Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích ứng xử tĩnh cột ống thép tròn nhồi bê tông

Tìm hiểu phương pháp phân tích ứng xử tĩnh cột ống thép tròn nhồi bê tông có xétđến tác động bó của vỏ thép đến lõi bê tông và sự sai lệch hình học ban đầu.. Cácthông số của cấu kiện đượ

TONG QUAN

Cấu kiện dầm-cột ống thép nhồi bê tông (Concrete-Filled Steel Tube - CFST) là cầu kiện thường được sử dụng trong kết cau nha cao tang do nó có độ bền và độ cứng cao hơn so với những loại kết cấu thông thường nhờ có tác dụng tương hỗ giữa ống thép và lõi bê tông, ống thép bọc bên ngoài bê tông tạo nên tác động

“bó” lõi bê tông và lam ting đáng kế cường độ và độ dẻo dai của lõi bê tông [1][2].

Lõi bê tông hạn chế hiện tượng mat ôn định cục bộ của ống thép, làm tăng khả năng chịu lực của ống thép và do đó cung cấp lợi ích kinh tế đáng kế khi được áp dụng trong kết câu công trình Ngoài ra cột CFST còn là một giải pháp kinh tế hoàn hảo do có thể thi công nhanh và ống thép có thể được tận dụng làm cốp pha trong giai đoạn thi công khi bê tông chưa đông ứng Cốt thép thanh trong bê tông là không cần thiết do đã có ông thép thay thế Bên cạnh đó với kích thước thanh mảnh nhỏ gọn, cột CFST sẽ là một sự lựa chọn hàng đầu cho những giải pháp kiến trúc đòi hỏi tính tham mỹ cao va không gian lớn.

Mặc dù cau kiện cột CFST với những tính năng ưu việt như vậy, cho đến nay sự hiểu biết về cau kiện này vẫn còn nhiều hạn chế Đã có rất nhiều những nghiên cứu cũng như những công thức tính toán khả năng chịu lực của loại cau kiện này được cung cấp trong các tiêu clam thiết kế nước ngoài như EC -4 (Châu Au),

ANST-AISC (My) và AIJ (Nit Bản) và thường cho ra các giá trị khác nhau cua cùng một cấu kiện thiết kế Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm vẫn được tiếp tục thực hiện với mục đích có thé hiểu thấu đáo ứng xử kết cau của loại câu kiện này dong thời dé xuất một công thức tính toán tin cậy phục vu cho công tác thiết kế.

Tổng quan 1.2 Tinh hình nghiên cứu và tính cấp thiết của đề tài

Nhiều nghiên cứu phân tích ứng xử các cấu kiện ống thép nhỏi bê tông t iết diện khác nhau chịu các dạng tải khác nhau đã và đang được thực hiện Tiêu chuẩn thiết kế hiện nay, như Eurocode 4 [3], LRFD [4] và ACI 318-05 [5], chưa cung cấp các quy định cho việc thiết kế câu kiện dầằm-cột CFST cường độ cao do thi éu dir liệu kiếm chứng thực nghiệm va dữ liệu s 6 nghiên cứu trên loại c âu kiện dầm -cột này Eurocode 4 xem xét tác động bó trên cường độ tính toán cực hạn c ủa dầm-cột CFST nhưng chỉ cho phép áp dụng khi độ lệch của tải tỷ lệ với đường kính ống thép phải nhỏ hon 0,1 Các thí nghiệm trên kích thước thật của cau kiện dầm-cột CFST nhdi bê tông cường độ cao là r At tốn kém va mat thời gian Vì vậy, việc nghiên cứu dựa trên sự phát triển của phương pháp phân tích số là một công cụ hiệu quả và chính xác dé mô phỏng ứng xử phi tuyến phi đàn hồi của cấu kiện ống thép nhồi bê tông cường độ cao là rất can thiết.

1.2.1 Cac công trình nghiên cứu trên thé giới

Trên thế giới đã có rất nhéu những nghiên cứu lý thuyết cũng như thực nghiệm vé ứng xử của cau kiện CFST.

Schneider [7] đã tiến hành kh ảo sát thực nghiệm ứng xử của cột ngắn tròn va chữ nhật CFST chịu tải dọc trục Nghiên cứu tiễn hành thực nghiệm trên 14 mẫu để nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng và bề dày thành ống thép đến cường độ cực hạn của cau kiện CFST Các kết quả thực nghiệm của ông chỉ ra rằng cột CFST ngắn tròn cung cấp độ dẻo dai dọc trục sau giới hạn dẻo lớn hơn nhiều so với cột tiết diện hình vuông hoặc chữ nhật cùng loại Thêm nữa, tác động “bó” lớn được quan sát thay ở hầu hết các cột CFST ngắn tròn khi tải trọng dọc trục đạt khoảng92% cường độ giới hạn của cột Hơn nữa, sự mất 6n định cục bộ của ống thép tròn xảy ra tai một chỉ số độ dẻo dọc trục lớn hơn hoặc bang 10, ma duoc dinh nghia la ty lệ bién dang nén doc truc cuc han va bién dang dẻo dọc trục cua cột Kết quả cường độ cực hạn thực nghiệm của các hình dạng ống được so sánh với thông số kỹ thuật thiết kế hiện hành Nghiên cứu cũng so sánh kết quả từ m ô hình phần tử hữu hạn phi tuyến với kết quả thực nghiệm.

