nghiên cứu trong luận văn như sau:

- Nghiên cứu tổng quan về dầm CFST

- Xây dựng mô hình dầm CFST và phân tích theo phương pháp PTHH bằng phần mềm phân tích kết cấu

- Khảo sát sự ảnh hưởng của các đại lượng khác nhau của CFST như cường độ bê tông, cường độ thép, và tỷ số D/t đến ứng xử của dầm CFST chịu tải trọng nén đơn thuần

- Phân tích mức độ ảnh hưởng của các đại lượng khảo sát đến các đặc trưng cơ học của dầm CFST chịu tải trọng nén đơn thuần

- Các kết quả trên được so sánh và rút ra các kết luận

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: dầm CFST tiết diện vuông

- Phạm vi nghiên cứu: mô phỏng ứng xử khi chịu uốn dưới tác dụng của tải trọng nén đơn thuần và khảo sát sự ảnh hưởng của các đại lượng khác nhau đến ứng xử và các đặc trưng cơ học của dầm CFST.

Ý nghĩa của nghiên cứu

- Ứng xử cơ học của dầm CFST dưới tác dụng của tải trọng nén đơn thuần sẽ được làm rõ

- Các đặc trưng cơ học của dầm CFST dưới tác dụng của tải trọng nén đơn thuần sẽ được phân tích và so sánh để cung cấp những thông tin cho việc thiết kế dầm CFST Phương pháp đàn hồi – dẻo tương đương được áp dụng để xác định giá trị của các đặc trưng cơ học trong nghiên cứu này

- Kết quả thu được sau khi mô phỏng và đánh giá sẽ là tiền đề để phát triển những nghiên cứu mới sau này

Dầm CFST, được xem là kết cấu liên hợp tiềm năng trong xây dựng dân dụng và công nghiệp, đang dần thay thế dầm bê tông cốt thép truyền thống Ưu điểm nổi trội của dầm CFST bao gồm khả năng chịu lực lớn, độ dẻo cao và độ cứng lớn, khiến chúng được ứng dụng rộng rãi trong các công trình cầu, nhà xưởng, nhà cao tầng Nghiên cứu này góp phần đánh giá ứng xử chịu uốn của dầm CFST dưới tác dụng của tải trọng nén đơn thuần, mở rộng hướng nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của loại kết cấu này.

Cấu trúc luận văn

Nội dung luận văn bao gồm 5 chương Chương 1 nêu lên lý do thực hiện đề tài nghiên cứu, mục đích nghiên cứu, đối tượng, và phạm vi nghiên cứu Ngoài ra, phương pháp và ý nghĩa nghiên cứu cũng được trình bày trong chương này Chương

2 trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu kết cấu CFST Chương này được chia làm

2 phần bao gồm tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về các vấn đề liên quan đến đề tài nghiên cứu Các vấn đề này được tổng kết và nhận xét để rút ra định hướng nghiên cứu của luận văn Chương 3 giới thiệu về phần mềm ABAQUS, đây là phần mềm được sử dụng để mô phỏng dầm CFST Tiếp theo, chương này đề cập đến cơ sở lý thuyết về mô hình vật liệu của bê tông khi chịu nén và kéo, mô hình vật liệu của thép để khai báo trong phần mềm ABAQUS Bên cạnh đó, lý thuyết về tương tác giữa ống thép và lõi bê tông cũng được giới thiệu trong chương này Sau cùng là phần trình bày về loại phần tử được sử dụng trong ABAQUS

Chương 4 trình bày các bước mô phỏng ứng xử chịu uốn của dầm CFST bằng phần mềm ABAQUS Kết quả mô phỏng được trình bày bao gồm: kết quả chuyển vị, phân bố ứng suất trong ống thép và lõi bê tông Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với kết quả thí nghiệm thực tiễn dựa trên phương diện đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị Trên cơ sở mô hình đã mô phỏng, chương này nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ số D/t, cường độ bê tông và thép đối với ứng xử của dầm CFST Từ các kết quả thu được ở chương 4, chương 5 rút ra một số kết luận quan trọng về điểm mạnh và điểm yếu của phương pháp kèm với các kiến nghị cho những nghiên cứu tiếp theo Mục tài liệu tham khảo trong luận văn trích dẫn các tài liệu liên quan phục vụ cho mục đích nghiên cứu của đề tài

TỔNG QUAN

Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Elchalakani và cộng sự [8] đã thực hiện thí nghiệm nghiên cứu ứng xử của ống CFST tiết diện tròn chịu uốn Thí nghiệm bao gồm 12 mẫu CFST có cùng chiều dài

1500 mm Mẫu thử được đặt trên hệ thống uốn thuần túy được thiết kế và vận hành tại Đại học Monash Ưu điểm của hệ thống này là khả năng tác dụng moment uốn thuần túy tại giữa nhịp của mẫu thử mà không tạo ra lực dọc trục hoặc lực cắt đáng kể Tác giả đã khảo sát ảnh hưởng của đại lượng D/t đến cấu kiện CFST bằng cách cho tỷ số D/t thay đổi từ 12 đến 110 Bên cạnh đó, tác giả cũng so sánh ứng xử của cấu kiện CFST với thép ống tròn rỗng Kết quả thí nghiệm cho thấy khi tỷ số D/t ≤

40 thì việc nhồi bê tông vào trong ống thép giúp ngăn cản sự mất ổn định cục bộ và việc bê tông được nhồi trong ống thép giúp tăng cường độ bền, độ dẻo, và khả năng hấp thụ năng lượng Ngoài ra, công thức tính khả năng chịu uốn giới hạn của CFST được xác định dựa trên các khối ứng suất dẻo theo các tiêu chuẩn như AISC, AIJ, CIDECT, và EC4 phù hợp với kết quả thí nghiệm

Han [9] đã thực hiện thí nghiệm nghiên cứu khả năng chịu uốn của 16 mẫu dầm CFST tiết diện vuông và chữ nhật Thí nghiệm uốn 4 điểm với các dầm đều có chiều dài 1100 mm Bên cạnh đó, tác giả đã thiết lập mô hình PTHH khảo sát sự ảnh hưởng của các đại lượng như tỷ số chiều cao trên chiều rộng mặt cắt tiết diện từ 1 đến 2, tỷ số độ mảnh của ống thép từ 20 đến 50 đối với khả năng chịu uốn của dầm Kết quả cho thấy đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị từ kết quả mô phỏng có hình dạng tương đương với kết quả thí nghiệm Từ đó, tác giả đề xuất phương pháp đơn giản hóa tính toán khả năng chịu uốn của dầm CFST dựa trên mô hình đã thiết lập Khả năng chịu uốn của dầm từ kết quả mô phỏng và thí nghiệm được so sánh với giá trị

Tổng quan 8 tính toán theo các tiêu chuẩn AIJ-1997, BS5400-1979, EC4-1994, LRFD-AISC (1999) và phương pháp được đề xuất Nhìn chung, khả năng chịu uốn tính toán theo tiêu chuẩn AIJ (1997) và LRFD-AISC (1999) thấp hơn khoảng 20% so với thí nghiệm, khả năng chịu uốn tính toán theo tiêu chuẩn BS5400 (1979) thấp hơn khoảng 12% so với thí nghiệm EC4 (1994) và phương pháp đề xuất có kết quả thấp hơn khoảng 10% so với kết quả thí nghiệm Nghiên cứu này là cơ sở thiết lập công thức tính toán khả năng chịu uốn của dầm CFST tiết diện vuông và chữ nhật để đưa vào tiêu chuẩn thiết kế

Gho và Liu [10] đã thực hiện thí nghiệm kiểm tra khả năng chịu uốn của dầm CFST chịu tải trọng nén đơn giản Thí nghiệm bao gồm 12 ống thép rỗng dài 1600 mm tiết diện chữ nhật với các kích thước mặt cắt ngang là 150 × 150 mm, 200 × 150 mm, và 250 × 150 mm có giới hạn chảy lần lượt là 438 MPa, 495 MPa, và 409 MPa

Bê tông cường độ cao (f’ c = 56,3 - 90,9 MPa) được đổ vào trong các ống thép Sự mất ổn định cục bộ được ghi nhận cụ thể trên bề mặt mẫu thí nghiệm Trong thí nghiệm, độ biến dạng và độ võng của mẫu lần đầu tiên được ghi lại ở khoảng tải bằng 5% tải trọng phá hủy Đối với tất cả các mức tải trọng, việc gia tải được tạm dừng trong một phút để ổn định độ dẻo của thép và vết nứt của bê tông Vết nứt bê tông xuất hiện đầu tiên được ghi nhận ở mức tải trọng xấp xỉ 50 kN đối với mẫu B01 đến B04, 80 kN đối với mẫu B05 đến B08, và 100 kN đối với mẫu B09 đến B12 Sau khi mẫu bị uốn, tải trọng được tác dụng liên tục Kết quả thí nghiệm sẽ được so sánh với các giá trị được tính toán từ các công thức thiết kế trong EC4, ACI, và AISC Để tăng độ tin cậy cho kết quả nghiên cứu, khả năng chịu uốn từ kết quả thí nghiệm được so sánh với kết quả tính toán theo các tiêu chuẩn EC4, ACI, và AISC Kết quả cho thấy giá trị tính toán khả năng chịu uốn theo tiêu chuẩn EC4 có độ chênh lệch nhỏ nhất so với kết quả thí nghiệm là 11% Mặt khác, kết quả tính toán theo tiêu chuẩn ACI và AISC thấp hơn khả năng chịu uốn của mẫu thử lần lượt là 15 và 18% So sánh với dữ liệu thí nghiệm nghiên cứu trước đây cho thấy tiêu chuẩn EC4, ACI và AISC dự đoán chính xác cường độ chịu uốn lần lượt là 9, 12, và 15% Tác giả cũng nhận định cần

Tổng quan 9 có thêm nhiều nghiên cứu để có độ chính xác cao hơn khi thiết kế cột CFST tiết diện chữ nhật

