nghiên cứu ứng xử của dầm ống thép nhồi bê tông chịu tải lặp

Sau khi mô hình được kiểm chứng, mô hình được sử dụng để nghiên cứu sự suy giảm độ cứng của dầm CFST chịu tải lặp, sự phân bố ứng suất, biến dạng của dầm CFST và ảnh hưởng của cường đ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Lê Bá Khánh

PGS.TS Cao Văn Vui

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Đỗ Nguyễn Văn Vương

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Hồng Ân

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 25 tháng 01 năm 2024

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Ngô Hữu Cường - Chủ tịch hội đồng 2 TS Lưu Xuân Quí - Thư kí

3 PGS TS Đỗ Nguyễn Văn Vương - Phản biện 1 4 TS Nguyễn Hồng Ân - Phản biện 2 5 TS Trần Tuấn Nam - Ủy viên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: LÊ THÀNH VŨ MSHV: 2170220 Ngày, tháng, năm sinh: 11/04/1997 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số: 8580201

I TÊN ĐỀ TÀI (Tiếng việt): Nghiên cứu ứng xử của dầm ống thép nhồi bê tông chịu tải lặp

TÊN ĐỀ TÀI (Tiếng Anh): Behaviour of concrete-filled steel tube beams under cyclic loading

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1 Nghiên cứu tổng quan về ống thép nhồi bê tông

2 Nghiên cứu các mô hình của vật liệu dưới tác dụng của tải lặp

3 Mô phỏng dầm ống thép nhồi bê tông bằng phần mềm ABAQUS

4 Phân tích các đặc trưng cơ học của dầm ống thép nhồi bê tông chịu tải lặp

5 Phân tích ảnh hưởng của tải lặp đến sự suy giảm các đặc trưng cơ học của dầm ống

thép nhồi bê tông

6 Rút ra các kết luận từ các kết quả có được

PGS.TS Cao Văn Vui

TP.HCM, ngày…tháng 03 năm 2024

TS Lê Bá Khánh PGS.TS Cao Văn Vui

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy TS Lê Bá Khánh và Thầy PGS TS Cao Văn Vui Thầy là người đưa ra ý tưởng, lời khuyên để tôi từng bước hoàn thiện được đề tài luận văn này

Trong quá trình thực hiện luận văn này, tôi đã nhận được rất nhiều sự hỗ trợ từ phía nhà trường và thầy cô, tôi muốn thông qua đây để gửi lời cảm ơn sâu sắc đến: Ban Giám hiệu nhà trường, quý Thầy Cô trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM và các quý Thầy Cô khoa Kỹ thuật Xây Dựng, những cánh chim đầu đàn dẫn dắt trên con đường học tập, nghiên cứu của tôi

Đồng thời, tôi cũng gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện tốt về mặt tinh thần và vật chất giúp tôi hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, tôi xin gửi lời chúc sức khỏe và thành đạt tới quý Thầy Cô, gia đình, và bạn bè

Trong quá trình làm luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót, tôi rất mong nhận được góp ý quý báu từ Thầy Cô và các bạn

Tôi xin chân thành cảm ơn

TP.HCM, ngày…tháng 01 năm 2024

HỌC VIÊN CAO HỌC

Lê Thành Vũ

TÓM TẮT

Ngày nay, ống thép nhồi bê tông ngày càng được sử dụng phổ biến trong xây dựng Ống thép nhồi bê tông cho thấy được những ưu điểm nổi bật như giảm thời gian thi công, khả năng chịu tải lớn, tiết kiệm chi phí ván khuôn và giảm thiểu được lượng rác thải ra môi trường Từ những ưu điểm nổi bật đó, nhiều nghiên cứu về ống thép nhồi bê tông đã được thực hiện Tuy nhiên, số lượng nghiên cứu về dầm ống thép nhồi bê tông gọi tắt là dầm CFST thì vẫn ít hơn so với nghiên cứu về cột ống thép nhồi bê tông Từ những lí do đó, luận văn lần này tập trung nghiên cứu ứng xử của dầm CFST chịu tải lặp Phần mềm ABAQUS được lựa chọn để mô phỏng ứng xử và đặc trưng động học của dầm CFST khi chịu uốn 4 điểm Kết quả mô hình được kiểm chứng với kết quả thí nghiệm Sau khi mô hình được kiểm chứng, mô hình được sử dụng để nghiên cứu sự suy giảm độ cứng của dầm CFST chịu tải lặp, sự phân bố ứng suất, biến dạng của dầm CFST và ảnh hưởng của cường độ thép đến sự suy giảm độ cứng của dầm CFST Kết quả cho thấy độ cứng của dầm CFST chịu tác dụng của tải lặp giảm khi số vòng lặp tăng Đối với dầm đã được thí nghiệm, độ cứng tăng tải giảm 4,3%/vòng lặp, độ cứng giảm tải giảm 2,4%/vòng lặp Sự suy giảm độ cứng này có thể ảnh hưởng lớn đến các đặc trưng động học của dầm, đặc biệt là khi số vòng lặp lớn Khi cường độ của thép tăng từ 484,56 MPa lên 630 MPa, sự suy giảm độ cứng tăng tải của dầm tăng lên 6,3%/vòng lặp, còn độ cứng giảm tải tăng lên 3,0%/vòng lặp Khi cường độ của thép giảm từ 484,56 MPa xuống 275 MPa, sự suy giảm độ cứng tăng tải của dầm giảm xuống 2,1%/vòng lặp, còn độ cứng giảm tải giảm

xuống 2,4%/vòng lặp Dầm CFST xuất hiện biến dạng dẻo khi chuyển vị với tỉ số

Δ/L > 3,50/00 Ứng suất Von–Mises của ống thép tập trung chủ yếu tại cạnh trên và dưới Ứng suất von–Mises của bê tông tập trung chủ yếu tại thớ trên

ABSTRACT

Nowadays, concrete-filled steel tubes (CFST) are increasingly utilized in construction projects CFST exhibits remarkable advantages such as reduced construction time, high load-bearing capacity, cost savings in formwork, and minimization of environmental waste These notable advantages have led to numerous research endeavors focusing on CFST columns However, the number of studies on CFST beams remains relatively scarce compared to CFST columns Hence, this dissertation concentrates on investigating the behavior of CFST under cyclic loading The ABAQUS software is chosen to simulate the behavior and dynamic characteristics of CFST beams subjected to four-point bending The model results are validated against experimental outcomes After model validation, it is utilized to study the stiffness degradation of CFST beams under cyclic loading, stress distribution, deformation of CFST beams, and the influence of steel strength on stiffness degradation The results reveal that the stiffness of CFST beams decreases with an increasing number of loading cycles For experimentally tested beams, the stiffness decreases by 4,3% per cycle under increasing load and by 2,4% per cycle under decreasing load This stiffness reduction can significantly affect the dynamic characteristics of the beams, particularly with many loading cycles When the steel strength increases from 484,56 MPa to 630 MPa, the stiffness degradation under increasing load rises to 6,3% per cycle, while under decreasing load, it increases to 3,0% per cycle Conversely, when the steel strength decreases from 484,56 MPa to 275 MPa, the stiffness degradation under increasing load decreases to 2,1% per cycle, and under decreasing load, it decreases to 2,4% per cycle CFST beams exhibit elastic deformation when displaced with a ratio Δ/L > 3, 50/00 The Von-Mises stress of the steel tubes primarily concentrates on the top and bottom edges, while the Von-Mises

stress of concrete mainly focuses on the top flange

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS Lê Bá Khánh và Thầy PGS.TS Cao Văn Vui

Các kết quả trong luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện của mình