Sakino va cộng sự [8], Fujimoto và cộng sự [9] nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu cường độ cao đến ứng xử của cột ngắn chịu nén đúng tâm hay lệch tâm Fujimoto nhận định rằng việc sử dụng bê tông cường độ cao làm giảm tính dẻo của dầm-cột CFST nhưng tính dẻo sẽ được gia tăng bang cách sử dụng thép ống cường độ cao hoặc ống có tỷ lệ đường kính với bề dày nh ỏ để tăng việc cung cấp tác động bó cho lõi bê tông.

Giakoumelis và Lam [10] nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của ống thép nhỏi bê tông với các cường độ bê tông khác nhau dưới tác dụng tải trọng dọc trục Các tác động bởi bề dày ống thép, cường độ bám dính giữa bê tông và ông thép, và tác động bó lõi bê tông lên ong độ dọc trục cực hạn của cột CFST tròn ngắn được khảo sát Cường độ cột thực nghiệm được so sánh với các gia tri tính toán theo

Eurocode 4, tiêu chuẩn Úc và Mỹ 15 mẫu đã được thử nghiệm với cường độ bê tông là 30, 60 và 100 Mpa, với ty lệ đường kính và chiều day ống thép D/t từ 22,9 đến 30,5 Tất cả các cột đều có đường kính 114 mm và chiều cao cột 300 mm Đối với bê tông cường độ cao thì ảnh hưởng bởi co ngót bê tông là lớn và không đáng kế đối với bê tông thường Cả ba tiêu chuẩn thiết kế nêu trên đều dự đoán giá trị thấp hon so với kết qua trong các thí nghiệm Eurocode 4 cung cấp các ước lượng tốt nhất cho cột ống thép nhdi bê tông cho cả hai trường hợp bê tông cường độ cao và bê tông thường Kết qua thí nghiệm minh hoa rang liên kết giữa bê tông và ống thép có ảnh hưởng rõ rệt đến cường độ dọc trục cực hạn của ống CFST tròn ngắn dùng bê tông cường độ cao.

Lakshmi và Shanmugam [12] đã phát triển một phương pháp bán giải tích để mô phỏng ứng xử của cột CFST tròn và chữ nhật mảnh chịu momen uốn theo một phương hay hai phương Kết quả nghiên cứu đưa ra biểu dé đ ường cong tương tác moment-d6 cong-lực dọc cho tiết diện ngang của cột dựa trên các mối quan hệ của nó Phương trình cân băng phi tuyến có kế đến phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu dựa trên phương pháp chuyền vị suy rộng Nghiên cứu xem xét ứng xử của cau kiện CFST có các loại tiết điện hình vuông, hình chữ nhật, và hình tròn Độ chính xác của phương pháp phân tích đề xuất được kiểm chứng bởi so sánh kết quả bán giải tích với các giá trị thực nghiệm tương ứng Tuy nhiên, mô hình bán giải tích

Tổng quan chưa tính đến những tác động của khả năng chịu kéo bê tông, sự tái bên của thép và sự “bó” bê tông vào cường độ và độ dẻo dai của cầu kiện dầằm-cột CFST.

Hu cùng cộng sự [13] thành lập mô hình vật liệu thích hợp cho cột ống thép nhôi bê tông và kiểm tra bởi chương trình phan tử hữu hạn ABAQUS trong nghiên cứu ứng xử phi đàn hồi cột CFST ngắn chịu tải đúng tâm Họ đề xuất một mô hình áp lực “bó” cho bê tông cường độ cao và cường độ thường trong cột CFST tròn.

Trong phương pháp phân tích số xem xét ba loại tiết diện: tròn, vuông và tiết diện vuông được gia cường bởi các thanh thép Tuy nhiên, mô hình áp lực “bó” bê tông dé xuất đã đánh giá quá áp lực “bó” trong cột CFST tròn cường độ cao Kết qua từ phân tích số kết luận rằng đối với các cột CFST tròn, ống thép có thể cung cấp tác động bó cho bê tông rất tốt đặc biệt là khi ti lệ bể dày và đường kính ống thép là nhỏ (D/t < 40) Đối với cột CFST vuông, ống thép không cung cấp tác động bó lõi bê tông hiệu qua, đặc biệt là khi ty lệ chiều rộng với bề dày lớn (B/t > 30) Anh hưởng tác động bó lõi bê tông trong cột CFST vuông gia cường bởi các thanh cốt thép được tăng cao, đặc biệt là khi khoảng cách các thanh thép nhỏ và số lượng hoặc đường kính thanh thép lớn.