Moon và cộng sự [11] đã thiết lập mô hình PTHH bằng phần mềm ABAQUS để mô phỏng ứng xử chịu uốn của CFST tiết diện tròn Ống thép được mô phỏng có đường kính và độ dày lần lượt là 508 mm và 6,4 mm Cường độ chịu nén của bê tông f c là 84 MPa và giới hạn chảy của thép f y là 521 MPa Dầm CFST có chiều dài 5490 mm với tải tuần hoàn được tác dụng tại giữa nhịp Tác giả khảo sát ảnh hưởng của hệ số ma sát thông qua quan hệ moment – độ trượt và quan hệ độ trôi – độ trượt Kết quả cho thấy độ trượt mô phỏng bị ảnh hưởng đáng kể bởi hệ số ma sát, trong khi ảnh hưởng của hệ số ma sát đến cường độ giới hạn là ít đáng kể hơn Hệ số ma sát 0,47 dự đoán tốt nhất về cả lực cản và độ trượt, và giá trị này được chọn để sử dụng trong mô hình phân tích Bên cạnh đó, tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ số độ mảnh của ống thép (D/t) và tính chất của vật liệu đối với hiệu ứng kháng nở hông, tương tác liên hợp, và ứng xử của cấu kiện CFST Các kết quả phân tích được so sánh với các thí nghiệm và mô hình nghiên cứu trước đó Kết quả cho thấy việc giảm tỷ số giới hạn chảy của thép trên cường độ chịu nén của bê tông ( f y / f c ) làm chậm quá trình gây mất ổn định cục bộ và tăng khả năng chịu uốn của CFST Mặt khác, tỷ số độ mảnh D/t ít ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn của cấu kiện này Nghiên cứu này là cơ sở thiết kế khả năng chịu uốn của cấu kiện CFST

Wang và cộng sự [12] nghiên cứu khả năng chịu uốn của dầm CFST tiết diện chữ nhật nhồi bê tông bằng cách thiết lập mô hình phần tử hữu hạn Khả năng chịu uốn và đường cong ứng xử moment - chuyển vị tại vị trí giữa nhịp từ kết quả thí nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng Các mẫu dầm được thí nghiệm uốn 3 điểm và 4 điểm Các mẫu được nạp theo phương pháp tải 3 điểm hoặc 4 điểm Đường quan hệ moment − độ võng của kết quả mô phỏng có sự tương đồng giữa đường cong tải trọng so với biến dạng dự đoán và kết quả thu được từ các thí nghiệm Khi chịu uốn, dầm CFST tiết diện chữ nhật nhìn chung trải qua các giai đoạn biến dạng đàn hồi, đàn hồi

− dẻo, và biến dạng dẻo Không có đường cong giảm dần rõ ràng cho đến khi mẫu

Tổng quan 10 đạt được độ bền giới hạn Độ võng của dầm có thể lớn hơn hoặc bằng 1/10 chiều dài dầm và độ võng giữa nhịp đạt tới 10 lần chiều cao mặt cắt tiết diện Các mẫu CFST tiết diện chữ nhật chịu uốn có đặc tính rất dẻo Trong thực nghiệm, vết nứt của bê tông ở vùng chịu kéo làm giảm độ cứng của các cấu kiện liên hợp Tuy nhiên, trong mô phỏng, vết nứt bê tông ở mức ứng suất thấp sẽ được bỏ qua Do đó, có sự khác biệt về độ cứng đàn hồi giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng ở giai đoạn đàn hồi Trong giai đoạn đàn hồi − dẻo và giai đoạn dẻo, giá trị moment từ kết quả mô phỏng phù hợp với các kết quả thí nghiệm Kết quả kiểm chứng cho thấy mô hình được mô phỏng đúng ứng xử chịu uốn của cấu kiện dầm CFST Từ đó tác giả sử dụng mô hình mô phỏng để nghiên cứu các dạng phá hủy lõi bê tông, các biến dạng điển hình của ống thép và sự phân bố ứng suất, biến dạng trên tiết diện liên hợp khi chịu tải tác dụng Kết quả phân tích cho thấy tương tác giữa thép và bê tông trong dầm liên hợp tạo ra sự phân bố lại ứng suất làm cho dầm CFST có khả năng chịu uốn và độ dẻo cao Tác giả đã dùng phương pháp phân tích độ tin cậy để hiệu chỉnh các công thức thiết kế dầm liên hợp hiện có trong tiêu chuẩn EC4 (2004), AISC (2010) và DBJ/T13-51-2010 (2010) và nhận thấy các công thức thiết kế đều thỏa mãn yêu cầu về độ tin cậy Ngoài ra, cơ chế truyền tải của CFST tiết diện chữ nhật tương tự như cơ chế truyền tải của CFST hình tròn Đối với các cấu kiện CFST hình chữ nhật, góc xiên θ của thanh giằng chéo giảm từ 42,51−18,21 khi tăng tỷ số nhịp cắt trên chiều cao dầm từ 1−5

Joseph và cộng sự [13] nghiên cứu ứng xử chịu uốn của 3 mẫu dầm gồm dầm bê tông cốt thép, dầm CFST, và dầm ống thép nhồi bê tông cốt thép Tác giả đã thiết lập mô hình phần tử hữu hạn bằng phần mềm ANSYS để mô phỏng ứng xử của ba cấu kiện Ba dầm có cùng chiều dài 4500 mm và kích thước mặt cắt tiết diện chữ nhật là

300 × 400 mm Tác giả sử dụng vật liệu bê tông mác M25 và thép Fe415 Kết quả phân tích cho thấy dầm CFST có cốt thép xuất hiện vết nứt đầu tiên khi tải trọng có giá trị là 62,56 kN, giá trị này lớn hơn giá trị tải của hai mẫu dầm còn lại Bên cạnh đó, dầm ống thép nhồi bê tông cốt thép cũng có độ võng thấp nhất trong ba mẫu Nhìn

Tổng quan 11 chung, dầm ống thép nhồi bê tông cốt thép giúp chống lại lực kéo, mô-men uốn và khả năng chịu tải tốt hơn khi so sánh với dầm bê tông cốt thép và dầm CFST

Chavan và Kadam [14] đã thực hiện thí nghiệm nghiên cứu ứng xử chịu uốn của dầm CFST Tác giả thí nghiệm tổng cộng 9 mẫu, trong đó 3 mẫu là ống thép rỗng và còn lại 6 mẫu là CFST với các kỹ thuật liên kết khác nhau Các ống thép có cùng chiều dài là 1000 mm với kích thước mặt cắt ngang là 96 × 48 mm và độ dày ống thép là 3,2 mm Dầm CFST được thí nghiệm chịu tải trọng tĩnh và được đặc trên hai gối tựa cách nhau 900 mm Máy thí nghiệm đa năng có công suất 200 tấn được sử dụng trong thí nghiệm này Tải trọng được áp dụng với tốc độ 2 KN/phút Biến dạng được ghi nhận ở mỗi khoảng cách 2 KN Tải trọng được tác dụng cho đến khi kim đồng hồ quay trở lại vị trí ban đầu và giá trị tải trọng cuối cùng được ghi nhận là tải trọng giới hạn của dầm Tác giả so sánh độ cứng chịu uốn của thí nghiệm với giá trị tính toán theo các tiêu chuẩn như AIJ-1997, BS5400-1979, EC4-19944, và LRFD- AISC-1999 Kết quả cho thấy khả năng chịu uốn của CFST cao gần gấp đôi ống thép rỗng vì bê tông trong ống thép đã ngăn cản được sự hư hỏng đột ngột

Ghannam [15] đã thực hiện thí nghiệm 6 mẫu bao gồm 2 dầm ống thép rỗng tiết diện hình chữ nhật và 4 dầm CFST tiết diện vuông chịu uốn với tỷ số chiều rộng mặt cắt ngang trên chiều dày ống thép (D/t) lần lượt là 23,8 và 27,8 Sáu mẫu đã được thí nghiệm với cường độ bê tông là 20 MPa Các dầm có cùng chiều dài là 1200 mm và kích thước mặt cắt ngang là 88,9 × 88,9 mm và 114,3 × 114,3 mm Các mẫu thí nghiệm được phân thành hai nhóm khác nhau Mỗi nhóm bao gồm hai mẫu được đổ đầy bê tông thông thường (B2 và B5) và nhóm thay thế một phần cốt liệu thô bằng đá granit (25%) (B3 và B6) Nhóm mẫu dầm thứ ba là dầm tiết diện rỗng (B1 và B4)

Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, một số nghiên cứu về dầm CFST cũng đã được thực hiện:

Nguyen [21] đã nghiên cứu về ứng xử chịu uốn của dầm CFST bằng phần mềm ABAQUS Các mô hình số bao gồm ống thép rỗng, ống thép nhồi vữa cường độ thấp, CFST cường độ bình thường, và CFST với bản bê tông phía trên như một dầm cầu

Tổng quan 15 đã được thiết lập và xác minh với các kết quả thực nghiệm được công bố trước đó Ứng xử cơ học của CFST chịu ảnh hưởng bởi cường độ bê tông Sự hiện diện của bê tông nhồi làm kéo dài phạm vi dẻo của ống thép rỗng Cường độ chịu uốn của CFST cao hơn 56% so với cường độ chịu uốn của ống thép rỗng Trong khi đó, cường độ chịu uốn của ống thép nhồi vữa cường độ thấp cao hơn 32% so với cường độ chịu uốn của ống thép rỗng Điều này cho thấy bê tông nhồi đóng vai trò quan trọng trong việc tăng độ dẻo và cường độ chịu uốn của ống thép rỗng Mặt khác, việc sử dụng vữa cường độ thấp có thể làm giảm trọng lượng bản thân dầm mà vẫn đảm bảo khá tốt khả năng chịu uốn Việc sử dụng dầm CFST như một dầm cầu thay thế cho dầm

I truyền thống cũng đã được xem xét Trên cơ sở hai tiết diện dầm có cùng độ cứng

EI, kết quả cho thấy dầm CFST có một độ dẻo cao hơn so với dầm I

Vu và cộng sự [22] đã nghiên cứu ứng xử của cấu kiện ống thép hai lớp nhồi bê tông (CFDST) có hệ neo chống cắt chịu uốn thuần túy bằng phương pháp PTHH Mô hình 3D của cấu kiện CFDST có hệ neo chống cắt dạng đinh mũ được xây dựng và phân tích sử dụng phần mềm ABAQUS Mô hình PTHH của cấu kiện CFDST được kiểm chứng bằng kết quả thí nghiệm Kết quả kiểm chứng cho thấy mô hình được xây dựng mô phỏng chính xác sự làm việc chịu uốn của cấu kiện CFDST, từ đó ảnh hưởng của các tham số hình học bao gồm tỷ số độ mảnh của ống thép ngoài (D o /t o ), tỷ số độ mảnh của ống thép trong (D i /t i ), và tỷ số giữa đường kính ống thép trong và ống thép ngoài (D i /D o ) đến ứng xử của loại cấu kiện này khi chịu uốn được nghiên cứu thông qua phân tích mô hình PTHH đã được xây dựng Kết quả cho thấy việc tăng tỷ số lỗ rỗng D i /D o dẫn đến sự gia tăng khả năng chịu lực của cấu kiện khi chịu uốn và do đó giảm đáng kể trọng lượng bản thân của cấu kiện Cụ thể, việc tăng tỷ số

D i /D o từ 0,25 lên 0,7 dẫn đến giảm 36% trọng lượng của cấu kiện Bên cạnh đó, việc sử dụng các ống thép ngoài có chiều dày mỏng hơn dẫn đến giảm độ cứng ban đầu và đồng thời giảm đáng kể khả năng chịu lực của cấu kiện Cụ thể là khi tỷ số D o /t o tăng từ 60 lên 80, 100, 110, 120, 130, và 140 thì khả năng chịu lực của cấu kiện bị giảm tương ứng là 19,30%; 30,20%; 33,51%; 36,42%; 39,35%; và 41,62% Ngoài ra, tỷ số độ mảnh của ống thép trong chỉ ảnh hưởng nhỏ đến độ cứng ban đầu của cấu

Tổng quan 16 kiện nhưng ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu lực của nó Khả năng chịu lực của cấu kiện giảm gần tuyến tính tương ứng với độ tăng của tỷ số độ mảnh của ống thép trong.