TP.HCM, ngày tháng 01 năm 2024

HỌC VIÊN CAO HỌC

Lê Thành Vũ

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

LỜI CAM ĐOAN v

DANH MỤC HÌNH ẢNH ix

DANH MỤC BẢNG xiii

DANH MỤC VIẾT TẮT xiv

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu 1

1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 3

1.2.1 Nội dung nghiên cứu 3

1.3 Cấu trúc luận văn 3

1.4 Tổng quan về ống thép nhồi bề tông 4

1.4.1 Quá trình hình thành và phát triển CFST 4

1.4.2 Những đặc điểm nổi bậc của CFST 7

1.5 Tình hình nghiên cứu ở trong nước 8

1.6 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước 10

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 18

2.1 Mô hình vật liệu của thép 18

2.2 Mô hình vật liệu bê tông 19

2.3 Mô hình vật liệu chịu tải lặp (cyclic loading) 20

2.4 Sự tương tác giữa bê tông và ống thép 23

2.5 Phần tử khối trong ABAQUS 24

2.6 Ứng suất tương đương Von–Mises 26

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CỦA DẦM CFST 28

3.1 Mô tả dầm CFST 28

3.2 Tải trọng lặp 29

3.3 Mô phỏng dầm CFST trong ABAQUS 30

3.4 Kiểm chứng mô hình 33

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 37

4.1 Phân tích kết quả mô phỏng của dầm CFST được thí nghiệm 37

4.1.1 Phân tích ứng xử của dầm CFST chịu tải lặp 37

4.1.2 Phân tích biến dạng dẻo của dầm ống CFST chịu tải lặp 41

4.1.3 Phân tích trạng thái ứng suất trên dầm CFST 45

4.2 Khảo sát ảnh hưởng của cường độ vật liệu đến ứng xử của dầm CFST 51

4.2.1 Ảnh hưởng của cường độ thép ƒy = 275 MPa đến dầm CFST 52

4.2.2 Ảnh hưởng của cường độ thép ƒy = 355 MPa đến dầm CFST 57

4.2.3 Ảnh hưởng của cường độ thép ƒy = 550 MPa đến dầm CFST 62

4.2.4 Ảnh hưởng của cường độ thép ƒy = 630 MPa đến dầm CFST 67

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Tiết diện CFST 1

Hình 1.2 SEG Plaza ở Shenzhen, Trung Quốc 2

Hình 1.3 Wuhan International Securities Building, Trung Quốc 2

Hình 1.4 Cầu Yajisha ở Guangzhou ở Trung Quốc 5

Hình 1.5 Tháp Poly Diamond Lantern(2016), Bắc Kinh, Trung Quốc 5

Hình 1.6 Cầu Rạch Chiếc – Tp Hồ Chí Minh 6

Hình 1.7 Tào nhà Viettin Bank Tower – Tp Hồ Chí Minh 6

Hình 2.1 Quan hệ giữa ứng suất – biến dạng của thép 18

Hình 2.2 Quan hệ giữa ứng suất – biến dạng của bê tông 19

Hình 2.3 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của bê tông khi phá hoại dẻo 22

