Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích và mô phỏng cột ống thép nhồi bê tông chịu nén lệch tâm

Các kết quả thu được trong nghiên cứu này là tiền đề để thực hiện các nghiên cứu khác nhằm tính toán khả năng chịu nén lệch tâm cho các cấu kiện cột CFST đặc biệt, cũng như khả năng sử d

GIỚI THIỆU

Vai trò của cột ống thép nhồi bê tông

Cột ống thép nhồi bê tông (CFST) là một thành phần cấu kiện quan trọng trong xây dựng công trình, đặc biệt là trong các công trình cao tầng chịu tải trọng động đất, cầu đường và các công trình yêu cầu khả năng chịu tải trọng lớn Cột CFST được tạo ra với sự kết hợp giữa bê tông được bao bọc bởi ống thép tạo ra cột có khả năng chịu tải và độ bền cao

Vài trò của cột CFST không chỉ giúp tăng cường khả năng chịu tải và độ bền của công trình, mà còn giúp giảm thiểu chi phí vật liệu và thời gian thi công Nhờ tính linh hoạt và đa dạng trong thiết kế, cột CFST có thể được sử dụng trong nhiều công trình khác nhau, từ nhà dân dụng đến các công trình công nghiệp, thương mại, hay cao tầng và siêu cao tầng

Không chỉ có khả năng chống chịu tải và độ bền cao, cột CFST còn có khả năng chống cháy tốt hơn so với các loại cột khác, nhờ có lớp ống thép bên Hình 1.1 minh họa các dạng tiết diện cột CFST được sử dụng phổ biến hiện nay

Hình 1.1 Các loại cột CFST phổ biến

Nhờ những đặc tính ưu việt, cột ống thép nhồi bê tông đã và đang được nghiên cứu rộng rãi và được đưa vào sử dụng cho nhiều công trình Tuy nhiên, các tiêu chuẩn phổ biến hiện hành vẫn còn những giới hạn tính toán đối với cường độ vật liệu của bê tông và thép xây dựng Đối với các mức cường độ vật liệu hiện có nhưng nằm

2 ngoài phạm vi tính toán theo tiêu chuẩn thiết kế lại chưa được quan tâm nhiều, mặt khác đã có các thí nghiệm chỉ ra sự sai số trong kết quả tính toán so với thực hành Bên cạnh đó sự tương tác giữa ống thép và bê tông khi không có liên kết cũng cần được xem xét kĩ lưỡng để đảm bảo sự làm việc của cấu kiện, đặc biệt khi mức cường độ vật liệu giữa bê tông và ống thép có sự chênh lệch

Vì những lý do trên, việc nghiên cứu ứng xử của cột ống thép nhồi bê tông với mức cường độ vật liệu cao và đề xuất mô hình tính toán hợp lí là việc hết sức cần thiết để đáp ứng với tốc độ phát triển của công nghệ hiện tại.

Ưu nhược điểm của cột CFST

Khả năng chịu tải lớn: Cột CFST có khả năng chịu tải cao hơn so với cột bê tông thông thường, đặc biệt là trong trường hợp chịu tải nén

Chịu tải động tốt: Cột CFST có khả năng chịu tải tốt nhờ vào sự kết hợp của các đặc tính chịu lực lớn, độ dẻo dai và hiệu ứng bó ngang giúp tăng cường khả năng chịu nén của bê tông và giảm thiểu biến dạng khi chịu tải động

Dễ thi công và lắp đặt: Do có tính linh hoạt cao trong thiết kế, cột CFST dễ dàng thi công và lắp đặt hơn so với các cột khác Độ bền và độ cứng cao: Kết hợp giữa bê tông và ống thép giúp cột CFST có độ bền và độ cứng cao, giúp cột chịu được tác động bên ngoài và kéo dài tuổi thọ

Tiết kiệm vật liệu: Vì cột CFST được bảo bọc bởi ống thép, nên ống thép cũng chính là cốp pha cho phần bê tông phía trong đồng thời cũng giúp đẩy nhanh tiến độ thi công