Tổng kết

Hiện nay, trên thế giới đã có những nghiên cứu về thực nghiệm lẫn mô phỏng cho dầm CFST Dầm CFST với các tiết diện mặt cắt ngang khác nhau như tiết diện tròn, vuông, và chữ nhật đã được nghiên cứu Vật liệu được sử dụng trong nghiên cứu gồm có thép thông thường đến thép cường độ cao, bê tông thông thường đến bê tông cường độ cao Các tác giả tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu và các tham số hình học đến ứng xử của dầm CFST Ngoài ra, khả năng chịu lực của dầm CFST cũng được so sánh với các loại dầm khác Tuy nhiên, tại Việt Nam các nghiên cứu về cấu kiện dầm CFST còn khá hạn chế Các vấn đề về vật liệu, tương tác giữa thép và bê tông, và sự ảnh hưởng của các đại lượng đến ứng xử của dầm CFST cần được tìm hiểu Do đó, việc đẩy mạnh các nghiên cứu trong lĩnh vực này là công việc rất đáng được quan tâm để phục vụ cho công tác thiết kế sau này

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mô hình vật liệu

3.1.1 Mô hình vật liệu bê tông

Trong phần mềm ABAQUS, mô hình phá hoại dẻo CDPM (Concrete Damage Plasticity Model) được sử dụng để khai báo mô hình vật liệu bê tông Hình 3.1 thể hiện mô hình vật liệu bê tông chịu nén được dùng trong nghiên cứu này Đây là mô hình “Confined concrete” được đề xuất bởi Han và cộng sự [24], bao gồm 2 giai đoạn:

Hình 3.1: Mô hình vật liệu bê tông chịu nén [24]

Giai đoạn đàn hồi - dẻo đặc trưng bởi mối quan hệ ứng suất - biến dạng tuyến tính, được mô tả bằng công thức (3.1) Đường cong ứng suất - biến dạng là một đường thẳng trong giai đoạn này Theo Sadeghi và Nouban, giới hạn của giai đoạn tuyến tính này được xác định tại điểm ứng suất đạt 0,45σo.

[25] Độ dốc của đường tuyến tính là mô-đun đàn hồi của bê tông được xác định theo công thức (3.2) Quan hệ ứng suất – biến dạng là một đường cong parabol được bắt đầu từ điểm có ứng suất 0, 45 o cho đến điểm có ứng suất tới hạn của bê tông σ o Giá trị σ o được xác định bởi công thức (3.3) Biến dạng ε o tương ứng với ứng suất tới hạn được xác định bởi công thức (3.4)

Với f c là cường độ chịu nén trung bình của mẫu bê tông hình trụ

- Giai đoạn tái bền (  0 ): Mối quan hệ ứng suất – biến dạng được xác định bởi công thức (3.6) Đường cong ứng suất – biến dạng trong giai đoạn này phụ thuộc vào hệ số kháng nở hông (ξ) Giá trị của hệ số kháng nở hông được tính bởi công thức (3.9) Khi ξ > ξ o thì đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng có xu hướng dần đi lên Khi ξ = ξ o thì đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng có dạng tương đương như một đường thẳng Khi ξ < ξ o thì đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng có xu hướng dần đi xuống Hệ số kháng nở hông càng nhỏ thì đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng có xu hướng đi xuống càng nhanh Trong đó, ξ o có giá trị là 4,5 đối với CFST tiết diện vuông theo đề xuất của Han và cộng sự [24] Đường cong ứng suất – biến dạng kết thúc tại điểm có biến dạng giới hạn tương ứng với ứng suất có giá trị bằng 0,85σ o dựa theo đề xuất Sadeghi và Nouban [25]

Trong công thức (3.9), α là hàm lượng thép, A s và A c lần lượt là diện tích mặt cắt ngang của ống thép và lõi bê tông, f y là giới hạn chảy của thép và, f ck là cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông

Hình 3.2: Mô hình vật liệu bê tông chịu kéo [26]

Hình 3.2 thể hiện mô hình vật liệu bê tông khi chịu kéo được đề xuất bởi Massicotte [26] Bê tông chịu kéo được mô hình hóa như vật liệu giòn đàn hồi tuyến tính với sự hóa mềm biến dạng (strain softening) Khi xảy ra hiện tượng hóa mềm biến dạng, đường cong ứng suất - biến dạng của vật liệu có xu hướng giảm sau khi đạt ứng suất cực đại Mối quan hệ ứng suất – biến dạng giả định rằng sự làm mềm biến dạng xảy ra sau khi nứt làm ứng suất trở về 0 với tổng biến dạng gấp khoảng 16 lần biến dạng ở vết nứt đầu tiên (ε cr) Dữ liệu đầu vào bao gồm cường độ chịu kéo giới hạn (f ct max ) của bê tông được xác định bởi công thức (3.10), biến dạng tại vết nứt đầu tiên (ε cr ) được xác định bởi công thức (3.11), và đường cong hóa mềm biến dạng max 0.7 ct o f =  (3.10) max ct cr c f

Trong mô hình phá hoại dẻo, các thông số chính bao gồm góc giãn nở ψ đặc trưng cho độ lớn của biến dạng dẻo, độ lệch tâm e f phản ánh mức độ lệch tâm của giản đồ ứng suất-biến dạng, và tỷ số của cường độ nén hai trục với đơn trục biểu thị sức bền nén so với sức bền kéo, giúp đánh giá khả năng chịu tải của vật liệu dưới các điều kiện ứng suất đa trục.

( f b 0 / f c 0 ), tham số K c , và tham số độ nhớt (viscosity) Trong đó, giá trị được phép của ψ là từ 0° đến 56° khi khai báo ở phần mềm ABAQUS [27] Đối với cấu kiện CFST tiết diện vuông, ψ có giá trị là 40° theo đề xuất của Tao và cộng sự [28] Mặt khác, các giá trị e f , f b 0 / f c 0 , K c , và tham số độ nhớt có giá trị lần lượt là 0,1; 1,16; 2/3; và 0 theo giá trị mặc định của ABAQUS [23] và cũng đã được đề xuất bởi Han và cộng sự [29]

3.1.2 Mô hình vật liệu thép

Hình 3.3: Mô hình vật liệu thép [16]

Hình 3.3 thể hiện mối quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu thép Đây là mô hình đàn hồi – dẻo tái bền tuyến tính được đề xuất bởi Han và cộng sự [30] Trong mô hình này, đường cong được xấp xỉ bằng hai đường thẳng giao nhau tại điểm mà tại đó ứng suất bằng giới hạn chảy (f y ) Nhánh thứ nhất có hệ số góc là mô-đun đàn hồi E s Nhánh thứ hai biểu diễn sự lý tưởng hóa về sự tái bền, có hệ số góc 0,01E s

Về mặt toán học, quan hệ ứng suất - biến dạng có thể biểu diễn bởi công thức (3.12)

Tương tác giữa ống thép và lõi bê tông

Trong kết cấu CFST, sự tương tác giữa ống thép và lõi bê tông đóng vai trò quyết định đến ứng xử của cấu kiện này Kết cấu CFST tận dụng ưu điểm của cả bê tông và thép để tạo thành hệ liên hợp, có cường độ, độ cứng và độ dẻo tăng đáng kể so với kết cấu bê tông cốt thép hoặc thép đơn thuần Bê tông lõi và ống thép liên kết với nhau chặt chẽ thông qua hiệu ứng hạn chế nở ngang và cơ chế truyền tải ứng suất.

Hiệu ứng kháng nở hông (Confinement effect) liên quan đến việc áp dụng khả năng kiềm chế bên ngoài cho kết cấu của vật liệu giúp tăng cường các tính chất cơ học và hiệu suất làm việc của cấu kiện Trong hiệu ứng này, một phần tử bổ sung được sử dụng để hạn chế sự giãn nở theo chiều ngang hoặc biến dạng của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng Trong kết cấu CFST, hiệu ứng kháng nở hông của ống

Ống thép bọc bê tông cốt thép (CFST) có lõi bê tông chịu ứng suất nén ba trục giúp tăng cường độ chịu nén và độ dẻo Hệ số kháng nở hông (ξ) định lượng mức độ kiềm chế của thép đối với bê tông lõi Nghiên cứu của He và cộng sự (2013) chỉ ra rằng cấu kiện CFST với hệ số ξ lớn hơn có độ dẻo tốt hơn.

