TOM TATĐề tài nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của cột ống thép nhdi bê tông CFST chịu tảidọc trục cô định và tải ngang tuần hoàn, mô phỏng tải động đất.. Sau đótiền hành so sánh kết quả th
MỞ DAU
1.1 Lý do chọn đề tài
Kết cau ống thép nhôi bê tông (Concrete Filled Steel Tube - CFST) là cau kiện thường được sử dụng chủ yếu trong nhà cao tầng do nó có độ bền và độ cứng cao hơn so với những loại kết cau thông thường nhờ sự làm việc tương tác qua lại lẫn nhau giữa ống thép và lõi bê tông, do bê tông được nhồi vào trong ống thép nên làm tăng độ 6n định cục bộ của thành ống Mặt khác, khi được đồ day bê tong, ống thép bọc bên ngoài bê tông tạo nên tác động kháng nở hông cho lõi bê tông và làm tăng đáng kế cường độ và độ dẻo dai của lõi bê tông Ngoài ra, cột CFST còn là một giải pháp kinh tế hoàn hảo do có thé thi công nhanh và ống thép thay thế cốp pha trong giai đoạn thi công khi bê tông chưa đông cứng do chịu được tải trọng thi công Cốt thép có thể cần thiết hoặc không cần thiết vì đã có ống thép thay thế Bên cạnh đó, với kích thước nhỏ gọn, cột CFST sẽ là một sự lựa chọn hang đầu cho nhửng giải pháp kiến trúc đòi hỏi tính thẫm mỹ cao và không gian lớn.
Mặc dù cau kiện cột CFST có những tính năng ưu việt như vậy nhưng cho đến nay các nghiên cứu thực nghiệm vẻ cau kiện CFST chịu tải trọng ngang như động dat vẫn còn hạn chế Đã có rất nhiều những nghiên cứu, cũng như công thức tính toán khả năng chịu lực của loại cau kiện nay được cung cấp trong các tiêu chuẩn nước ngoài như EC-4 (Châu Âu), ANSI- AISC (Mỹ), và AIJ (Nhật Ban) và thường cho ra giá trị khác nhau của cùng một cấu kiện thiết kế Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm vẫn được tiếp tục thực hiện với mục đích có thể hiểu được thấu đáo ứng xu kết cầu loại này, đồng thời đề xuất một công thức tính toán phục vụ cho công tác thiết kế. Đề tai này nghiên cứu kha năng chịu lực và ứng xử của cột CFST chịu tải trọng ngang tuần hoàn Kết quả thí nghiệm phản ánh ứng xử của cột CFST chịu tải trọng ngang tuần hoàn, đồng thời đánh giá mức độ ảnh hưởng của bê tông đến ứng xử của cột CFST khi động đất xảy ra.
- Khao sát thực nghiệm kha năng chịu lực va ứng xử của của cột tròn CFST chịu tải trọng tuần hoàn.
- - Đánh giá khả năng chịu tải và ứng xử của cột tròn CFST.
1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Cột tròn CFST chịu tải dọc trục cỗ định và tải ngang tuần hoàn mô phỏng cho động đất.
- Ung xử của cột CFST được nghiên cứu kỹ nhằm tính toán cho công trình có sử dụng cột CSFT chịu tải động đất.
- Qua nghiên cứu, những kết qua thu được từ thực nghiệm góp phan bổ sung thêm những luận điểm, kiến thức mới và là nguồn dữ liệu bổ ích phục vụ cho những nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.
- Nghiên cứu góp phan đánh ứng xử của cột ống thép nhdi bê tông CFST chịu động dat, dé áp dụng thực tiễn phù hợp hơn.
TONG QUAN
2.1.1 Đặc điểm chung cột CFST liên hợp
Cột ông thép nhồi bêtông CFST được cau tạo bởi sự kết hợp của hai thành phan cột thép bên ngoài và lõi bê tông bên trong Mặt cắt ngang của cột CFST được trình bày trong hình 2.1 Cột thép được sử dụng chủ yếu bởi ống thép định hình, bê tông được đỗ trực tiếp vào ống thép.
Kha năng chịu lực cực hạn và tai động đất của cột CFST phụ thuộc vào các đặc tính của vật liệu cau thành Ngoài ra, ứng xử của cột CFST còn phụ thuộc vào hiệu ứng kháng nở hông của ống thép tác dụng lên lõi bê tông và đặc tính hình học của ông như tiết diện ngang hay tỷ số của đường kính cột so với chiều dày của ống thép.