Hình 2.4 Mô hình vật liệu của thép với tái bền tuyến tính 23

Hình 2.5 Mô hình truyền lực cắt trong bề mặt bê tông – thép theo Coulomb 24

Hình 2.6 Phần tử tuyến tính khối lập phương 8 điểm nút 26

Hình 2.7 Chia lưới phần tử cho thành phần bê tông và ống thép 26

Hình 2.8 Ứng suất chính trên một phân tố 27

Hình 3.1 Hình minh họa ống thép CFST đơn giản chịu 4 điểm uốn 29

Hình 3.2 Mô hình tải trọng lặp 30

Hình 3.3 Mô hình CFST trong ABAQUS 30

Hình 3.4 Khai báo vật liệu bê tông trong ABAQUS 31

Hình 3.5 Khai báo sự tương tác của dầm CFST 33

Hình 3.6 Quan hệ giữa lực và chuyển vị tại giữa nhịp 34

Hình 3.7 Kết quả giá trị Py của dầm CFST 34

Hình 3.8 Kết quả giá trị Pu của dầm CFST 35

Hình 3.9 Trạng thái phá hoại của ống thép 35

Hình 3.10 Trạng thái phá hoại của bê tông trong ống thép 36

Hình 4.1 Đường cong quan hệ giữa lực và chuyển vị khi chịu tải lặp 37

Hình 4.2 Độ cứng tăng tải lần 1 của dầm CFST 38

Hình 4.3 Giá trị độ cứng tăng tải của dầm CFST khi tăng tải 38

Hình 4.4 Độ cứng của dầm CFST khi giảm tải 39

Hình 4.5 Giá trị độ cứng của dầm CFST khi dỡ tải 39

Hình 4.6 Phá hoại dẻo tại vị trí giữa nhịp 40

Hình 4.7 Biến dạng dẻo của bê tông trong ống thép 41

Hình 4.8 Biến dạng dẻo của bê tông tại mặt cắt giữa nhịp 41

Hình 4.9 Biến dạng dẻo của bê tông tại mặt cắt giữa nhịp 42

Hình 4.10 Biến dạng dẻo của ống thép 43

Hình 4.11 Biến dạng dẻo của thép tại mặt cắt giữa nhịp 43

Hình 4.12 Biến dạng dẻo của thép tại mặt cắt giữa nhịp 44

Hình 4.13 Ứng suất von-Mises của bê tông trên mặt cắt dọc 45

Hình 4.14 Phân bố ứng suất vonMises trên mặt cắt ngang tại vị trí giữa nhịp 45

Hình 4.15 Ứng suất von-Mises của bê tông tại mặt cắt giữa nhịp 46

Hình 4.16 Phân bố ứng suất von-Mises của thép trên mặt cắt dọc 47

Hình 4.17 Ứng suất của thép trên đường thẳng qua A 47

Hình 4.18 Ứng suất của thép trên đường thằng qua B 48

Hình 4.19 Ứng suất của thép trên đường thẳng qua C 49

Hình 4.20 Ứng suất von-Mises theo mặt cắt dọc 50

Hình 4.21 Ứng suất von-Mises của thép tại mặt cắt giữa nhịp 50

Hình 4.22 Đường cong quan hệ giữa lực và chuyển vị với fy = 275 MPa 52

Hình 4.23 Giá trị độ cứng tăng tải của dầm CFST 52

Hình 4.24 Giá trị độ cứng giảm tải của dầm CFST 53

Hình 4.25 Biến dạng dẻo của thép tại mặt cắt giữa nhịp 53

Hình 4.26 Ứng suất von-Mises của thép tại mặt cắt giữa nhịp 54

Hình 4.27 Biến dạng dẻo của bê tông tại mặt cắt giữa nhịp 55

Hình 4.28 Ứng suất von-Mises của bê tông tại mặt cắt giữa nhịp 56

Hình 4.29 Đường cong quan hệ giữa lực và chuyển vị với fy =355MPa 57

Hình 4.30 Giá trị độ cứng tăng tải của dầm CFST 57

Hình 4.31 Giá trị độ cứng giảm tải của dầm CFST 58

Hình 4.32 Biến dạng dẻo của thép tại mặt cắt giữa nhịp 58

Hình 4.33 Ứng suất von-Mises của thép tại mặt cắt giữa nhịp 59

Hình 4.34 Biến dạng dẻo của bê tông tại mặt cắt giữa nhịp 60

Hình 4.35 Ứng suất von-Mises của bê tông tại mặt cắt giữa nhịp 61

Hình 4.36 Đường cong quan hệ giữa lực và chuyển vị với fy =550 MPa 62

Hình 4.37 Giá trị độ cứng tăng tải của dầm CFST 62

Hình 4.38 Giá trị độ cứng giảm tải của dầm CFST 63

Hình 4.39 Biến dạng dẻo của thép tại mặt cắt giữa nhịp 63

Hình 4.40 Ứng suất von-Mises của thép tại mặt cắt giữa nhịp 64

Hình 4.41 Biến dạng dẻo của bê tông tại mặt cắt giữa nhịp 65

Hình 4.42 Ứng suất von-Mises của bê tông tại mặt cắt giữa nhịp 66

Hình 4.43 Đường cong quan hệ giữa lực và chuyển vị với fy =550 MPa 67

Hình 4.44 Giá trị độ cứng tăng tải của dầm CFST 67

Hình 4.45 Giá trị độ cứng giảm tải của dầm CFST 68

Hình 4.46 Biến dạng dẻo của thép tại mặt cắt giữa nhịp 68

Hình 4.47 Ứng suất von-Mises của thép tại mặt cắt giữa nhịp 69

Hình 4.48 Biến dạng dẻo của bê tông tại mặt cắt giữa nhịp 70

Hình 4.49 Ứng suất von-Mises của bê tông tại mặt cắt giữa nhịp 71

DANH MỤC BẢNG

Bảng 4-1 Bảng thông số cường độ thép và bê tông của dầm CFST 51

DANH MỤC VIẾT TẮT

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VÀ TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu

Ngày nay, việc ứng dụng CFST trong lĩnh vực xây dựng ngày càng được phổ biến Ống thép nhồi bê tông cho thấy được những ưu điểm nổi bật như giảm thời gian thi công, khả năng chịu tải lớn, bề mặt dầm cũng được bảo vệ khỏi các tác động và ăn mòn từ môi trường ngoài, chi phí cũng hợp lý Chính vì những lí do đó mà cấu kiện CFST nói chung và dầm CFST nói riêng đã thu hút được sự đầu tư của các quốc gia Cụ thể là một số tiêu chuẩn được soạn thảo riêng cho các cấu kiện này ví dụ EUROCODE 4 [1], BS5400 chương 5 [2], AS5100 chương 6 [3], … Đó là nguyên nhân dẫn đến sự xuất hiện ngày càng nhiều các công trình sử dụng CFST trong xây dựng, kể cả các công trình cao tầng và siêu cao tầng cũng áp dụng kết cấu CFST Một số tiết diện CFST thường được sử dụng trên thực tế như: ống thép tròn nhồi bê tông CHS (circular hollow section), ống thép vuông nhồi bê tông SHS (Square hollow section), ống thép hình chữ nhật nhồi bê tông RHS (rectangular hollow section) như

Hình 1.2 SEG Plaza ở Shenzhen, Trung Quốc [4]

Hình 1.3 Wuhan International Securities Building, Trung Quốc [4]

Bằng việc ứng dụng rộng rãi CFST mà các nghiên cứu về CFST ngày càng phát triển Trên thực tế, ta thấy các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các cấu kiện cột nhồi bê tông chịu tại dọc trục, trong khi đó tương ít nghiên cứu cấu kiện dầm thép nhồi bê

tông chịu uốn Chính vì thế mà việc nghiên cứu ứng xử của dầm cũng là việc cần thiết

1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn là phân tích các ứng xử của dầm CFST khi chịu tải lặp và đưa ra nhận xét về các kết quả đạt được

1.2.1 Nội dung nghiên cứu

Sau đây là các nhiệm vụ và nội dung cụ thể của nghiên cứu này: 1 Nghiên cứu tổng quan về CFST

2 Nghiên cứu các mô hình của vật liệu dưới tác dụng của tải lặp

3 Mô phỏng dầm CFST bằng phần mềm ABAQUS sử dụng phương pháp

PTHH

4 Phân tích các đặc trưng cơ học của dầm thép nhồi bê tông chịu tải lặp

5 Phân tích ảnh hưởng của tải lặp đến sự suy giảm các đặc trưng cơ học của

dầm CFST

6 Rút ra các kết luận từ các kết quả có được

1.3 Cấu trúc luận văn

Nội dung luận văn được trình bày gồm 4 chương Chương 1 là chương giới thiệu và tổng quan, trong đó giới thiệu sơ lược về đề tài nghiên cứu, mục tiêu và nội dung nghiên cứu, tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của đề tài Bên cạnh đó, tổng quan về tình hình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về CFST nói chung và dầm CFST nói riêng Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết để ứng dụng vào phân tích ứng xử của dầm CFST chịu tải lặp Đưa ra cơ sở lý thuyết về mô hình vật liệu cấu thành nên cấu kiện Chương 3 trình bày mô phỏng dầm CFST, áp dụng lý thuyết vào quá trình xây dựng và phân tích ứng xử của dầm CFST chịu tải lặp Chương 4 là chương

phân tích kết quả thu được từ mô phỏng dầm CFST bằng phần mềm ABAQUS Kết quả được sử dụng để phân tích các đặc trưng cơ học của dầm CFST Chương 5 tổng kết các kết quả đạt được từ chương 4 và đưa ra các kết luận Bên cạnh đó, đưa ra một số kiến nghị phát triển đề tài trong tương lai

1.4 Tổng quan về ống thép nhồi bề tông

1.4.1 Quá trình hình thành và phát triển CFST

CFST được Sewell công bố năm 1901 [5], lý do ông đưa ra để bảo vệ ý kiến này là dùng để chống gỉ bên trong cột ống thép Tuy nhiên trong quá trình sử dụng, ông đã phát hiện ra một số cột có thể chịu tải trọng ngẫu nhiêu rất lớn Từ thực nghiệm, ông đã đưa ra kết luận rằng độ cứng của các cột đã được tăng ít nhất là 25%

Năm 1903 và 1906, phát hiện của Concedère [5] về trạng thái kiềm chế của cát và bê tông, hiệu suất giãn nở được công bố Tất cả những nghiên cứu và phát hiện trên đều là tiền đề cho việc kết hợp giữa bê tông và ống thép rỗng ra đời

Trong suốt hơn 40 năm qua, các dự án nghiên cứu chuyên sâu về kết cấu rỗng đã được thực hiện dưới sự chỉ đạo của CIDECT (International Committee for the Development and Study of Tubular Structures) và IIW (International Institute of Welding) [6] Hơn 12 hội nghị quốc tế về cấu kiện hình ống đã được tổ chức từ năm 1984 (IIW 1984, năm 1986 K Makino, năm 1989 Niemi và Mäkeläinen , năm 1991 Wardenier và P Shahi, 1993 Coutie và Davies, năm 2001 Puthli và Herion, năm 2003 Jaurrieta và cộng sự, năm 2006 Packer and Willibad, năm 2008 Shen và cộng sự) Ngoài ra, còn một số hội nghị quốc tế được tổ chức bởi hiệp hội ASCCS (Association for Steel-Concrete Composite Structures) từ năm 1985 và rất nhiều bài báo về CFST Dưới đây là một vài bài báo về CFST tiêu biểu như năm 1997 Shams và Saadeghvaziri, năm 1998 Schneider, năm 2001 Shanmugam và cộng sự, năm 2002 Nishiyama và cộng sự, năm 2002 Han và năm 2008 Gourley và cộng sự