Trong mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS, ảnh hưởng của hệ số kháng nở hông (ξ) được thể hiện thông qua mô hình vật liệu bê tông

Cơ chế truyền tải: Khi chịu tác dụng của tải trọng, cấu kiện CFST có sự phát triển của ứng suất nén trong lõi bê tông và ứng suất kéo trong ống thép Để làm việc như một cấu kiện liên hợp, tải trọng sẽ được truyền như ứng suất cắt tại bề mặt tiếp xúc được thể hiện như Hình 3.4 Cơ chế truyền ứng suất cắt tại bề mặt phân cách giữa ống thép và lõi bê tông thông qua sự dính bám và ma sát

Hình 3.4: Sự truyền ứng suất cắt tại bề mặt tiếp xúc [32]

- Sự dính bám: Dính bám ban đầu đã được tạo ra bởi sự dính bám giữa thép và bê tông Đây thường là dính bám hóa học Độ dính bám chủ yếu được xác định bởi độ bền liên kết giữa bê tông lõi và ống thép Độ bền liên kết thể hiện khả năng của hai vật liệu chống lại sự phân tách hoặc trượt dọc theo bề mặt phân cách và phụ thuộc vào các yếu tố như sự chuẩn bị bề mặt, độ nhám Bề mặt bên trong của ống thép không được có chất gây ô nhiễm, rỉ sét, cặn hoặc các chất khác có thể cản trở sự hình thành liên kết Bên cạnh đó, độ nhám của bề mặt bên trong của ống thép cung cấp nhiều diện tích tiếp xúc hơn góp phần làm tăng khả năng dính bám

- Ma sát đóng một vai trò quan trọng trong cơ chế truyền tải của CFST Ma sát giữa ống thép và lõi bê tông tạo điều kiện truyền ứng suất cắt trong kết cấu CFST như Hình 3.5 Sức kháng cắt do ma sát phụ thuộc vào lực pháp tuyến

Cơ sở lý thuyết 23 tỏc động trờn mặt phõn cỏch và hệ số ma sỏt (à) Hệ số ma sỏt phụ thuộc vào độ nhám của bề mặt thép và điều kiện bề mặt phân cách Hệ số ma sát giữa ống thép và lõi bê tông có giá trị từ 0 khi mặt phân cách được bôi mỡ đến 0,6 khi bề mặt phân cách không được bôi mỡ [33]

Hình 3.5: Cơ chế truyền ứng suất cắt tại bề mặt phân cách thông qua ma sát [33]

Trong mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS, các bộ phận riêng lẻ khi tiếp xúc với nhau được kết nối dựa trên liên kết tiếp xúc giữa mặt với mặt (Surface to Surface) Để khai báo loại liên kết này, hai bề mặt tiếp xúc sẽ được định nghĩa là bề mặt chính (Master surface) và bề mặt phụ (Slave surface) như Hình 3.6 Bề mặt chính được phép xâm nhập bề mặt phụ, nhưng không được phép ngược lại Sự lựa chọn bề mặt chính – phụ được dựa theo những nguyên tắc [34] sau đây:

- Nếu một bề mặt lồi tiếp xúc với một mặt phẳng (hoặc lõm) thì mặt phẳng (hoặc lõm) nên là bề mặt chính

- Nếu một bề mặt có lưới chia mịn hơn so với bề mặt còn lại, thì bề mặt có lưới mịn hơn nên là bề mặt phụ và bề mặt có lưới thô hơn nên là bề mặt chính

- Nếu một bề mặt cứng hơn bề mặt còn lại, thì bề mặt mềm hơn nên là bề mặt phụ và bề mặt cứng hơn nên là bề mặt chính

- Bề mặt có những phần tử bậc cao hơn nền là bề mặt phụ và bề mặt còn lại nên là bề mặt chính

Trong trường hợp một bề mặt có kích thước lớn hơn so với bề mặt khác, ví dụ như bề mặt bao quanh bề mặt còn lại, thì bề mặt lớn hơn (bề mặt bao quanh) nên được xác định là bề mặt chính.

Hình 3.6: Mối quan hệ bề mặt Master-Slave [35] Ứng xử giữa bề mặt chính và bề mặt phụ được khai báo bằng mô hình “Hard contact” để mô phỏng sự tiếp xúc theo phương vuông góc Mô hình ma sát Coulomb được sử dụng cho tiếp xúc theo phương tiếp tuyến tại bề mặt phân cách Khi đó, áp lực tiếp xúc (p) có thể truyền hoàn toàn giữa các bề mặt tiếp xúc Đồng thời sự truyền ứng suất cắt có hiệu quả khi giá trị ứng suất không vượt quá ứng suất cắt giới hạn (τ crit ) Ứng suất cắt giới hạn (τ crit ) được tính theo công thức (3.13) crit p

Trong đó: τ crit : Ứng suất cắt giới hạn p: áp lực tiếp xúc, khi bề mặt bê tông và ống thép tiếp xúc với nhau thì áp lực tiếp xúc được truyền giữa chúng Ngược lại, áp lực tiếp xúc sẽ giảm về giá trị 0 khi các bề mặt tách biệt với nhau μ: Hệ số ma sát giữa lõi bê tông và ống thép Theo Baltay và Gjelsvik [36], hệ số ma sát giữa bê tông và thép có giá trị từ 0,2 đến 0,6 Trong đó, giá trị 0,6 là phù hợp nhất theo đề xuất của Rabbat và Russell [37].

Phần tử trong ABAQUS

ABAQUS có một thư viện rộng lớn với các loại phần tử riêng biệt dùng trong các bài toán khác nhau Do không tồn tại một loại phần tử nào có thể tích hợp để giải mọi bài toán, nên cần hiểu rõ từng loại phần tử và khả năng của nó để có thể áp dụng

Cơ sở lý thuyết 25 vào bài toán thực tế.Mỗi phần tử trong ABAQUS có tên riêng biệt như S4R, C3D8, và C3D8R Tên của mỗi phần tử phản ánh 5 đặc trưng của phần tử đó, bao gồm họ phần tử, bậc tự do, số lượng nút hàm toán học, tích phân

- Họ phần tử: Các phần tử trong ABAQUS thường được dùng để phân tích ứng suất bao gồm phần tử khối (phần tử liên tục), phần tử vỏ, phần tử dầm, phần tử khối cứng, phần tử màng, phần tử vô hạn, phần tử khung, các phần tử kết nối như lò xo, cản, và khối lượng Trong nghiên cứu này, phần tử khối được sử dụng để mô phỏng dầm CFST Đây là phần tử tiêu chuẩn của ABAQUS được sử dụng để phân tích tuyến tính và phân tích phi tuyến phức tạp liên quan đến tiếp xúc, độ dẻo và biến dạng

- Bậc tự do (DOF): là các biến cơ bản được tính toán trong quá trình phân tích Đối với mô phỏng ứng suất, chuyển vị thì bậc tự do là các phép tịnh tiến tại mỗi nút

Số lượng nút trên một phần tử hữu hạn ảnh hưởng đến độ chính xác của phép nội suy chuyển vị Chuyển vị tại các nút có thể được tính toán trực tiếp, trong khi chuyển vị tại các điểm khác trong phần tử phải được ước lượng bằng cách nội suy Thứ tự của phép nội suy được xác định bởi số lượng nút được sử dụng trong phần tử.

- Hàm toán học: Mỗi phần tử được định nghĩa bằng một hàm toán học để xác định tính chất của phần tử Để phù hợp với các kiểu phân tích khác nhau, một số họ phần tử trong Abaqus bao gồm các phần tử có công thức khác nhau

- Tích phân: ABAQUS sử dụng phương pháp số để tính tích phân nhiều lần trên toàn bộ thể tích của mỗi phần tử Do đó, có thể diễn tả tổng quát ứng xử của vật liệu Một vài phần tử liên tục trên ABAQUS có thể sử dụng tích phân toàn phần hay tích phân giản lượt, mỗi lựa chọn có thể có ảnh hưởng đáng kể đến độ chính xác của phần tử

Trong nghiên cứu này, phần tử khối C3D8R được sử dụng để mô hình hóa đồng thời cả ống thép và lõi bê tông của dầm CFST Ý nghĩa các ký hiệu của phần tử khối C3D8R như sau:

Cơ sở lý thuyết 26 thể hiện như sau: ký tự C thể hiện phần tử thuộc họ phần tử liên tục; ký tự 3D thể hiện phần tử thuộc không gian 3 chiều; ký tự 8 thể hiện số nút trong một phần tử, và ký tự R thể hiện phần tử dùng phương pháp tích phân giản lượt trong quá trình phân tích Hình 3.7 thể hiện phần tử khối C3D8 có dạng hình lục diện với 8 nút được bố trí tại các góc Các chuyển vị, góc xoay, và các bậc tự do chỉ được tính tại các nút sử dụng phép nội suy tuyến tính theo từng hướng và thường được gọi là phần tử tuyến tính hoặc phần tử bậc nhất

Mô phỏng dầm ống thép nhồi bê tông 27

MÔ PHỎNG DẦM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

Mô tả dầm CFST

Dầm CFST chịu uốn SCW1-2 được Li và cộng sự [16] lựa chọn để tiến hành thí nghiệm Dầm này có chiều dài 1400 mm, sử dụng ống thép tiết diện vuông làm thành phần cấu tạo chính.

150 × 150 mm và chiều dày 4 mm Thí nghiệm uốn bốn điểm (2 điểm đặt lực và 2 gối tựa) đã được Li và cộng sự [16] sử dụng để đánh giá khả năng chịu lực của dầm

Vị trí gia tải lên cấu kiện đặt tại hai điểm cách vị trí giữa nhịp 200 mm Hai gối tựa bao gồm gối cố định và gối di động được đặt cách nhau 1200 mm Để đo biến dạng giữa nhịp của mẫu thử, 16 thiết bị cảm biến được gắn vào ống thép để đo biến dạng dọc trục của ống thép trong quá trình gia tải Ba thiết bị đo chuyển vị được đặt dọc dưới đáy của mẫu thí nghiệm ở khu vực giữa nhịp để đo chuyển vị theo phương đứng khi chịu uốn của dầm Thí nghiệm dừng lại khi độ võng ở giữa nhịp đạt gần đến phạm vi tối đa của dụng cụ đo chuyển vị là 50 mm Hình 4.1a minh họa sơ đồ thí nghiệm và Hình 4.1b thể hiện mặt cắt ngang của dầm CFST Hình 4.2 thể hiện mẫu dầm đã được lắp đặt để chuẩn bị thí nghiệm Trong thí nghiệm này, ống thép được sử dụng có giới hạn chảy f y = 430 MPa và giới hạn bền là f u = 547 MPa Bê tông cường độ cao có cường độ chịu nén trung bình là 80 MPa được đổ vào ống thép a) Sơ đồ thí nghiệm b) Mặt cắt ngang mẫu thí nghiệm

Hình 4.1: Sơ đồ minh họa thí nghiệm [16]

Hình 4.2: Lắp đặt thí nghiệm [16]

Mô hình phần tử hữu hạn

4.2.1.1 Mô hình vật liệu bê tông

Hình 4.3 thể hiện đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu bê tông khi chịu nén Trong mô hình vật liệu này, bê tông có ứng suất tới hạn σ o = 80,00 MPa được tính theo công thức (3.3), với biến dạng tương ứng εo = 0,00285 được tính theo công thức (3.4) Đường cong ứng suất – biến dạng có xu hướng giảm dần từ điểm có ứng suất tới hạn σ o đến điểm có ứng suất bằng 0.85σ o tương ứng với biến dạng tới hạn ε 0,85 = 0,00469 được xác định dựa vào tiêu chuẩn Eurocode 2 [39] Mô-đun đàn hồi

E c có giá trị là 36610 MPa được tính theo công thức (3.2) Hệ số Poisson của bê tông trong miền biến dạng đàn hồi có giá trị là 0,2 dựa theo tiêu chuẩn Eurocode 2 [39]

Hình 4.3: Mô hình vật liệu bê tông chịu nén

Đường cong ứng suất-biến dạng của bê tông chịu kéo được mô tả trong Hình 4.4 theo đề xuất của Massicotte [26] Ứng suất kéo giới hạn (f ctmax ) là 6,38 MPa, được tính theo công thức (3.10) Biến dạng khi nứt đầu tiên (ε cr ) là 0,00017, được tính theo công thức (3.11) Mối quan hệ ứng suất-biến dạng cho thấy sự hóa mềm biến dạng sau khi nứt, khiến ứng suất trở về 0 khi tổng biến dạng tăng gấp 16 lần biến dạng khi nứt đầu tiên (0,0028).