2.1.2 Đặc điểm của cột CFST thực hiện nghiên cứu
Nhiều nghiên cứu phân tích ứng xữ cấu kiện ống thép nhồi bê tông tiết diện khác nhau chịu tải trọng khác nhau đã va dang được thực hiện Các tiêu chuẩn thiết kế trên thế giới hiện nay như Eurocode 4, AISC - LRFD, va ACI 318-05 có trình bày rõ về khả
3|Page năng chịu tải dọc trục Tuy nhiên, các tính toán của cột CFST chịu tai trọng ngang như tải trong động đất vẫn còn bỏ ngõ Vì vậy, các nghiên cứu thực nghiệm dé phân tích, đánh giá khả năng chịu tải động đất của cột CFST là rất cần thiết.
2.2 Tông quan các nghiên cứu trong và ngoài nước
QiuP và cộng sự [1] đã sử dụng phương pháp phân tích động lực học phi tuyến (Nonlinear time-history analysis method) để phân tích ứng xử khả năng chịu động đất của cột RC và cột RC-CFT của một cây cầu nhiều nhip với cùng một trận động đất El Centro Phân tích mối quan hệ làm việc phi tuyến của bê tông và ống thép, kết hợp phương pháp phân tích “tho” (Fiber element model) đàn dẻo của phan tử dam - cột.
Tác giả dùng mô hình phân tích “tho” để thiết lập quan hệ đường cong tai trọng - chuyền vị dé đánh giá kha năng chịu tải trọng ngang và chịu uốn của cột RC - CFT và cột RC, khi tải trọng đứng tăng thì khả năng chịu uốn của hai cấu kiện trên giảm nhưng sự thay đổi của tai trọng ngang tới hạn và chuyển vị ngang tới hạn của cột RC- CFT là ít hơn cột RC Điều đó càng thé hiện rõ hơn khi tải trọng đứng tăng lên Dé so sánh khả năng chịu động đất, tác giả sử dụng trận động đất El Centro cùng hệ số cản 2% dé đánh giá Khi đỉnh gia tốc nền là 0.1g, cả hai cau kiện đều biến dang đàn hồi nhỏ, đường cong trễ moment lớn nhất của cột RC lớn hơn cột RC-CFT và độ cứng cột RC giảm Khi đỉnh gia tốc nền là 0.2g, cả hai cau kiện đều biến dạng đàn hồi lớn, đường cong của cột RC là 0.0149 rad/m (giới hạn cho phép là 0.014 rad/m), trong khi cột RC-CFT là 0.0123 rad/m bang 82.5% cột RC Do đó, su pha hoại của cột RC là lớn hơn nhiều so với cột RC-CFT Dựa vào kết quả nghiên cứu, tác giả khang dinh cot RC-CFT chịu tải trọng ngang va chịu uốn tốt hơn cột RC Đồng thời, với cùng một trận động đất thì sự phá huỷ của cột RC- CFT ít hơn so với cột RC và cột RC-CFT dễ khắc phục sửa chửa hơn sau khi động đất xảy ra.
Chen và cộng sự [2] đã thực hiện khảo sát thực nghiệm nha cao 13 tang su dung két hợp cột CFST va RC chịu động đất bằng cách mô hình thu nhỏ theo ty lệ 1/10 Mat bang có kích thước 1800mm x 1800mm, chiều cao là 4750mm Sử dụng trận động đất
Elcentro North-South với đỉnh gia tốc nền trong các trường hợp 0.2g, 0.4g, 0.62g và 1.0g Tác giả nhận thấy, vị trí liên kết vòng tròn dạng bao bọc xung quanh giữa dầm bê tông và cột CFST vẫn ở trạng thái đàn hồi, hầu như không bị phá hoại ở trận động đất có đỉnh gia tốc nền trong các trường hợp 0.2g và 0.4g Riêng với động đất có đỉnh gia tốc nên cao hơn 0.4g, thì vị trí liên kết xuất hiện những viết nứt bình thường, không xuất hiện sự giản nở đản hồi hay biến dạng của bề mặt ống thép Qua đó, các tác giả nhận định cột CFST liên hợp là loại cau kiện có độ cứng tốt, cường độ và biến dạng cao, nó phân tán lực kéo dọc trục ra bên ngoài ống thép sau đó truyền qua các mép cột bê tông khác Cột CFST vừa chịu lực cắt ngang và lực cắt toàn bộ kết cau, đồng thời thí nghiệm cũng cho ta thấy khả năng chịu động đất của cột CFST hiệu quả hơn cột RC và khuyến khích nên sử dụng rộng rãi trong các nhà cao tang.