Năm 1931, một trong những công trình đầu tiên sử dụng CFST là cây cầu vòm nhịp 9m được xây dựng ở ngoại ô Paris, kết cấu gồm 6 CFST cho mỗi vòm Năm 1936, tổ

hợp gồm 40 CFST đường kính 140mm và dày 50mm tạo nên cạnh hình parabol của kết cầu cây cầu dài 101m vượt sông Neeva ở thành phố Xanh-Pêterbua Giai đoạn từ năm 1990 đến 1992, ba tiêu chuẩn kỹ thuật CECS28-90, DLGJ99-91 và DLGJ-SII-92 được ban hành ở Trung Quốc mở ra kỷ nguyên mới về ứng dụng cấu kiện CFST cho đất nước tỉ dân này Tháng 6 năm 2000, cầu Yajisha ở Guangzhou như Hình 1.4 với nhịp 360 được khánh thành, đây được xem như là cây cầu đầu tiên ở Trung Quốc được thiết kế 6 CFST và đạt được nhiều kỉ lục thế giới Năm 2016, Tháp Poly Diamond Lantern như Hình 1.5 tại Bắc Kinh, Trung Quốc cũng được xây khánh thành

Hình 1.4 Cầu Yajisha ở Guangzhou ở Trung Quốc [7]

Hình 1.5 Tháp Poly Diamond Lantern (2016), Bắc Kinh, Trung Quốc [7]

Việt Nam cũng là một trong những quốc gia tiếp cận được với cấu kiện CFST, cụ thể

một số công trình đã được xây dựng như Hình 1.6 và Hình 1.7 Năm 2017, Nguyễn

Viết Trung và cộng sự [5] đã viết cuốn sách về “Cầu Vòm ống thép nhồi bê tông” Năm 2020, Cù Việt Hưng [7] và cộng sự đã viết lại cuốn sách “Cầu Vòm ống thép nhồi bê tông” dựa trên các nghiên cứu và công trình thực tiễn của tác giả Trần Bảo Xuân (Chen Baochun)

Hình 1.6 Cầu Rạch Chiếc – Tp Hồ Chí Minh [5]

Hình 1.7 Tào nhà Viettin Bank Tower – Tp Hồ Chí Minh [5]

1.4.2 Những đặc điểm nổi bậc của CFST

Khi chịu cùng ứng suất như nhau thì kết cấu nhồi bê tông trong ống thép có những đặc điểm nổi bậc như:

- Khi so sánh với kết cấu bê tông có tiếp xúc với môi trường bên ngoài bê tông trong ống thép có đặc điểm:

+ Độ bền của lõi bê tông tăng khoảng 2 lần;

+ Bê tông không bị co ngót mà bị trương nở vì không có sự trao đổi giữa bê tông và môi trường bên ngoài;

+ Sau 2 – 3 ngày tuổi thì không xuất hiện thêm vết nứt;

+ Tính phi tuyến của biến dạng từ biến sẽ mất đi sau 2 – 7 ngày tuổi; + Không cần cốp pha trong thi công

- Khi so sánh với kết cấu dạng ống:

+ Tăng khả năng chống biến dạng của ống thép;

+ Độ bền ăn mòn và chống gỉ của mặt trong ống thép cao hơn; + Giảm độ mảnh của cấu kiện;

- Khi so sánh với kết cấu sử dụng thép hình có mặt cắt hở:

+ Mặt ngoài của kết cấu CFST nhỏ hơn do đó chi phí sơn phủ và bảo dưỡng thấp hơn;

+ Độ bền chống gỉ cao hơn; + Khả năng ổn định nhiều hơn;

+ Giảm được ảnh hưởng của tải trọng gió;

+ Tăng độ cứng chống xoắn

1.5 Tình hình nghiên cứu ở trong nước

Năm 2012, Chu Thị Bình [8] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm cột CFST trong điều kiện cháy Mười cột thép nhồi bê tông với 5 loại tiết diện khác nhau (cả cột vuông và tròn được bao bọc bởi một thép hình khác bên trong), có chiều dài 3310 mm đã được thí nghiệm tại phòng thí nghiệm cháy – trường đại học Liege Trong đó có hai cấu kiện được sơn phủ chống cháy bằng sơn phồng (intumescent paint) và thí nghiệm xác định khả năng chịu cháy Các kết quả về chuyển vị đứng tại đỉnh cột và chuyển vị ngang tại giữa cột đều được ghi lại trong suốt quá trình thí nghiệm Thí nghiệm tập trung vào phân tích các thông số: hình dạng tiết diện và hệ số tải trọng sử

dụng (tỉ số giữa tải trọng tác dụng lên cột khi cháy Nft và khả năng chịu tải trọng của cột ở nhiệt độ thường Nu) Thí nghiệm cho thấy sự mất ổn định cục bộ của ống thép bao ngoài Sau 30 phút chịu cháy, thép bên ngoài đạt trên 6000C, cường độ và độ cứng trong phép giảm gần hết, hầu như toàn bộ lực truyền sang lõi bê tông bên trong Như vậy, sự mất ổn định cục bộ của lõi thép ngoài gần như không ảnh hưởng đến khả năng chịu cháy của cột Kết quả thí nghiệm về cột thép nhồi bê tông tự đầm chịu cháy đã cung cấp các kiến thức về truyền nhiệt và ứng xử cơ học của các loại cột CFST khi chịu cháy Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng bằng phần mềm SAFIR cho thấy được kết quả mô phỏng là tương đối chính xác

Năm 2019, Vũ Quang Việt và cộng sự [9] đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, để nghiên cứu khả năng chịu uốn của cấu kiện ống tròn hai lớp thép nhồi bê tông (CFDST) có mối nối ở giữa Mô hình PTHH của thí nghiệm uốn 4 điểm trên cấu kiện CFDST có mối nối được mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS Mô hình được xây dựng để khảo sát khả năng chịu uốn của cấu kiện CFDST dưới sự thay đổi lần lượt của cường độ thép và cường độ chịu nén của bê tông Dữ liệu thu được từ mô hình phân tích cho kết quả tương đồng với dữ liệu thực nghiệm trước đó

Năm 2021, Lê Bá Khánh và cộng sự [10] đã tiến hành nghiên cứu ứng xử của CFST dưới tác động xoắn thuần túy Các mô hình của ống thép được mô phỏng bằng phần

mềm ABAQUS Các mô hình này sau đó được kiểm chứng bằng cách so sánh với kết quả thực nghiệm và được dùng để khảo sát các tham số ảnh hưởng đến khả năng chịu mô men xoắn của cấu kiện CFST Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng cường độ nén của bê tông ảnh hưởng không nhiều đến khả năng chịu xoắn của CFST, tuy nhiên bê tông ngăn chặn được hiện tượng vênh và giúp cho ống thép hoạt động một cách hiệu quả Kết quả còn chỉ ra rằng, cường độ của thép ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu mô men xoắn của CFST Cụ thể, khi ta tăng cường độ thép từ 235 MPa đến 420 MPa, khả năng chịu mô men xoắn của CFST tăng đến 50% Khả năng chịu mô men xoắn của ống thép có ảnh hưởng lớn đến mô men chảy của CFST, xếp sau là tỉ lệ giữa đường kính và độ dày của ống thép Trong khi đó các thông số liên quan đến cường độ nén của bê tông không đem lại hiệu quả nhiều cho khả năng chịu mô men xoắn của CFST

Năm 2020, Vũ Quang Việt và cộng sự [11] đã tiến hành 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 phần tử hữu hạn (PTHH) Mô hình 3D của cấu kiện CFDST có hệ neo chống cắt dạng đinh mũ được xây dựng và phân tích bằng phần mềm ABAQUS Mô hình PTHH của cấu kiện CFDST được kiểm chứng bằng cách so sánh với kết quả thí nghiệm Kết quả kiểm chứng này cho thấy mô hình được xây dựng tương đối chính xác với kết quả thực nghiệm Từ các kết quả đạt được tác giả đã đưa ra kết luận,

tỉ số độ mảnh của ống thép ngoài (Do/to), tỉ số độ mảnh của ống thép trong (Di/ti), và

tỉ số giữa đường kính ống thép trong và ống thép ngoài (Di/Do) ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu uốn của cấu kiện CFDST