Hình 4.4: Mô hình phá hoại kéo theo đề xuất của Massicotte [26]

Hình 4.5 thể hiện khai báo các thông số chính trong mô hình phá hoại dẻo bao gồm góc giãn nở ψ (dilation angle), độ lệch tâm e f (eccentricity), tỷ số của cường độ nén hai trục với đơn trục (f b0 /f c0 ), tham số K c , và tham số độ nhớt (viscosity) có các giá trị lần lượt là 40°, 0,1; 1,16; 2/3; và 0

Hình 4.5: Khai báo các thông số chính trong mô hình phá hoại dẻo

4.2.1.2 Mô hình vật liệu thép Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng cho vật liệu thép được thể hiện bằng mô hình đàn hồi – dẻo tái bền tuyến tính như Hình 4.6 Trong mô hình này, đường cong được xấp xỉ bằng hai đường thẳng giao nhau tại điểm mà tại đó ứng suất bằng giới hạn chảy f y = 430 MPa và biến dạng tương ứng là 0,00215 Nhánh thứ nhất có hệ số góc là mô-đun đàn hồi E s ,trong trường hợp mô-đun đàn hồi không được đo ta lấy giá trị bằng 2×10 5 MPa [40], trong khi nhánh thứ hai biểu diễn sự lý tưởng hóa về sự tái bền có giới hạn bền là f u = 547 MPa và biến dạng tương ứng là 0,0607 Nhánh thứ hai có hệ số góc là 0,01E s Hệ số Poisson cuả thép có giá trị là 0,3 theo tiêu chuẩn Eurocode 3 [41]

Hình 4.6: Mô hình vật liệu thép

4.2.2 Chia lưới và chọn loại phần tử

Để mô phỏng hành vi thực tế của dầm CFST trong mô hình PTHH, cần sử dụng các loại phần tử phù hợp để mô hình hóa các thành phần dầm Phần tử khối 8 nút (C3D8R) mô phỏng ống thép và lõi bê tông, có 3 bậc tự do tại mỗi nút Kích thước phần tử hữu hạn được chọn là 40 mm, đóng vai trò quan trọng trong mô hình PTHH.

Mô phỏng dầm ống thép nhồi bê tông 31 được thực hiện một cách khá đơn giản nhưng cần phải đảm bảo độ chính xác của lời giải khi phân tích Các phần tử nhỏ sẽ cho kết quả phân tích chính xác hơn, tuy nhiên thời gian phân tích sẽ rất lớn Ngược lại, các phần tử được chia lưới với kích thước lớn sẽ có thời gian phân tích ngắn hơn nhưng kết quả không chính xác bằng Đối với tấm đệm thép, cấu kiện này được xem như một khối đàn hồi có giá trị mô-đun lớn để trở thành các tấm tuyệt đối cứng theo đề xuất của Li và cộng sự [42, 43] a) Ống thép (phần tử khối C3D8R) b) Lõi bê tông (phần tử khối C3D8R)

Hình 4.7: Chia lưới các phần tử trong mô hình mô phỏng

Hình 4.8: Chia lưới phần tử với kích thước 40 mm

Hình 4.9 thể hiện mô hình hóa PTHH của cấu kiện dầm CFST Các tấm cứng được đặt tại vị trí gối tựa và vị trí truyền tải trọng Tại tâm mặt ngoài của mỗi tấm cứng sẽ được gán điểm tham chiếu (Reference point) Điều kiện biên sẽ được gán vào

Mô phỏng dầm ống thép nhồi bê tông 32 các điểm tham chiếu tại vị trí gối tựa Tải trọng được khai báo theo phương pháp kiểm soát chuyển vị tại điểm tham chiếu ở vị trí truyền tải trọng

Hình 4.9: Mô hình PTHH dầm CFST

4.2.3 Tương tác giữa ống thép và lõi bê tông

Liên kết giữa các ống thép và bê tông được mô hình hóa sử dụng loại liên kết tiếp xúc giữa mặt với mặt (Surface-to-Surface) Hình 4.10-a thể hiện khai báo bề mặt tiếp xúc cho lõi bê tông Hình 4.10-b thể hiện khai báo bề mặt tiếp xúc cho ống thép Để khai báo loại liên kết này, hai bề mặt tiếp xúc sẽ được định nghĩa là bề mặt chính (Master surface) và bề mặt phụ (Slave surface) như Hình 4.11 Bề mặt chính thường được gán cho vật liệu có độ cứng lớn hơn (mô-đun đàn hồi lớn hơn) nhằm hạn chế các lỗi số học Do đó, đối với liên kết giữa các ống thép và lõi bê tông, bề mặt phụ được gán cho các bề mặt của lớp bê tông nhồi và bề mặt chính được gán cho các bề mặt của ống thép tiếp xúc với lớp bê tông Ứng xử giữa bề mặt chính và bề mặt phụ thuộc được khai báo là tiếp xúc cứng “Hard contact” theo phương vuông góc và tiếp xúc ma sát Hình 4.12 thể hiện ảnh hưởng của hệ số ma sát đối với ứng xử của dầm CFST Nhìn chung, đường quan hệ ứng xử tải trọng – biến dạng thay đổi không đáng kể khi thay đổi hệ số ma sát từ 0,2 – 0,6 Theo Moon và cộng sự [11], độ hệ số ma sát có ảnh hưởng đáng kể đến độ trượt, trong khi ảnh hưởng của hệ số ma sát đến cường độ giới hạn là ít đáng kể hơn Bên cạnh đó, đường ứng xử tải trọng – chuyển

Mô phỏng dầm ống thép nhồi bê tông 33 vị đối với trường hợp hệ số ma sát là 0,6 có sự ổn định và hình dạng tương đồng với kết quả thí nghiệm hơn các trường hợp còn lại Do đó, hệ số ma sát trượt Coulomb giữa bê tông và thép được sử dụng là 0,6 trong luận văn này và cũng đã được đề xuất bởi Rabbat và Russell [37] như Hình 4.13 a) Khai báo bề mặt tiếp xúc của bê tông b) Khai báo bề mặt tiếp xúc của ống thép

Hình 4.10: Khai báo bề mặt tiếp xúc

Hình 4.11: Khai báo tương tác bề mặt chính – phụ giữa ống thép và lõi bê tông

Hình 4.12: Khảo sát ảnh hưởng của hệ số ma sát đối với khả năng chịu uốn của dầm CFST

Hình 4.13: Khai báo hệ số ma sát với giá trị là 0,6

4.2.4 Điều kiện biên và tải trọng

Trong ABAQUS, điều kiện biên được gán vào các điểm tham chiếu đặt ở mặt đáy của các tấm cứng tại gối Điểm tham chiếu hạn chế chuyển vị cho 5 bậc tự do U1 = U2 = U3 = 0, UR2 = UR3 = 0 ứng với gối cố định Điểm tham chiếu hạn chế chuyển vị cho 4 bậc tự do U1 = U2 = 0, UR2 = UR3 = 0 ứng với gối di động.

Hình 4.14: Khai báo điều kiện biên

Trong nghiên cứu này, cần theo dõi đến cuối cùng các ứng xử cơ học của dầm nên tải trọng được áp dụng theo phương pháp gia tải bằng cách tăng dần chuyển vị tại điểm tham chiếu được đặt tải tấm tuyệt đối cứng Do đó, tải trọng nén được khai báo theo phương pháp kiểm soát chuyển vị với biên độ dao động theo theo thời gian

Chọn phương pháp định nghĩa dạng bảng (Tabular) để xác định đường biên độ dưới dạng bảng giá trị tại các điểm trên trục thời gian như hình 4.15-a Tải trọng nén trong mô phỏng tăng tuyến tính được khai báo theo mối quan hệ giữa thời gian và biên độ như Hình 4.15-b Chuyển vị theo phương đứng được khai báo tại điểm tham chiếu với giá trị là -50 mm như hình 4.16 Trong nghiên cứu này, phương pháp

Dynamic/Explicit được sử dụng để tiến hành phân tích mô hình Phương pháp này phù hợp cho bài toán phi tuyến với chuyển vị thay đổi theo thời gian a) Khai báo giá trị thời gian và biên độ b) Quan hệ biên độ − thời gian Hình 4.15: Khai báo quan hệ biên độ - thời gian dao động của tải trọng nén đơn thuần

Hình 4.16: Khai báo chuyển vị tại điểm tham chiếu

Khảo sát ảnh hưởng của cường độ bê tông đến ứng xử của dầm CFST

Mô hình mô phỏng dầm SCW1-2 cho thấy sự xấp xỉ tốt với kết quả thực nghiệm, nên được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của cường độ bê tông đến ứng xử chịu uốn của dầm CFST Năm trường hợp ảnh hưởng của cường độ bê tông được khảo sát với dầm CFST có giới hạn chảy thép lần lượt là 235 MPa, 355 MPa, 430 MPa, 500 MPa và 630 MPa Cường độ bê tông được lấy theo tiêu chuẩn Eurocode 2, gồm các mác bê tông C30/37, C40/50, C50/60 và C60/75 có cường độ chịu nén trung bình f'c lần lượt là 38 MPa, 48 MPa, 58 MPa và 68 MPa.