Tokinoya và cộng sự [3] đã thực hiện khảo sát thực nghiệm kha năng chịu động đất của cột CFT có hình dạng vuông va tròn Vật liệu thép sử dụng cường độ cao lần lượt là S400, S590 va S780 Vật liệu bê tông sử dụng hai loại C40 và C90 Thí nghiệm sử dụng hai bộ dẫn động đặt song song với mẫu theo phương đứng và một bộ dẫn động đặt ngang để tạo ra lực nén dọc trục và biến dạng ngang Tải trọng nén dọc trục cố định bang 40% của No, với N,=A,*o,+A,*o, Tải dọc trục thay đối biến thiên trong phạm vi 30% lực kộo Ns với N, = A *ứ, và 70% lực nộn No, trong đú Ac, As là diện tích mặt cắt ngang của bê tông và thép, 2 là cường độ nén mau bê tông hình trụ,
Z› là cường độ chảy dẻo của thép Tải trọng bên theo phương kết hợp với trục chính của mặt cắt tiết diện một góc 22.5 độ hoặc 45 độ Qua phân tích và so sánh, tác giả rút ra một so kết luận sau: o Cuong độ chịu uốn và khả năng biến dạng của cột CFT ống tròn tốt hơn cột CFT ống hình vuông. o Cường độ chịu uốn và khả năng biến dạng của cột CFT chịu tải trọng dọc trục biến thiên thấp hơn cột CFT chịu tải dọc trục cô định, và tỷ lệ giửa chiều rộng (hoặc đường kính) so với bề dày của hộp hoặc ống thép CFT và tỷ lệ tải dọc trục càng cao làm giảm khả năng biên dạng.
Usami và cộng sự [4] với đề tài: “Seismic demand predictions of concrete-filled steel box columns” đã dé xuất hai phương pháp phân tích dé dự đoán chuyén vị cực dai.
Phương pháp thứ nhất xem xét tác động giữa lõi bê tông và ống thép là hợp nhất thông qua mô hình tải trọng - chuyến vị trễ Phương pháp thứ hai sử dụng trực tiếp mô hình phân tích phan tử hữu han (FEM) Trong phương pháp tứ nhất, tác giả phân tích hệ một bậc tự do (SDOF) dựa trên mô hình lực - chuyên vị trễ được suy ra từ phương pháp phân tích “pushover”, phát triển mô hình ứng suất - biến dang xem xét ảnh hưởng kháng nở hông của ống thép bên ngoài Trong thép, quan hệ ứng suất - biến dạng dan dẻo có kế đến sự hóa cứng (strain hardening) được xem xét Sau đó, hai kiểu mô hình trễ song tuyến tính (bilinear) và tam tuyến tinh (trilinear) được thiết lập từ kết quả phân tích “pushover” dựa theo tiêu chuẩn mới Trong phương pháp thứ hai, phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian (nonlinear time history analyses) của cột CFT dùng phương pháp phân tích phan tử hửu han (FEM) sử dụng phan tử dầm - cột tốt hơn phan tử vỏ va khối, quan hệ ứng suất - biến dạng tuần hoàn riêng lẽ của bê tông và thép đã được sử dụng phân tích Qua đó tác giả kết luận răng chuyền vị cực đại đạt được trong phân tích động lực học với mô hình phân tích “thớ” của hệ một bậc tự do với mô hình trễ tam tuyến tính (trilinear) cho ra kết quả phù hợp với thực nghiệm hơn so với mô hình dùng hệ một bậc tự do với mô hình trễ song tuyến tính (bilinear).
Chuyển vị dư xác định được từ phân tích SDOF với mô hình trễ tam tuyến tính (trilinear) tốt hơn hai phương pháp phân tích còn lại Tuy nhiên, dự đoán đưa ra vẫn chưa chính xác so với két quả kiểm tra.