Năm 2016, Phan Đình Hào và cộng sự [12] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ bê tông đến khả năng chịu lực của cột nhồi bê tông (CFST) dưới tác dụng của lực nén dọc trục bằng cách mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS Mô hình phần tử hữu hạn 3 chiều đã được xây dựng và thực hiện phân tích số cho cột ngắn CFST Nghiên cứu này được thực hiện với 3 trường hợp tải khác nhau bao gồm tải trọng chỉ tác dụng lên lõi bê tông, tải trọng chỉ tác dụng lên ống thép và tải trọng tác dụng lên cả lõi bê tông và ống thép Kết quả khảo sát cho thấy trường hợp tải tác dụng lên lõi

bê tông cho kết quả chịu tải lớn nhất, hơn nữa khả năng chịu tải của các cột cũng tăng khi tăng cường độ chịu nén của bê tông nhồi Ngoài ra, tác giả còn đưa ra đánh giá tỉ số bề rộng cột với chiều dày ống và hiệu ứng giam giữ của ống thép tác dụng lên lõi bê tông đều ảnh hưởng đến khả năng chịu tải trọng dọc trục của cấu kiện CFST

1.6 Tình hình nghiên cứu ở ngoài nước

Năm 1969, KNowles và Park [13] tiến hành nghiên cứu ứng xử của CFST khi chịu tải dọc trục và tải lệch tâm với nhiều tỉ lệ độ mảnh khác nhau Kết cấu ống thép rỗng được thực nghiệm và so sánh với CFST Từ kết quả nghiên cứu, người ta thấy rằng có thể dự đoán được tải trọng oằn của cột dài bằng cách cộng các tải trọng mô đun tiếp tuyến của ống thép và lõi bê tông lại với nhau xem như cột thép và cột bê tông hoạt động độc lập với nhau Kết quả thí nghiệm cũng cho thấy tỉ lệ độ mảnh cũng sẽ ảnh hưởng đến hiện tượng vênh của cột, cụ thể khi chịu tải dọc trục cột thép nhồi bê tông sẽ bị vênh trước khi biến dạng theo phương dọc trục đủ lớn làm cho bê tông tăng thể tích Đối với cột chịu lệch tâm người ta dùng công thức tương tác giữa tải trọng dọc trục và khả năng chịu uốn trên mặt cắt để dự đoán tải trọng phá hủy

Năm 1988, Liu và Goel [14] đã đưa ra những kết quả từ thí nghiệm để đánh giá ứng xử của cọc CFST khi chịu tải lặp Liu và Goel đã dùng chín mẫu được làm từ các ống thép định hình nguội A500 Hạng B chịu tải từng hoàn Dưới đây là những thông số chính của thí nghiệm:

- Kích thước của của bê tông; - Cường độ của bê tông; - Tỉ lệ độ mảnh hữu hiệu; - Tỉ lệ giữ chiều rộng – độ dày

Dựa trên những kết quả nghiên cứu Liu và Goel đã đưa ra 2 quy trình dùng để tính toán tải trọng oằn của các cấu kiện giằng

Năm 1998, Chneider [15] đã tiến hành thực nghiệm nén dọc trục cột ngắn CFST đến khi phá hủy Mười bốn mẫu vật đã được thực nghiệm để nghiên cứu các ảnh hưởng của hình dạng ống thép và độ dày của thành ống đối với cường độ phá hủy của cột

CFST Tỉ lệ giữa chiều cao tiết diện và chiều dày tấm thép 17≤ D/t ≤ 50, tỉ lệ giữa chiều dài ống thép và chiều cao tiết diện 4<L/D<5 đã được đưa vào để khảo sát đến

sự ảnh hưởng của cường độ phá hủy của cột Kết quả thí nghiệm sẽ được so sánh với các thông số kỹ thuật hiện hành được dùng để thiết kế Các mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến được phát triển và kiểm chứng bằng các kết quả thực nghiệm Các kết quả thực nghiệm cho thấy rằng, các ống tròn trở nên bền và cứng hơn sau khi chảy dẻo, nó không xảy ra ở mặt cắt ngang hình vuông và hình chữ nhật

Năm 1998, Han [16] đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán trường nhiệt độ của ống thép dưới tác dụng của lửa Một mô hình lý thuyết tính toán về biến dạng, độ bền của cột chịu lửa và khả năng chống cháy của CFST được trình bày Ông tiến hành thực nghiệm dùng mẫu cột CFST để chịu lửa và tiến hành thí nghiệm kiểm tra về sự thay đổi cường độ của vật liệu Kết quả thực nghiệm được ông so sánh với kết quả phân tích từ mô hình và cho thấy sự thống nhất tốt Dựa trên các kết quả lý thuyết và thực nghiệm ông đưa ra các vấn đề cần thảo luận là sự ảnh hưởng của cường độ vật liệu, đường kính, tỉ lệ ống thép và tỉ lệ độ mảnh sẽ ảnh hưởng đến khả năng chống cháy của cấu kiện

Năm 2001, Elchalakani và cộng sự [17] đã trình bày một nghiên cứu thực nghiệm về

ứng xử uốn của CFT tròn chịu biến dạng lớn do uốn thuần túy trong đó giá trị D/t =

12 đến 110 Bài báo tập trung so sánh ứng xử của các phần ống thép rỗng và ống thép được nhồi vật liệu, ống thép được hình thành bằng cách định hình nguội dưới tác

dụng của uốn dẻo thuần túy Người ta nhận thấy rằng với giá trị D/t ≤ 40, việc lấp

đầy ống thép rỗng ngăn chặn được hiện tượng vênh cục bộ đối với các chuyển động quay rất lớn, trong khi đó nhiều gợn sóng dẻo được hình thành trong khoảng

74≤D/t≤110 Tổng kết, việc lấp đầy khoảng rỗng trong ống thép đã làm tăng độ bền,

độ dẻo và khả năng hấp thu năng lượng, đặc biệt đối với tiết diện mỏng Dựa trên

những đặc điểm của vật liệu, giới hạn dẻo được tìm thấy với giá trị D/t = 112 Từ đó

tác giả đã cung cấp một công thức đơn giản hóa để xác định khả năng uốn tới hạn của CFT Các quy định về thiết kế cho khả năng uốn tới hạn của CFT có thể được mở

rộng sang phạm vi độ mảnh mới với giá trị nằm trong khoảng 100≤λs≤188

Năm 2001, Han và cộng sự [18] đã tiến hành hàng loạt các thí nghiệm trên cột vuông nhồi bê tông (20 mẫu), trong đó có 8 mẫu cột và 12 mẫu dầm Các thông số được

khảo sát là hệ số giam giữ 1,08≤ξ≤5,64, cường độ chịu nén của bê tông từ 10,7 MPa đến 36,6 MPa, tỉ lệ 20,5≤D/t≤36,5, độ lệch tâm tải trọng (e) từ 15 mm đến 80 mm và độ mảnh của cột (λ) từ 45 đến 75 Mô hình cơ học được phát triển trong bài báo này

cho các cột, dầm – cột SHS đổ bê tông Một lý thuyết thống nhất được đưa ra, trong

đó hệ số giam giữ ξ được dùng để mô tả tác động qua lại giữa ống thép và bê tông

Tải trọng dự đoán so với mối quan hệ biến dạng dọc trục phù hợp với kết quả kiểm tra của cột tròn Cường độ dự đoán của cấu kiện dầm – cột được so sánh với cường độ của 331 thí nghiệm về ứng xử của dầm cột với nhiều thông số khác nhau và kết quả thu được là khá tương đồng Mối quan hệ giữa tải trọng dự đoán và độ võng giữa nhịp đối với cấu kiện dầm – cột cũng phù hợp với kết quả thí nghiệm Một mô hình đơn giản hóa được phát triển để tính toán khả năng chịu lực của các cột SHS đổ bê tông Mô hình được được so sánh với các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành như LRFD(AISC1994), EUROCODE 4(1996), AIJ(1997) nhằm tăng độ xác thực của mô hình