Từ đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị, các đặc trưng cơ học được phân tích, so sánh, và rút ra kết luận

4.3.1 Trường hợp dầm CFST có cùng giới hạn chảy f y = 430 MPa

Hình 4.21: Ảnh hưởng của cường độ bê tông đến ứng xử chịu uốn của dầm CFST

Hình 4.21 thể hiện kết quả khảo sát ảnh hưởng của cường độ bê tông đến ứng xử chịu uốn của dầm được mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS Việc khảo sát được thực hiện trên 5 mẫu dầm CFST có cùng giới hạn chảy f y = 430 MPa và cường độ

Mô phỏng dầm ống thép nhồi bê tông 42 chịu nén f c có giá trị lần lượt là 38 MPa, 48 MPa, 58 MPa, 68 MPa, và 80 MPa Đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị của 5 trường hợp có hình dạng giống nhau Bên cạnh đó, các đặc trưng cơ học k e , k p , P y , và P u của 5 mẫu được xác định dựa vào đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị lý tưởng và từ đó rút ra kết luận Trong phạm vi biến dạng đàn hồi, mô-đun đàn hồi là yếu tố chính quyết định độ cứng đàn hồi tổng thể Vật liệu thép có mô-đun đàn hồi lớn hơn gấp 5 lần mô-đun đàn hồi của vật liệu bê tông nên ứng xử của dầm CFST trong giai đoạn đàn hồi chịu ảnh hưởng nhiều bởi vật liệu thép Ở giai đoạn chảy dẻo, ứng xử của dầm CFST chịu ảnh hưởng nhiều hơn bởi đặc tính chảy và sau chảy dẻo của vật liệu thép Do đó, khi thay đổi cường độ bê tông nhưng vẫn giữ nguyên giá trị cường độ thép thì ứng xử của dầm CFST gần như tương đương nhau

Hình 4.22: Độ cứng đàn hồi của dầm CFST tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tông

Bảng 4.1: Kết quả giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST (k e )

STT B×t×L f’ c f y k e Chênh lệch k e mm×mm×mm MPa MPa kN/mm %

Bảng 4.1 thể hiện kết quả giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST Giá trị này được xác định từ phương trình của nhánh đàn hồi theo phương pháp đàn hồi – dẻo tương đương đã được trình bày ở mục 4.1.4 Hình 4.22 thể hiện giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST tương ứng với 5 trường hợp cường độ chịu nén bê tông khác nhau và có cùng giới hạn chảy f y = 430 MPa Các dầm CFST với cường độ bê tông chịu nén là

38 MPa, 48 MPa, 58 MPa, 68 MPa, và 80 MPa có giá trị độ cứng đàn hồi lần lượt là 55,21 kN/mm; 55,43 kN/mm; 55,35 kN/mm; 55,49 kN/mm; và 55,32 kN/mm Khi cường độ bê tông tăng từ 38 MPa đến 80 MPa thì giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST tăng 0,20%−0,51% Do đó, cường độ bê tông ảnh hưởng không đáng kể đến độ cứng đàn hồi của dầm CFST

Hình 4.23: Độ cứng chảy dẻo của dầm CFST tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tông Bảng 4.2: Kết quả tính toán độ cứng chảy dẻo (k p )

STT B×t×L f’ c f y k p Độ tăng k p mm×mm×mm MPa MPa kN/mm %

Bảng 4.2 thể hiện kết quả giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST Giá trị này được xác định từ phương trình của nhánh chảy dẻo theo phương pháp đàn hồi – dẻo tương đương đã được trình bày ở mục 4.1.4 Hình 4.23 thể hiện độ cứng chảy dẻo của dầm CFST dẻo tương ứng với 5 trường hợp cường độ chịu nén bê tông khác nhau và có cùng giới hạn chảy f y = 430 MPa Các dầm CFST với cường độ bê tông chịu nén ( f c ) là 38 MPa, 48 MPa, 58 MPa, 68 MPa, và 80 MPa có độ cứng chảy dẻo lần

Mô phỏng dầm ống thép nhồi bê tông 45 lượt là 1,80 kN/mm; 1,88 kN/mm; 1,87 kN/mm; 1,90 kN/mm; và 2,02 kN/mm Khi cường độ bê tông tăng từ 38 MPa đến 80 MPa thì giá trị độ cứng chảy dẻo tăng 3,89%−12,22% Do đó, cường độ bê tông ảnh hưởng không đáng kể đến độ cứng chảy dẻo của dầm CFST

Hình 4.24: Tải trọng chảy dẻo tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tông

Bảng 4.3: Kết quả tính toán tải trọng tại điểm chảy dẻo (P y )

STT B×t×L f’ c f y P y Độ tăng P y mm×mm×mm MPa MPa kN %

Bảng 4.3 thể hiện kết quả giá trị tải trọng chảy dẻo Giá trị này được xác định từ công thức (4.3) theo phương pháp đàn hồi – dẻo tương đương đã được trình bày ở mục 4.1.4 Hình 4.24 thể hiện tải trọng chảy dẻo tương ứng với 5 trường hợp cường

Mô phỏng dầm ống thép nhồi bê tông 46 độ chịu nén bê tông khác nhau và có cùng giới hạn chảy f y = 430 MPa Các dầm CFST với cường độ bê tông chịu nén là 38 MPa, 48 MPa, 58 MPa, 68 MPa, và 80 MPa có tải trọng chảy dẻo lần lượt là 312,57 kN; 313,94 kN; 314,64 kN; 315,47 kN; và 316,67 kN Khi cường độ chịu nén bê tông tăng từ 38 MPa đến 80 MPa thì giá trị tải trọng chảy dẻo tăng 0,44%−1,31% Do đó, cường độ bê tông ảnh hưởng không đáng kể đến tải trọng chảy dẻo

Hình 4.25: Tải trọng giới hạn tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tông

Bảng 4.4: Kết quả giá trị tải trọng giới hạn (P u )

STT B×t×L f’ c f y P u Độ tăng P u mm×mm×mm MPa MPa kN %

Bảng 4.5 thể hiện giá trị tải trọng giới hạn được xác định khi biến dạng kéo của ống thép tại giữa nhịp đạt 10000 με Kết quả cho thấy tải trọng giới hạn tăng từ 372,02 kN đến 383,06 kN khi cường độ chịu nén bê tông tăng từ 38 MPa đến 80 MPa Tuy nhiên, sự gia tăng này chỉ từ 1,05% đến 2,97%, cho thấy cường độ bê tông không ảnh hưởng đáng kể đến tải trọng giới hạn.

4.3.2 Trường hợp dầm CFST có cùng giới hạn chảy f y = 235 MPa

Hình 4.26: Ảnh hưởng của cường độ bê tông đến ứng xử chịu uốn của dầm CFST

Hình 4.26 thể hiện kết quả khảo sát ảnh hưởng của cường độ bê tông đến ứng xử chịu uốn của dầm CFST được mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS Việc khảo sát được thực hiện trên 5 mẫu dầm CFST có cùng giới hạn chảy f y = 235 MPa và cường độ chịu nén f c có giá trị lần lượt là 38 MPa, 48 MPa, 58 MPa, 68 MPa, và 80 MPa Đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị của 5 trường hợp có hình dạng giống nhau Bên cạnh đó, các đặc trưng cơ học k e , k p , P y , và P u của 5 mẫu được xác định dựa vào

Mô phỏng dầm ống thép nhồi bê tông 48 đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị lý tưởng và từ đó rút ra kết luận Trong phạm vi biến dạng đàn hồi, mô-đun đàn hồi là yếu tố chính quyết định độ cứng đàn hồi tổng thể Vật liệu thép có mô-đun đàn hồi lớn hơn gấp 5 lần mô-đun đàn hồi của vật liệu bê tông nên ứng xử của dầm CFST trong giai đoạn đàn hồi chịu ảnh hưởng nhiều bởi vật liệu thép Ở giai đoạn chảy dẻo, ứng xử của dầm CFST chịu ảnh hưởng nhiều hơn bởi đặc tính chảy và sau chảy dẻo của vật liệu thép Do đó, khi thay đổi cường độ bê tông nhưng vẫn giữ nguyên giá trị cường độ thép thì ứng xử của dầm CFST gần như tương đương nhau

Hình 4.27: Độ cứng đàn hồi tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tông

Bảng 4.5: Kết quả giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST (k e )

STT B×t×L f’ c f y k e Độ tăng k e Độ giảm k e mm×mm×mm MPa MPa kN/mm % %

Bảng 4.5 thể hiện kết quả giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST Giá trị này được xác định từ phương trình của nhánh đàn hồi theo phương pháp đàn hồi – dẻo tương đương đã được trình bày ở mục 4.1.4 Hình 4.27 thể hiện giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST tương ứng với 5 trường hợp cường độ chịu nén bê tông khác nhau và có cùng giới hạn chảy f y = 235 MPa Các dầm CFST với cường độ bê tông chịu nén là

38 MPa, 48 MPa, 58 MPa, 68 MPa, và 80 MPa có giá trị độ cứng đàn hồi lần lượt là 55,47 kN/mm; 55,71 kN/mm; 55,87 kN/mm; 55,36 kN/mm; và 55,17 kN/mm Khi cường độ chịu nén bê tông tăng từ 38 MPa đến 80 MPa thì độ cứng đàn hồi giảm 0,19%−0,64% Do đó, cường độ bê tông ảnh hưởng không đáng kể đến độ cứng đàn hồi của dầm CFST

Hình 4.28: Độ cứng chảy dẻo của dầm CFST tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tông Bảng 4.6: Kết quả giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST (k p )

STT B×t×L f’ c f y k p Chênh lệch k p mm×mm×mm MPa MPa kN/mm %

Khảo sát ảnh hưởng của cường độ thép đến ứng xử của dầm CFST

Mô hình mô phỏng dầm SCW1-2 cho thấy sự tương đồng với kết quả thí nghiệm Dựa trên cơ sở đó, mô hình này được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của cường độ thép đến ứng xử chịu uốn của dầm CFST Dầm SCW1-2 sẽ được so sánh với bốn dầm CFST có cùng kích thước và cường độ bê tông nhưng khác nhau về giới hạn chảy Vật liệu thép được lấy dựa theo tiêu chuẩn dựa trên tiêu chuẩn Eurocode 3 [41] và các nguồn tham khảo [45, 46] bao gồm thép S 235 H, S 355 H, STALA500, và STALA630D có giới hạn chảy f y lần lượt với giá trị là 235 MPa, 355 MPa, 500 MPa, và 630 MPa Nghiên cứu này sẽ khảo sát tổng cộng 5 trường hợp ảnh hưởng của cường độ thép khi dầm CFST có cùng cường độ chịu nén của bê tông lần lượt là 80 MPa, 38 MPa, 48 MPa, 58 MPa, và 68 MPa Từ đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị, các đặc trưng cơ học được phân tích, so sánh, và rút ra kết luận