Ellobody cùng cộng sự [14] nghiên cứu ứng xử cột CFST tròn ngắn cường độ bình thường và cường độ cao chịu nén dọc trục bang chuong trinh ph An tử hữu hạn ABAQUS Nghiên cứu được tiến hành trên một dai rộng cấp độ bền của bê tông từ 30-110 MPa Tỷ lệ đường kính ngoài của ống thép đối với chiều dày thành ống (D/t) thay đối từ 15 đến 80 Nghiên cứu sử dụng mô hình phi tuyến vật liệu có kể đến tác động bó lõi bê tông và các kết quả thu được từ phân tích FEM được đối chiếu với kết quả thực nghiệm Một nghiên cứu các tham số mở rộng để khảo sát những ảnh hưởng của cường độ bê tông khác nhau và cường độ thép Ống vào ứng xử của cột ống thép tròn ngắn nhi bê tông Cường độ của cột dự đoán từ phương pháp phân tích FEM được so sánh với cường độ thiết kế theo các tiêu chuẩn Mỹ, Úc và châu Âu Dựa trên kết quả của tham số nghiên cứu, nghiên cứu nhận thấy rằng cường độ thiết kế theo tiêu chuẩn Mỹ và Úc là thiên về an toàn (conservative), trong khi tiêu chuân châu Au nhìn chung thiêu an toàn (unconservative) Ngoài ra nghiên

Tong quan cứu cũng đánh gia độ tin cậy của chương tinh phân tích và so sánh với các tiêu chuẩn thiết kế cột composite hiện hành.

Han [15] giới thiệu một phương pháp số để nghiên cứu cường độ chịu u ốn của dam CFST chịu uốn va đã đề xuất một công thức đơn giản dé tính cường độ chịu uốn cực han cho dam CFST.

CƠ SỞ LÝ THUYET

2.1 Mô hình vật liệu 2.1.1 Mô hình vat liệu cơ bản cho thép Ông thép của dầm-cột CFST tròn chịu ứng suất 2 trục do tác động bó Lực kéo tổng hợp được phát triển trong ống thép làm giảm ứng suất chảy theo hướng dọc trục (2.1) Tác động này được đưa vào tính toán trong mô inh v ật liệu bang đường cong ứng suất biến dạng được lý tưởng hóa thành những đường thang (Hình 2.1) Đối với thép cường độ cao, phần cong của đường quan hệ được thay thế băng một đường thang như mô tả trong Hình 2.1 Phần cong của đường ứng suat-bién dạng được thể hiện bằng một phương trình do Liang [22] trình bày :

- ứ; là ứng suất trong thộ thộp - es là biến dang tho thép

- fs, là giới hạn chảy của thép

- Ey là biến dạng chảy của thép - e¿ là biến dạng của thép tại điểm tái bền như được mô tả trong Hình 2.1.

- #s„ là bién dạng cực hạn của thép - f,, là giới hạn bền của vật liệu thép

- es biến dạng tái bền được lay bang 0.005 trong mô hình số hiện tại.

- es„ bién dạng cực han của thép được lấy bằng 0.2 trong mô hình số hiện tại.

Hình 2.1 Biểu đồ quan hệ ứng suất — biến dang của thép

2.1.2 Mô hình vat liệu cơ bản cho bê tông

Ong thép “bó” lõi bê tông trong cột CFST tròn làm ang cư ong độ chịu nén và độ dẻo dai của lõi bê tông đã du oc minh chứng bang kết quả thực nghiệm[{1][2].

Tác động bó bê tông phụ thuộc vào tỷ lệ đường kính với độ dày thành ống thép và đặc trưng vật liệu Phân tích ôn định đàn hồi của dầằm-cột mảnh thường giả định rằng trạng thái cân băng được duy trì ở giữa chiều cao của cột Cường độ ở giữa chiều cao của một cột mảnh bị chỉ phối bởi cường độ tiết điện ngang của nó, mà bị ảnh hưởng bởi sự “bó” bê tông Vì vậy, tác động bó bê tông phải được đưa vào tính toán trong phân tích phi tuyến hình học phi đàn hồi dầm-cột CFST tròn Quan hệ ứng suất - biến dạng tổng quát cho bê tông bị “bó”trong cột CFST tròn đư ợc mô tả trong Hình 2.2.

Hình 2.2 Mô hình ứng suất-biễn dạng bê tông được “bó” trong cột ông CFST

Phần OA của đường cong ứng suất-biễn dạng được thể hiện bằng phương tình được đưa ra bởi Mander cùng cộng sự [24] như sau:

- 6, là ứng suất nén theo phương dọc trục của bê tông

- f*s¿ là cường độ chịu nén của bê tông được “bo”

- g, là biến dạng nén theo phương dọc trục của bê tông - #'eô là biến dang tại f "c‹

- E„ là mô đun đàn hồi của bê tông được đưa ra bởi ACI [5] như sau:

- vy, là hệ số giảm cường độ cho bê tông duoc dé xuất bởi Liang [17] có kế đến ảnh hưởng của kích thước cột và được cho bởi: y„=1.85D”””(0.85