Ding và cộng sự [5] với dé tai “Behavior of concrete-filled round-ended steel tubes under bending” đã phân tích ứng xử uốn của các ống thép tròn được đồ day bê tông (CFRT) dưới tác dụng uốn Dam thử nghiệm đã được thử nghiệm dé phân tích ứng xử cơ học của CFRT, bao gồm bốn CFT với các cường độ và tỷ số thép cụ thể khác nhau va ba CFRT với các ty lệ kích thước khác nhau Quan hệ tải trọng - biến dạng và mô hình phá hoại cho CFRT được phân tích chỉ tiết Tương tác giữa lõi bê tông và ống thép cũng được thảo luận và kiểm tra dựa trên kết quả thử nghiệm Ngoài ra, chương trình ABAQUS được sử dung dé phát triển mô hình phan tử hữu hạn thực và phân tích ảnh hưởng của các thông sô moment khác nhau so với các đường cong của CFRT uôn
6|Page theo trục chính và trục phụ Hơn nữa, các công thức thiết kế đã được dé xuất dé ước tính moment tới hạn và độ cứng chống uốn CFRT, và mô hình lý thuyết đơn giản của moment với các đường cong cũng được phát triển Kết quả thí nghiệm và mô hình phần tử hữu hạn là tương đối giống nhau Bên cạnh đó, có một vài sự khác biệt của kết quả thử nghiệm và mô hình phần tử hửu hạn củng đã được minh hoa.
CHƯƠNG TRÌNH THÍ NGHIỆM
Bê tông nhdi vào ống thép có cấp phối được thiết kế mác 300 Cấp phối chỉ tiết trình bay trong bang 3.1.
Thành phân Mô tả Khôi lượng /m”
Xi măng SAI GON PC40 385 kg Da 1x2 Dmax = 25mm 1040 kg Cat song Ma = 2 760 kg Nước Nước sinh hoạt 200 lít
Cường độ chịu nén f,, của bê tông được xác định thong qua kết quả nén mẫu hình trụ đường kính 150mm và chiều cao 300mm Cường độ chịu nén bê tông lấy 3 mẫu nén hình trụ, các mẫu được lay trực tiếp hiện trường ở mẻ trộn trước khi đồ vào ống thép để đảm bảo sự đồng nhất về cường độ và được tiễn hành thí nghiệm theo tiêu chuẩn TCVN 4453 (1995) Hình 3.1 thí nghiệm cường độ chịu nén của mẫu bê tông.
Cường độ nén mẫu lập phương được quy đổi từ cường độ nén mẫu trụ sử dụng công thức chuyển đôi:
P - Tai trọng phá hoại, tính bằng N E - Diện tích chịu lực nén của viên mẫu, tính bằng mmF a - Hệ sô tính đôi kêt qua thử nén các viên mâu bê ông kích thước khác viên chuân vê cường độ của viên mẫu chuẩn kích thước 150 x 150 x 150mm. a = 1.2 là hệ số quy đối từ mẫu hình trụ tròn sang mẫu lập phương.
Cường độ nén mau lập phương quy đổi sử dụng công thức 3.1 chuyển đổi là 33.8 MPa
3.1.2 Ông thép hình e Mác Thép SS400 là Thép các bon thông thường, thông dụng trên thị trường, thép dùng trong chế tạo chi tiết máy, khuôn mẫu Theo tiêu chuẩn của Nhật Bản JISG 3101 (1987) Thép tam SS400 thì giới hạn bên kéo từ
I4lPage khoảng 400-510 MPa, tương đương với CT3 của Nga, tương đương với CT42, CT51 của Việt Nam Thép các bon thông thường JISG 3101 (1987) Mác SS400 (trước đây là SS41) e Thành phan hoá học P Úứ â ơIl œ@ OO ST CFST a) Biéu đô so sánh le ngang ua D114x3.0-0
So sánh chuyén vi (mm)
Displacement (mm) 92.0 b) Biéu đô so sánh huyền vị tia D114x3.0 Hình 4.21 Biểu đô so sánh lự và huyền vi a nhóm mẫu D114x3.0
Qua biểu đồ so sánh hình 4.21, ta nhận thấy chuyển vị trung bình của ống thép không bê tông D114x3.0-0(ST- Steel tube) thấp hơn 9.52% và lực ngang thấp hon 21.06% so với ông có đồ day bê tông D114x3.0(CFST: Concrete Fill Steel Tube)
4.2.6 Quan hệ lực ngang - chuyển vị của mẫu D114x3.5 4.2.6.1 Quanh lw ngang - chuyển vi
Displacement (mm) a) Biéu đô quanh lw ngang- huyén vị tia mẫu D114x3.5-0
Displacement (mm) b) Biểu dd quanh lự ngang- huyén vị tia mẫu D114x3.5-1
Force - Displacement: Specimen D114-3.5-2 ak. a eee
Sl Mellel rˆ““““““““”^z www we hw ww ww wee hw wwe hw
` c) Biêu đồ quanh lw ngang - huyên vị
` d) Biểu đô quanh lw ngang - huyện vi 1q du D114x3.5-3
Hình 4.22 Biêu đô quanh lw ngang - huyện vi uam du D1I14x3.5
` a) Biêu đô so sánh huyền vi tua nhóm mau DĨ I4x3 5 ` te — ag)
+ wo OL dt dd Lt dd =
(NM) 9910] D114x3.5-1 D114x3.5-2 D114x3.5-3 D114x3.5-0 óm mẫu D114x3.5 Lá h hlw ngang tan ?