4.4.1 Trường hợp dầm CFST có cùng cường độ bê tông f’ c = 80 MPa

Hình 4.46: Ảnh hưởng của cường độ thép đối với ứng xử chịu uốn của dầm CFST

Hình 4.46 thể hiện kết quả khảo sát ảnh hưởng của cường độ thép đến ứng xử chịu uốn của dầm được mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS Việc so sánh được dựa trên đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị theo phương đứng tại vị trí giữa nhịp của 5 mẫu có cùng cường độ chịu nén bê tông f c = 80 MPa và giới hạn chảy f y có giá trị lần lượt là 235 MPa, 355 MPa, 430 MPa, 500 MPa, và 630 MPa Đường cong tải trọng – chuyển vị của 5 trường hợp có hình dạng giống nhau Bên cạnh đó, các đặc trưng cơ học k e , k p , P y , và P u của 5 mẫu được xác định dựa vào đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị lý tưởng và từ đó rút ra kết luận

Hình 4.47: Độ cứng đàn hồi của dầm CFST tương ứng với các giới hạn chảy của thép Bảng 4.21: Kết quả giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST (k e )

STT B×t×L o f’ c f y k e Độ tăng k e Độ giảm k e mm×mm×mm MPa MPa kN/mm % %

Bảng 4.21 thể hiện kết quả tính toán độ cứng đàn hồi của dầm CFST Giá trị này được xác định từ phương trình của nhánh đàn hồi theo phương pháp đàn hồi – dẻo tương đương đã được trình bày ở mục 4.1.4 Hình 4.47 thể hiện giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST tương ứng với 5 trường hợp giới hạn chảy khác nhau và có cùng cường độ bê tông chịu nén f c = 80 MPa Các dầm CFST với giới hạn chảy là 235 MPa, 355 MPa, 430 MPa, 500 MPa, và 630 MPa có độ cứng đàn hồi lần lượt là 55,17

Mô phỏng dầm ống thép nhồi bê tông 75 kN/mm, 55,29 kN/mm, 55,32 kN/mm, 55,53 kN/mm, và 55,04 kN/mm Khi giới hạn chảy của thép tăng từ 235 MPa đến 630 MPa thì giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST chênh lệch trong khoảng 0,02%−0,66% Do đó, cường độ thép ảnh hưởng không đáng kể đến độ cứng đàn hồi của dầm CFST

Hình 4.48: Độ cứng chảy dẻo của dầm CFST tương ứng với các giới hạn chảy của thép

Bảng 4.22: Kết quả giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST (k p )

STT B×t×L o f’ c f y k p Độ tăng k p Độ giảm k p mm×mm×mm MPa MPa kN/mm % %

Bảng 4.22 thể hiện kết quả giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST Giá trị này được xác định từ phương trình của nhánh chảy dẻo theo phương pháp đàn hồi – dẻo tương đương đã được trình bày ở mục 4.1.4 Hình 4.48 thể hiện giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST tương ứng với 5 trường hợp giới hạn chảy khác nhau và có cùng cường độ bê tông chịu nén f c = 80 MPa Các dầm CFST với giới hạn chảy là 235 MPa, 355 MPa, 430 MPa, 500 MPa, và 630 MPa có giá trị độ cứng chảy dẻo lần lượt là 1,93 kN/mm; 1,65 kN/mm; 2,02 kN/mm, 2,16 kN/mm, và 2,55 kN/mm Khi giới hạn chảy của thép tăng từ 235 MPa đến 630 MPa thì giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST chênh lệch trong khoảng 10,71%−64,52% Ứng xử dẻo của kết cấu CFST rất phức tạp và phụ thuộc vào tương tác giữa thép và bê tông Hiệu ứng kháng nở hông và cơ chế chia tải giữa hai vật liệu đóng vai trò quan trọng Do đó, chỉ có cường độ thép thay đổi không thể quyết định xu hướng đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị tuân theo một quy tắc nhất định trong giai đoạn chảy dẻo Như vậy, cường độ thép có ảnh hưởng không rõ ràng đến độ cứng chảy dẻo

Hình 4.49: Tải trọng chảy dẻo tương ứng với các giới hạn chảy của thép

Bảng 4.23: Kết quả giá trị tải trọng chảy dẻo (P y )

STT B×t×L o f’ c f y P y Độ tăng P y mm×mm×mm MPa MPa kN %

Bảng 4.8 thể hiện kết quả tính toán giá trị tải trọng chảy dẻo được xác định từ công thức (4.3) theo phương pháp đàn hồi – dẻo tương đương đã được trình bày ở mục 4.1.4 Hình 4.50 thể hiện tải trọng chảy dẻo tương ứng với 5 trường hợp giới hạn chảy khác nhau và có cùng cường độ bê tông chịu nén f c = 80 MPa Các dầm CFST với giới hạn chảy là 235 MPa, 355 MPa, 430 MPa, 500 MPa, và 630 MPa có tải trọng chảy dẻo lần lượt là 180,49 kN; 272,61 kN; 316,67 kN; 359,62 kN; và 443,33 kN Khi giới hạn chảy của thép tăng từ 235 MPa đến 630 MPa thì giá trị tải trọng chảy dẻo tăng 47,54%–139,60% Do đó, cường độ thép có ảnh hưởng đáng kể đến tải trọng chảy dẻo

Hình 4.50: Tải trọng giới hạn tương ứng với các giới hạn chảy của thép

STT B×t×L o f’ c f y P u Độ tăng P u mm×mm×mm MPa MPa kN %

Bảng 4.9 thể hiện kết quả giá trị tải trọng giới hạn Giá trị này được xác tại thời điểm biến dạng kéo của ống thép ở vị trí giữa nhịp đạt 10000 με theo đề xuất của Han [9] Hình 4.50 thể hiện tải trọng chảy dẻo tương ứng với 5 trường hợp cường độ chịu nén bê tông khác nhau và có cùng cường độ bê tông chịu nén f c = 80 MPa Các dầm CFST với giới hạn chảy (f y ) là 235 MPa, 355 MPa, 430 MPa, 500 MPa, và 630 MPa có tải trọng giới hạn lần lượt là 248,62 kN; 327,42 kN, 383,06 kN; 430,08 kN; và 515,83 kN Khi giới hạn chảy của thép tăng từ 235 MPa đến 630 MPa thì giá trị tải

Mô phỏng dầm ống thép nhồi bê tông 79 trọng giới hạn tăng 42,03%–148,93% Do đó, cường độ thép có ảnh hưởng đáng kể đến tải trọng giới hạn

Hình 4.51 thể hiện kết quả khảo sát ảnh hưởng của cường độ thép đến ứng xử chịu uốn của dầm được mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS Việc so sánh được dựa trên đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị theo phương đứng tại vị trí giữa nhịp của 5 mẫu có cùng cường độ chịu nén bê tông f c = 68 MPa và giới hạn chảy f y có giá trị lần lượt là 235 MPa, 355 MPa, 430 MPa, 500 MPa, và 630 MPa Nhìn chung, đường cong tải trọng – chuyển vị của 5 trường hợp có hình dạng giống nhau Bên cạnh đó, các đặc trưng cơ học k e , k p , P y , và P u của 5 mẫu được xác định dựa vào đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị lý tưởng và từ đó rút ra kết luận

STT B×t×L o f’ c f y k e Độ tăng k e Độ giảm k e mm×mm×mm MPa MPa kN/mm % %

Bảng 4.25 thể hiện kết quả giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST Giá trị này được xác định từ phương trình của nhánh đàn hồi theo phương pháp đàn hồi – dẻo tương đương đã được trình bày ở mục 4.1.4 Hình 4.52 thể hiện giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST tương ứng với 5 trường hợp giới hạn chảy của thép khác nhau và có cùng cường độ chịu nén của bê tông f c = 68 MPa Các dầm CFST với giới hạn chảy của thép là 235 MPa, 355 MPa, 430 MPa, 500 MPa, và 630 MPa có giá trị độ

Mô phỏng dầm ống thép nhồi bê tông 81 cứng đàn hồi lần lượt là 55,36 kN/mm; 55,29 kN/mm; 55,49 kN/mm; 55,57 kN/mm; và 55,08 kN/mm Khi giới hạn chảy của thép tăng từ 235 MPa đến 630 MPa thì giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST giảm 0,13%−0,51% Do đó, cường độ thép ảnh hưởng không đáng kể đến độ cứng đàn hồi của dầm CFST

Hình 4.53: Độ cứng chảy dẻo của dầm CFST tương ứng với các giới hạn chảy của thép

Bảng 4.26: Kết quả giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST (k p )

STT B×t×L o f’ c f y k p Độ tăng k p Độ giảm k p mm×mm×mm MPa MPa kN/mm % %

Bảng 4.26 thể hiện kết quả giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST Giá trị này được xác định từ phương trình của nhánh chảy dẻo theo phương pháp đàn hồi – dẻo tương đương đã được trình bày ở mục 4.1.4 Hình 4.53 thể hiện giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST tương ứng với 5 trường hợp cường độ thép khác nhau và có cùng cường độ chịu nén bê tông f c  = 68 MPa Các dầm CFST với giới hạn chảy của thép là 235 MPa, 355 MPa, 430 MPa, 500 MPa, và 630 MPa có giá trị độ cứng chảy dẻo lần lượt là 1,57 kN/mm; 1,42 kN/mm; 1,90 kN/mm; 2,04 kN/mm; và 2,56 kN/mm Khi giới hạn chảy của thép tăng từ 235 MPa đến 630 MPa thì giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST chênh lệch trong khoảng 10,56%−63,08% Ứng xử dẻo của kết cấu CFST rất phức tạp và phụ thuộc vào tương tác giữa thép và bê tông Hiệu ứng kháng nở hông và cơ chế chia tải giữa hai vật liệu đóng vai trò quan trọng Do đó, chỉ có cường độ thép thay đổi không thể quyết định xu hướng đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị tuân theo một quy tắc nhất định trong giai đoạn chảy dẻo Như vậy, cường độ thép có ảnh hưởng không rõ ràng đến độ cứng chảy dẻo

Hình 4.54: Tải trọng chảy dẻo tương ứng với các giới hạn chảy của thép

Bảng 4.27: Kết quả giá trị tải trọng chảy dẻo (P y )

STT B×t×L o f’ c f y k p Độ tăng k p mm×mm×mm MPa MPa kN/mm %

Bảng 4.8 thể hiện kết quả tính toán giá trị tải trọng chảy dẻo được xác định từ công thức (4.3) theo phương pháp đàn hồi – dẻo tương đương đã được trình bày ở mục 4.1.4 Hình 4.54 thể hiện tải trọng chảy dẻo tương ứng với 5 trường hợp giới hạn chảy khác nhau và có cùng cường độ bê tông chịu nén f c = 68 MPa Các dầm CFST với giới hạn chảy là 235 MPa, 355 MPa, 430 MPa, 500 MPa, và 630 MPa có tải trọng chảy dẻo lần lượt là 187,76 kN; 270,68 kN; 351,47 kN; 358,05 kN; và 443,22 kN Khi giới hạn chảy của thép tăng từ 235 MPa đến 630 MPa thì giá trị tải trọng chảy dẻo tăng 44,17%–136,06% Do đó, cường độ thép có ảnh hưởng đáng kể đến tải trọng chảy dẻo