Năm 2002, Zhao và cộng sự [19] đã tiến hành hàng loạt các thí nghiệm uốn dọc trục và uốn thuần túy trên các CFST xen kẽ Tác giả đã tiến hành nén và uốn trên các vỏ kép nhồi bê tông (CFDST) Các mô hình lý thuyết được phát triển để dự đoán cường độ của các cột và dầm CFDST Mặt trong và mặt ngoài đều là các tiết diện rỗng hình vuông với ứng suất chảy là 450 MPa được tạo hình bằng cách cán nguội Bốn kích

thước khác nhau được chọn để thực hiện thí nghiệm với tỉ lệ 16,7≤ D/t ≤ 25 Tiết diện có tỉ lệ D/t = 20 được chọn cho tiết diện ống bên trong Kết quả từ thí nghiệm cho

thấy khả năng chịu nén và uốn của CFDST đều vượt trội hơn so với các ống rỗng Điều này cũng cho thấy được sự thống nhất giữa các lý thuyết đưa ra và thực nghiệm

Năm 2002, Aval và cộng sự [20] đã xem xét đến vấn đề trượt và sự kết hợp giữa ống thép và bê tông Họ sử dụng phương pháp thớ để phân tích quan hệ giữa tải trọng và biến dạng của cấu kiện chịu tải trọng tuần hoàn Bài báo tập trung vào phân tích phi tuyến hình học (chuyển vị lớn) của cấu kiện CFST Công thức mô tả liên kết trượt giữa bê tông và thép trên toàn bộ bề mặt tiếp xúc được đưa ra Mô hình tính toán đề cập đến hai yếu tố gây trượt giữa bê tông và ống thép Yếu tố đầu tiên là sự dãn dài dọc trục của vỏ thép và bê tông, yếu tố thứ hai được đề cập đến là sự khác biệt giữa độ cong trong mặt cắt ngang của lõi bê tông và vỏ thép Một phần tử 13 bậc tự do (DOF) với 3 nút, có 5 (DOF) trên mỗi nút cuối và 3 (DOF) trên nút giữa đã được chọn Các hàm dạng Lagrange bậc hai cho biến dạng dọc trục và các hàm dạng Hermiti bậc bốn cho biến dạng hướng ngang được sử dụng Mô hình được triển khai thực nghiệm ở một số cột CFT dưới tải trọng dọc trục không đổi và tải trọng ngang theo chu kỳ Ảnh hưởng liên kết bán phần và liên kết toàn phần được khảo sát và so sánh với thực nghiệm Kết quả đạt được cho thấy sử dụng vỏ thép có gờ hoặc đinh tán sẽ cho cường độ tới hạn lớn hơn và năng lượng tiêu tán sẽ cao hơn so với cột có vỏ thép không gờ

Năm 2004, Liew và cộng sự [21] đã tiến hành thí nghiệm uốn trên 12 mẫu dầm CFST hình chữ nhật bằng bê tông cường độ cao có cường độ mẫu trụ từ 56,3 MPa đến 87,5 MPa và thép có cường độ chảy từ 409 MPa đến 438 MPa Kết quả thí nghiệm được so sánh với lý thuyết thiết kế theo EUROCODE 4 Từ những kết quả đạt được người ta đã rút ra kết luận phương pháp tính theo EUROCODE 4 (EN 1994-1-1,2004) đã đánh giá thấp khả năng chịu tải uốn của cấu kiện dầm CFST lên đến 11% Tiếp theo đó vào năm 2012 Guler và cộng sự [21] cũng tiến hành thí nghiệm uốn trên chín dầm CFST vuông với bê tông cường độ cao lên đến 120 MPa và ống thép với cường độ trung bình Kết quả được so sánh với hai phương pháp thiết kế EUROCODE 4 (EN 1994-1-1,2004) và ANSI/AISC (2005) và một lần nữa khẳng định được sự thận trọng của các tiêu chuẩn trong việc đánh giá khả năng chịu uốn của dầm CFST

Năm 2004, Manoharan và cộng sự [22] đã nghiên cứu ứng xử của cột CFST cốt sợi Trong nghiên cứu này, R Gopal và D Manoharan đã dùng 16 mẫu để khảo sát khả

năng chịu đồng thời mô men uốn và lực nén dọc trục của cột ống bê tông cốt sợi ở cả cột ngắn và cột mảnh Các thông số được thực nghiệm là độ lệch tâm của tải trọng dọc trục và độ mảnh của cột Đồng thời, tác giả cũng thực nghiệm 8 mẫu ống thép rỗng tương tự để có thể so sánh với 8 mẫu CFST Kết quả thực nghiệm chứng minh được ảnh hưởng của bê tông cốt sợi đến cường độ và ứng xử của cột thép nhồi bê tông

Năm 2005, Mahasneh và cộng sự [23] đã tiến hành thực nghiệm về cột thép nhồi bê tông thường và bê tông cốt sợi; cường độ của cột sẽ phụ thuộc vào cường độ của cả thép và bê tông Kết quả thực nghiệm có ý nghĩa quan trọng trong việc tìm hiểu ứng xử của CFST, cụ thể sự gia tăng độ dẻo của bê tông phụ thuộc vào độ cứng của ống thép Bê tông sẽ nở dưới tác dụng nén dọc trục, khi đó ống thép sẽ căng dưới tác dụng của lực nở hông bê tông và ống thép sẽ cung cấp tải trọng giới hạn liên tục xung quanh chu vi của bê tông bao quanh Ngoài ra, việc sử dụng bê tông cốt sợi còn làm tăng tải trọng tối đa cho tất cả các mẫu thí nghiệm Các tỉ lệ tiết diện của thép và bê tông cũng ảnh hướng rất nhiều đến tải trọng tối đa mà mẫu thí nghiệm có thể chịu Năm 2007, Soundararajan và cộng sự [24] đã trình bày một nghiên cứu về sự đóng góp của hỗn hợp thông thường, tro bay, phế thải mỏ và bê tông cường độ thấp vào khả năng chịu mô men của ống thép rỗng vuông Mười lăm mẫu dầm dài 1200 mm của ống thép rỗng được nhồi bê tông cường độ thấp và các vật liệu thông thường, tro bay, phế thải mỏ được đỡ đơn giản được đem đi thí nghiệm Các kết quả từ thực nghiệm được so sánh với các nghiên cứu lý thuyết về khả năng chịu mô men cực hạn của các mẫu dầm Kết quả từ thí nghiệm này cho thấy hỗn hợp này góp phần đáng kể vào việc làm tăng khả năng chịu mô men của ống thép rỗng Hơn nữa, vật liệu sử dụng đều được xem là các vật liệu bỏ đi chính vì thế nó còn góp phần tiết kiệm kinh tế và bảo vệ môi trường

Năm 2011, Tao và các cộng sự [25] đã tiến hành phân tích phi tuyến của cột CFSST (Concrete-filled stainless steel tubes) dưới tác dụng tải dọc trục Mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến (FE) ba chiều được phát triển bằng cách sử dựng phần mềm ABAQUS