Hình 4.23 Biéu đô so sánh lw ngang và huyện vi
= ơ â — t2 ể) Đ> Ớứ Oễ `I @ CC — a) Biộu đụ so sỏnh le ngang ua D114x3.0 CFST
So sánh chuyén vi (mm)
Displacement (mm) b) Biéu đô so sánh huyền vị tia D114x3.0 Hình 4.24 Biểu đồ so sánh lự ngang và huyén vị tia nhóm mẫu D114x3.5
Qua biểu đồ so sánh hình 4.24, ta nhận thấy chuyển vị trung bình của ống thép không bê tông D114x3.5-0(ST- Steel tube) thấp hon 20.63% và lực ngang thấp hơn 26.82% so với ông có đồ đầy bê tông D114x3.5(CFST: Concrete Fill Steel Tube)
4.3 Quan h ang của mẫu D114x2.5 7 t - biến d
UIUIN) UU10|AJ
` a) Biéu đồ moment - biến dang của mau DĨ I4x2.5-0
LULU) 1UAU10|AI 1)
` b) Biéu đồ moment - biên dạng cua mau D114x2.5-1
UIUIN) 1UAU10|AJ
UIUIN} 1UAU10|AI
Strain én dạng của mau D1 14x2.5-3Lá bị
Lá ~ biên dạng cua máu DĨ I4x2.5
4.3.2 Biểu dé mô ment - biến dang của nhóm mẫu D114x3.0 oon , ' " ' ' ' ' ' ' ' ' h |
= ' ' ' 0.5 [ - been eee eee bee eee oe oe ooo ơ
45 l l l -0.03 -0.02 -0.0 02 0.03 b) Biêu đô moment - biến dạng của mẫu D114x3.0-1
UIUIN} }UAU10|A|
KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ
5.1 Kết luận Đề tài này nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của cột CFST chịu tai dọc trục cố định và tải ngang tuần hoàn mô phỏng tải động đất Thí nghiệm tiến hành trên tong cộng 18 mẫu CFST và 6 mẫu ST Các mẫu được thiết kế với 2 loại đường kính: 90mm, 114mm Mỗi đường kính có 3 độ dày khác nhau: 2.5mm, 3mm và 3.5mm Với mỗi độ dày có 4 mau, trong đó, có 1 mẫu ST và 3 mẫu CFST Các mau chịu tải trọng tuần hoàn cho đến khi phá hoại Từ kết quả nghiên cứu đạt được, một số kết luận được rút ra như sau: o Theo quan sát được từ thí nghiệm, dang phá hoại chu yếu của cột CFST và cột ST là mất ôn định cục bộ Vị trí mất ôn định cục bộ nằm trong khoảng một lần đường kính tính từ vi trí ngàm. o Lực ngang cột CFST tăng từ 16% đến 78% so với cột ST. o Độ cứng của cột CFST tăng khoảng 38% đến 168% so với cột ST. o Cột CFST có thé chịu được hon hai đến bốn vòng lặp so với cột ST Đặc biệt là các vòng lặp này có biên độ lớn hon so với các vòng lặp của ông ST.
Vi vậy, cột CFST có khả năng chịu tải động đất cao hơn so với ống ST Điều nay được giải thích bằng sự tương tác có lợi giữa bê tông và ống thép.
Mặc du luận van đã đạt được một sô kêt quả trên, tuy nhiên vân còn một sô van đề chưa được xem xét Từ đó, tác giả kiên nghị một sô hướng phát triên mới của đề tài như sau: o_ Cột ông thép chịu tải trọng động đất thực sự (thí nghiệm bằng bàn rung) thay vì tải trọng lặp.
Cột có đường kính lớn hơn.
Bê tông cường độ cao hơn.
Vật liệu thép có cường độ cao hơn.
Trong ống thép có các neo liên kết.