Hình 4.55: Tải trọng giới hạn tương ứng với các giới hạn chảy của thép

STT B×t×L o f’ c f y P u Độ tăng P u mm×mm×mm MPa MPa kN %

Bảng 4.28 thể hiện kết quả giá trị tải trọng giới hạn Giá trị này được xác tại thời điểm biến dạng kéo của ống thép ở vị trí giữa nhịp đạt 10000 με theo đề xuất của Han [9] Hình 4.55 thể hiện tải trọng chảy dẻo tương ứng với 5 trường hợp cường độ chịu nén bê tông khác nhau và có cùng cường độ bê tông chịu nén f c = 68 MPa Các dầm CFST với giới hạn chảy (f y ) là 235 MPa, 355 MPa, 430 MPa, 500 MPa, và 630 MPa có tải trọng giới hạn lần lượt là 239,51 kN; 317,18 kN, 378,04 kN; 422,91 kN; và 512,99 kN Khi giới hạn chảy của thép tăng từ 235 MPa đến 630 MPa thì giá trị tải

Mô phỏng dầm ống thép nhồi bê tông 85 trọng giới hạn tăng 32,43%–114,18% Do đó, cường độ thép có ảnh hưởng đáng kể đến tải trọng giới hạn

Hình 4.56 thể hiện kết quả khảo sát ảnh hưởng của cường độ thép đến ứng xử chịu uốn của dầm được mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS Việc so sánh được dựa trên đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị theo phương đứng tại vị trí giữa nhịp của 5 mẫu có cùng cường độ chịu nén bê tông f c = 58 MPa và giới hạn chảy f y có giá trị lần lượt là 235 MPa, 355 MPa, 430 MPa, 500 MPa, và 630 MPa Nhìn chung, đường cong tải trọng – chuyển vị của 5 trường hợp có hình dạng giống nhau Bên cạnh đó, các đặc trưng cơ học k e , k p , P y , và P u của 5 mẫu được xác định dựa vào đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị lý tưởng và từ đó rút ra kết luận

STT B×t×L o f’ c f y k e Độ giảm k e mm×mm×mm MPa MPa kN/mm %

Bảng 4.29 thể hiện kết quả giá trị độ cứng đàn hồi Giá trị này được xác định từ phương trình của nhánh đàn hồi theo phương pháp đàn hồi – dẻo tương đương đã được trình bày ở mục 4.1.4 Hình 4.57 thể hiện giá trị độ cứng đàn hồi tương ứng với

Khảo sát ảnh hưởng của tỷ số D/t đến ứng xử của dầm CFST

Mô hình mô phỏng dầm SCW1-2 cho thấy sự tương đồng với kết quả thí nghiệm Dựa trên cơ sở đó, mô hình này được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của tỷ số độ mảnh của ống thép (D/t) đến ứng xử chịu uốn của dầm CFST Dầm SCW1-2 sẽ được so sánh với 4 dầm CFST có cùng cường độ bê tông và thép nhưng khác nhau về tỷ số

Tỷ số mảnh mai D/t của 5 dầm CFST lần lượt là 25; 30; 37,5; 50; và 75 Dựa vào đường cong ứng xử tải trọng - chuyển vị, các đặc trưng cơ học bao gồm độ cứng uốn, độ bền uốn và độ võng chịu đựng của các dầm được phân tích, so sánh và rút ra kết luận Qua đó, nghiên cứu này góp phần đánh giá khả năng chịu lực và độ ổn định của dầm CFST dưới tác động của tải trọng uốn, cung cấp dữ liệu đầu vào cho thiết kế thực tế.

Hình 4.71: Ảnh hưởng của tỷ số D/t đối với ứng xử chịu uốn của dầm CFST Hình 4.71 thể hiện kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ số D/t đến ứng xử chịu uốn của dầm được mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS Việc so sánh được dựa trên đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị theo phương đứng tại vị trí giữa nhịp của 5 mẫu có cùng cường độ chịu nén bê tông f c = 80 MPa, giới hạn chảy f y = 430 MPa tỷ số D/t lần lượt là 25; 30; 37,5; 50; và 75 Nhìn chung, đường cong tải trọng – chuyển vị của 5 trường hợp có hình dạng giống nhau Bên cạnh đó, kết quả phân tích số các giá trị k e , k p , P y , và P u của 5 mẫu được xác định dựa vào đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị lý tưởng như đã thực hiện ở mục 4.1.4

Hình 4.72: Độ cứng đàn hồi của dầm CFST tương ứng với các tỷ số D/t Bảng 4.41: Kết quả giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST (k e )

STT B×t×L o D /t f’ c f y k e Độ tăng k e mm×mm×mm MPa MPa kN/mm %

Bảng 4.41 thể hiện kết quả giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST được xác định từ phương trình của nhánh đàn hồi theo phương pháp đàn hồi – dẻo tương đương đã được trình bày ở mục 4.1.4 Hình 4.72 thể hiện độ cứng đàn hồi của dầm CFST tương ứng với 5 trường hợp tỷ số D/t khác nhau và có cùng cường độ bê tông chịu nén f c 80 MPa, giới hạn chảy f y = 430 MPa Các dầm CFST với tỷ số D/t là 75; 50; 37,5; 30; và 25 có độ cứng đàn hồi lần lượt là 34,91 kN/mm; 43,22 kN/mm; 55,32 kN/mm; 68,00 kN/mm, và 80,00 kN/mm Khi tỷ số D/t giảm từ 75 đến 25 thì giá trị độ cứng

Mô phỏng dầm ống thép nhồi bê tông 105 đàn hồi của dầm CFST tăng 23,78%−129,14% Do đó, tỷ số D/t có ảnh hưởng đáng kể đến độ cứng đàn hồi của dầm CFST

Hình 4.73: Độ cứng chảy dẻo của dầm CFST tương ứng với các tỷ số D/t Bảng 4.42: Kết quả giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST (k p )

STT B×t×L o D /t f’ c f y k p Độ tăng k p mm×mm×mm MPa MPa kN/mm %

Bảng 4.11 thể hiện kết quả giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST được xác định từ phương trình của nhánh chảy dẻo theo phương pháp đàn hồi – dẻo tương đương đã được trình bày ở mục 4.1.4 Hình 4.73 thể hiện giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST tương ứng với 5 trường hợp tỷ số D/t khác nhau và có cùng cường độ bê tông chịu nén f c = 80 MPa, giới hạn chảy f y = 430 MPa Các dầm CFST với tỷ số

D/t là 75; 50; 37,5; 30; và 25 có độ cứng chảy dẻo lần lượt là 1,60 kN/mm; 2,36 kN/mm; 2,02 kN/mm; 2,35 kN/mm, và 2,01 kN/mm Khi tỷ số D/t giảm từ 75 đến 25 thì giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST tăng 25,63%−47,50% Ứng xử dẻo của kết cấu CFST rất phức tạp và phụ thuộc vào tương tác giữa thép và bê tông Hiệu ứng kháng nở hông và cơ chế chia tải giữa hai vật liệu đóng vai trò quan trọng Do đó, chỉ có cường độ bê tông thay đổi không thể quyết định xu hướng đường cong ứng xử tải trọng – chuyển tuân theo một quy tắc nhất định trong giai đoạn chảy dẻo Như vậy, tỷ số D/t có ảnh hưởng không rõ ràng đến độ cứng chảy dẻo

Hình 4.74: Tải trọng chảy dẻo tương ứng với các tỷ số D/t Bảng 4.43: Kết quả giá trị tải trọng chảy dẻo (P y )

STT B×t×L o D /t f’ c f y P y Độ tăng P y mm×mm×mm MPa MPa kN %

Bảng 4.43 thể hiện kết quả giá trị tải trọng chảy dẻo được xác định từ công thức (4.3) theo phương pháp đàn hồi – dẻo tương đương đã được trình bày ở mục 4.1.4 Hình 4.74 thể hiện tải trọng chảy dẻo tương ứng với 5 trường hợp tỷ số D/t khác nhau và có cùng cường độ bê tông chịu nén f c = 80 MPa, giới hạn chảy f y = 430 MPa Các dầm CFST với tỷ số D/t là 75; 50; 37,5; 30; và 25 có tải trọng chảy dẻo lần lượt là 200,58 kN; 244,24 kN; 316,67 kN; 376,92 kN; và 455,37 kN Khi tỷ số D/t giảm từ

75 đến 25 thì giá trị độ tải trọng dẻo của dầm CFST tăng 21,77%−127,02% Do đó, tỷ số D/t có ảnh hưởng đáng kể đến tải trọng chảy dẻo

Hình 4.75: Tải trọng giới hạn tương ứng với các tỷ số D/t

Bảng 4.44: Kết quả tính toán tải trọng giới hạn (P u )

STT B×t×L o D /t f’ c f y P u Độ tăng P u mm×mm×mm MPa MPa kN %

Bảng 4.44 trình bày kết quả giá trị tải trọng giới hạn khi biến dạng kéo của ống thép ở vị trí giữa nhịp đạt 10000 με Hình 4.75 biểu diễn tải trọng giới hạn tương ứng với 5 trường hợp tỷ số D/t khác nhau và cùng cường độ bê tông chịu nén f c = 80 MPa, giới hạn chảy f y = 430 MPa Tải trọng giới hạn tăng khi tỷ số D/t giảm, cụ thể là các dầm CFST với tỷ số D/t lần lượt là 253,18 kN; 324,50 kN; 383,06 kN; 456,96 kN; và 517,33 kN, tương ứng với các tỷ số D/t là 75; 50; 37,5; 30; và 25 Sự tăng này dao động từ 28,17% đến 104,33% khi tỷ số D/t giảm từ 75 đến 25.

Do đó, tỷ số D/t có ảnh hưởng đáng kể đến tải trọng giới hạn

Kết luận và kiến nghị 109

Tiêu đề	Mô phỏng ứng xử của dầm ống thép nhồi bê tông
Tác giả	Nguyễn Thiên Phú
Người hướng dẫn	PGS.TS Cao Văn Vui, TS. Lê Bá Khánh
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ thuật Xây dựng
Thể loại	Luận văn Thạc sĩ
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	135
Dung lượng	2,61 MB