Mô hình bao gồm vật liệu phi tuyến, các đặc tính về góc cường độ của thép và các đặc tính hình học ban đầu Kết quả đạt được là phù hợp với thực nghiệm từ việc phân tích biến dạng và cường độ phá hủy của ống thép CFSST bằng phần mềm ABAQUS Từ kết quả mô phỏng tác giả tiếp tục so sánh với cột hỗn hợp bằng thép các-bon Từ đó tác giả đưa ra một mô hình tính toán cường độ phá hủy của các cột CFSST Năm 2017, Hassanein và cộng sự [26] đã tiến hành thí nghiệm 6 mẫu dầm CFST để nghiên cứu ứng xử của dầm CFST có gia cố sợi thủy tinh so với dầm ống nhồi bê tông Trong đó ba mẫu có cùng chiều dài 1100 mm với ba loại vật liệu bê tông khác nhau lần lượt là bê tông cường độ cao C80, bê tông gia cố bằng sợi thủy tinh với cường độ danh nghĩa là 60 MPa (FC60) và 55 MPa (FC55) và ba mẫu có chiều dài 1400 mm với vật liệu như trên Các thí nghiệm cho thấy rằng khả năng chịu uốn của CFST là rất cao Ngoài ra người ta còn thấy rằng các vết nứt xuất hiện ở dầm C80 có tải trọng thấp hơn so với các dầm được gia cố sợi thủy tinh và ứng suất của dầm bê tông cường độ cao luôn lớn hơn so với dầm CFST có gia cố sợi thủy tinh Kết quả thực nghiệm được đem so sánh với các phương pháp thiết kế có sẵn Trong số các phương pháp được so sánh thì kết quả của tiêu chuẩn AIJ cho kết quả phù hợp nhất đối với độ cứng chịu uốn của tiết diện ban đầu và độ cứng chịu uốn của tiết diện dầm CFST

Năm 2019, Cao và cộng sự [27] đã tiến hành khảo sát bằng thực nghiệm ứng xử của các CFST dưới tác dụng nén dọc trục theo chu kỳ Tổng cộng có 42 mẫu CFST được thí nghiệm Trong đó, 18 mẫu chịu 3 chu kỳ tải trọng và 3 mẫu chịu tải trọng đơn để so sánh Kết quả thí nghiệm cho thấy các mẫu CFST chịu tải lặp đều phá hủy dạng oằn nhưng vẫn giữ được hình dạng tương tự như các mẫu chịu tải đơn Ngoài ra, kết quả còn cho thấy tải trọng tác dụng theo chu kỳ sẽ làm giảm khoảng 2 – 3% ứng suất cực đại của mẫu ống nhồi bê tông nhưng đồng thời sẽ làm tăng khoảng 25% biến dạng tương ứng với ứng suất cực đại Các mô-đun tải và dỡ tải sau giai đoạn mẫu đạt tới ứng suất cực đại lần lượt cao hơn khoảng 70 – 80% so với các mô-đun tải ban đầu

Năm 2004, Elchalakani và cộng sự [28] đã tiến hành nghiên cứu về ứng xử uốn không đàn hồi theo chu kỳ của dầm ống nhồi bê tông (CFT) làm từ các tiết diện ống thép rỗng được định hình bằng cán nguội và được lấp đầy bằng bê tông thường Các thử nghiệm uốn theo chu kỳ được thực hiện bằng cách sử dụng tải trọng có biên độ không

đổi lên các mẫu CFT khác nhau với các tỉ lệ đường kính trên độ dày (D/t) nằm trong

khoảng 20 đến 162 Các dầm CFT thể hiện sự ổn định cho đến khi hình thành các gợn sóng dẻo và sau đó là sự giảm đáng kể về độ cứng, độ bền và độ dẻo tùy thuộc

vào tỉ lệ D/t Các tham số về khả năng chịu động đất được trình bày bao gồm cường

độ, độ cứng, khả năng xoay và các dạng phá hủy của mẫu vật Các mô men tới hạn thu được trong các thử nghiệm dầm CFT chịu tải tuần hoàn được so sánh với các kết quả mô men thu được từ các thí nghiệm dầm CFT chịu tải đơn và với các mô men thiết kế được dự đoán bằng cách sử dụng các tiêu chuẩn thiết kế có sẵn để tính toán Các yêu cầu về biến dạng dẻo được xác định và sử dụng để suy ra các giá trị về độ mảnh của tiết diện dẻo phù hợp với thiết kế kháng chấn

Năm 2016, Dkalomenos và cộng sự [29] đã tiến hành nghiên cứu những lợi ích mà cột CFST đem lại, để cải thiện hơn nữa khả năng tiêu tán năng lượng, tăng cường độ và độ cứng của cột CFT tác giả đã tiến hành thực nghiệm trên 7 mẫu cột hình vuông và tròn được chế tạo bằng thép thông thường và thép cường độ siêu cao chịu tải trọng nén dọc trục không đổi và tải trọng uốn theo chu kỳ với chu kỳ lần lượt là 2 và 20 Kết quả thí nghiệm cho thấy đối với các cột được tạo nên từ vật liệu thép cường độ siêu cao, khi chịu tải trọng uốn theo chu kỳ so với các cột CFT sử dụng vật liệu thép thông thường, thì khả năng biến dạng đàn hồi cao hơn, độ bền cao hơn, so với các mẫu hình tròn thì các mẫu hình vuông cho độ ổn định cao hơn, ống thép không bị gãy do sự phát triển của hiện tượng oằn cục bộ

Năm 2022, Cao [30] đã tiến hành nghiên cứu ứng xử của các cột CFST dưới tác dụng của tải lặp cận phá hủy bằng thực nghiệm Mười cột CFST đã được dùng để thử nghiệm, trong đó có một cột chịu tải trọng đơn để so sánh, một cột chịu tải trọng theo chu kỳ thông thường và tám cột còn lại chịu tải lặp cận phá hủy Kết quả cho thấy rằng sự giãn nở chậm xảy ra tại các khớp dẻo sau chu kỳ giãn nở 4%, dẫn đến

sự suy giảm về độ bền và cường độ nén Những điều này càng được thể hiện rõ khi biên độ chu kỳ tăng lên Khả năng chịu tải và biến dạng giảm so với tải lặp Các cột nhận một lượng năng lượng từ xung của tải trọng cận phá hủy dẫn đến sự mất ổn định cục bộ chậm, suy giảm cường độ chậm nhưng suy giảm độ cứng thì xảy ra đáng kể Việc thay đổi xung tác động lên công trình sang tải lặp theo thời gian đã được đề xuất thử nghiệm trên kết cấu dưới tác động của trận động đất gần đứt gãy

Năm 2018, Li và cộng sự [4] đã phân tích ứng xử của cấu kiện CFST bọc bê tông dưới tải trọng kết hợp của nén và xoắn, đây được xem là tải trọng điển hình đối với các cấu kiện kết cấu như trụ cầu dưới tác động của động đất Một mô hình phần tử hữu hạn (FEM) được thiết lập để tính đến tính phi tuyến và tính tương tác giữa các vật liệu Độ chính xác của mô hình này được xác minh bằng một tập hợp các dữ liệu thực nghiệm Các ứng xử của các thành phần bê tông và thành phần CFST được so sánh với ứng xử riêng lẻ của thành phần bê tông và cột CFST cùng một điều kiện tải Phân tích ảnh hưởng của các yếu tố như cường độ vật liệu, sự sắp xếp của các thanh cốt thép, tỉ lệ thép bên trong của thành phần CFST và tỉ lệ CFST Từ kết quả phân tích bằng mô phỏng thì tác giả đã đưa ra phương pháp tính toán đơn giản để dự đoán khả năng chịu xoắn của CFST bọc bê tông chịu tải trọng dọc trục

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mô hình vật liệu của thép

Mô hình vật liệu của thép được thể hiện dưới dạng là hai đường tuyến tính, được sử dụng trong Eurocode 2 [31] và được ứng dụng rỗng rãi trong các nghiên cứu Mô hình quan hệ giữa ứng suất – biến dạng của thép được thể hiện dưới Hình 2.1 Trong trường hợp, mô đun đàn hồi không được đo ta lấy giá trị bằng E =s 200 GPa Với ứng suất chảy dẻo y và ứng suất kéo đứt u sẽ được lấy từ thí nghiệm thực tế, trường hợp không có số liệu từ thí nghiệm thì giá trị u có thể xác định theo phương trình 1.1 hoặc 1.2 Tương ứng với giá trị ứng suất y,u ta có biến dạng y,u giá trị biến dạng kéo đứt có thể được lấy bằng 0,025 theo Eurocode 2 cho trường hợp không có thí nghiệm thực tế

Hình 2.1 Quan hệ giữa ứng suất – biến dạng của thép

2.2 Mô hình vật liệu bê tông

Hiệu ứng giam giữ trong ống thép CFST có tác dụng làm tăng đáng kể cường độ chịu nén của bê tông trong ống thép khi chịu nén dọc trục Tuy nhiên, đối với ống thép CFST chịu uốn thì hiệu ứng giam giữ của bê tông chỉ có tác dụng với vùng bê tông chịu nén Hiệu ứng giam giữ không làm tăng đáng kể cường độ chịu nén của dầm CFST, nhưng nó ngăn cản được sự nứt vỡ của bê tông trong vùng chịu kéo Mô hình vật liệu bê tông không giới hạn chịu nén được Hognestad [32] đề xuất và được thể hiện ở Hình 2.2, đã được lựa chọn cho bài báo này

Hình 2.2 Quan hệ giữa ứng suất – biến dạng của bê tông

Mối quan hệ giữa ứng suất – biến dạng từ điểm bắt đầu O đến điểm cực đại A là đường parabol và được biểu thị bằng phương trình 1.3 Trong đó, cucường độ chịu nén giới hạn của bê tông, '0biến dạng nén của bê tông tương ứng với ứng suất cu

được tính theo công thức 2.4 theo tài liệu số [33]

' =(0, 71 cu +168) 10 −

Đoạn từ điểm A đến điểm B thì mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng là tuyến tính, được thể hiện bằng phương trình 2.5 theo tài liệu số [32] Trong đó, cu biến dạng nén giới hạn của bê tông có thể lấy bằng 0,0035

2.3 Mô hình vật liệu chịu tải lặp (cyclic loading)

Dưới tác dụng của tải trọng lặp thì ứng xử dẻo của vật liệu có thể được đánh giá bằng cách xem xét ứng xử của vật liệu dưới các chu kỳ kéo và nén một trục [35] Khi đó biến dạng của vật liệu sẽ bao gồm biến dạng đàn hồi elvà biến dạng dẻo pl

Mô đun đàn hồi của bê tông sẽ suy giảm khi ứng suất ứng trong bê tông lớn hơn ứng suất đàn hồi Tuy nhiên sự suy giảm của bê tông khi chịu tải lặp có thể được phục hồi một phần Dưới tác dụng của tải lặp đơn trục thì sự phục hồi của bê tông là khác nhau

cho cả hai trường hợp kéo và nén Vì vậy khi xác định hệ số suy giảm hay hệ số phục hồi của bê tông ta cần xác định cho cả hai trường hợp kéo và nén Tuy nhiên đối với đề tài luận văn lần này ta chỉ tập trung tính toán hệ số suy giảm tại vùng bê tông chịu

nén Hệ số suy giảm kí hiệu là d được định nghĩa là hệ số suy giảm mô đun cát tuyến

so với mô đun đàn hồi ban đầu tại thời điểm nhất định và được trình bày theo phương trình 2.11 được lấy theo Milad và cộng sự theo tài liệu số [36]

d = bỏ qua khả năng chịu kéo của bê tông

Hình 2.3 thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của bê tông khi chịu nén một trục Đoạn OA là đường thẳng giai đoạn này bê tông nằm trong miền đàn hồi với ứng suất 0   cc0, giai đoạn này bê tông vẫn giữ nguyên được đặc trưng của vật liệu Đến đoạn từ A đến C là sau giai đoạn đàn hồi thì biến dạng dư in

 trong bê tông tích lũy tăng dần khi đó đặc trưng vật liệu của bê tông không còn được nguyên vẹn Chính vì thế để đánh giá sự suy giảm của bê tông ta phải xác định được hệ số suy

giảm dc Trong trường hợp dỡ tải đoạn từ C đến D, biến dạng dẻo trong bê tông xuất

hiện khi đó mô đun của bê tông sẽ chỉ còn (1+d )Ec 0

Hình 2.3 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của bê tông khi chịu tải lặp [36]

Từ phương trình 2.10, 2.12 và hình 2.3, ta được:

Tải lặp (cyclic loading) ảnh hưởng tới khả năng chịu lực của bê tông Hệ số suy giảm

dc sẽ phụ thuộc vào biến dạng dư của bê tông inc , ảnh hưởng đến độ dốc của đường

dỡ tải Hệ số suy giảm dc tăng khi biến dạng dư trong bê tông tăng, có thể được thể hiện trong phương trình 2.18 dưới đây theo Milad và công sự [36]

Giá trị dc sẽ tăng cho đến khi cường độ chịu nén của bê tông còn lại 20% thì khi đó

giá trị biến dạng sẽ tăng vô cùng lớn và dc = 0,8

Vật liệu thép được sử dụng trong luận văn lần này là vật liệu tái bền tuyến tính Khi thép chịu tải trọng lặp thì thép vẫn giữ được đặc trưng vật liệu của thép, khi đó giá trị mô đun đàn hồi sẽ được giữ nguyên trong quá trình tăng tải và dỡ tải Quan hệ giữ ứng suất và biến dạng của thép khi chịu tải lặp được thể hiện trên hình 2.4

Hình 2.4 Mô hình vật liệu của thép với tái bền tuyến tính

2.4 Sự tương tác giữa bê tông và ống thép

Khi bề mặt trong của ống thép và bề mặt xung quanh của bê tông tiếp xúc nhau dưới tác dụng của 4 điểm uốn, thì hai bề mặt sẽ trượt lên nhau để mô tả hiện tượng này ta

sử dụng mô hình ma sát Coulomb theo hướng tiếp tuyến với bề mặt tiếp xúc Hình 2.5 dưới đây thể hiện cơ chế truyền lực trong CFST với mô hình ma sát Coulomb

Hình 2.5 Mô hình truyền lực cắt trong bề mặt bê tông – thép theo Coulomb

Trong mô hình này khi hai bề mặt tiếp xúc có thể chịu được một ứng suất cắt trên bề mặt chung của chúng đến một giá trị nhất định trước khi chúng trượt tương đối lên

nhau Giá trị ứng suất cắt τcrit được định nghĩa là một phần của áp lực tiếp xúc p giữa các bề mặt, khi giá trị ứng suất vượt quá giá trị τcrit thì hai bề mặt bắt đầu trượt lên nhau Giá trị τcrit được tính theo công thức 2.19

Khi hai bề mặt tiếp xúc nhau thì áp lực tiếp xúc sẽ được truyền qua lại giữa hai bề mặt và sẽ bằng 0 khi mà hai bề mặt tách khỏi nhau

2.5 Phần tử khối trong ABAQUS

Các phần tử trong ABAQUS thường được dùng để phân tích ứng suất bao gồm: phần tử khối, phần tử vỏ, phần tử dầm, phần tử khối cứng, phần tử màng, phần tử vô hạn, phần tử trụ và một số phần tử đặc biệt (lò xo, cản, khối lượng) Mỗi loại phần tử trong