Liên kết khó Độ ăn mòn: Cột CFST có khả năng bị ăn mòn cao hơn so với các loại cột khác

Do đó, nếu không được bảo dưỡng thường xuyên, độ bền của cột sẽ bị giảm

3 Khó kiểm tra và bảo dưỡng: Do cột CFST được làm bằng thép và bê tông, nên rất khó để kiểm tra và bảo dưỡng Điều này đòi hỏi các kỹ sư và nhân viên kỹ thuật phải có kỹ năng và trang thiết bị đặc biệt để có thể kiểm tra và bảo trì các cột.

Mục tiêu và sự cần thiết trong nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu này tập trung vào những ý chính sau:

Tổng hợp các phương pháp tính toán khả năng chịu nén uốn và độ cứng kháng uốn của kết cấu cột CSFT trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cúa liên hợp hiện hành, so sánh kết quả tính toán với kết quả thực nghiệm

Phân tích ứng xử của kế cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) chịu nén lệch tâm dưới sự ảnh hưởng của các thông số vật liệu (cường độ chịu nén của bê tông và giới hạn chảy của thép) Hiệu ứng liên hợp (hiệu ứng bó ngang của lớp vỏ thép lên lõi bê tông) và hiện tượng mất ổn định cục bộ của vỏ thép đến khả năng chịu lực của cột được khảo sát

Thiết lập chương trình mô phỏng số của cột (CFST) dài sử dụng vật liệu cường độ cao và thấp (bằng phần mềm Abaqus [4] hoặc phương pháp chia phần tử thớ) để dự đoán ứng xử của cột (CFST) khi chịu nén uốn

1.3.2 Sự cần thiết trong nghiên cứu

Cấu kiện cột (CFST) cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng ngày càng rộng rãi trong việc xây dựng nhà cao tầng và các công trình giao thông tại nhiều quốc gia trên Thế giới đặc biệt là các quốc gia hay có động đất xảy ra Vì có những tính năng ưu việt, khả năng chịu lực cao nên cột CFST dần thay thế cho cột bê tông cốt thép truyền thống Tuy nhiên, cột CFST chưa được ứng dụng phổ biến vì chưa có đủ các nghiên cứu về lý thuyết và mô hình tính toán dùng để phân tích ứng xử, cũng như các tiêu chuẩn hiện hành dùng để thiết kế cột CFST chịu nén lệch tâm vẫn còn các quy định hạn chế các thông số vật liệu và đặc trưng hình học, đặc biệt các giới hạn liên quan đến cường độ vật liệu Vì vậy, việc nghiên cứu sâu hơn về ứng xử cột CFST chịu né lệch tâm là thực sự cần thiết

4 Ngày nay, việc sử dụng vật liệu cường độ cao dẫn đến các phạm vi tính toán (liên quan đến thông số vật liệu và hình học) trong các tiêu chuẩn có thể không còn phù hợp, chính vì vậy việc tìm ra một phương pháp tính toán khả năng chịu nén uốn của kết cấu ông thép nhồi bê tông với các thông số nằm ngoài phạm vi của tiêu chuẩn là điều cần thiết.

Cấu trúc luận văn

Luận văn được chia làm 6 chương

Chương 1: Giới thiệu các loại tiết diện cột CFST phổ biến và tiết diện cột CFST được đề cập trong nghiên cứu, những ưu điểm và nhược điểm của cột CFST

Chương 2: Trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước

Chương 3 Trình bày về cơ sở lý thuyết, các phương pháp tính toán khả năng chịu nén lệch tâm của cấu kiện CFST, công thức và giới hạn tính toán khả năng chịu uốn của cấu kiện CFST theo các tiêu chuẩn phổ biến hiện hành (Eurocode 4 [1], AISC

Chương 4 Thu thập và phân tích dữ liệu thí nghiệm từ những công trình nghiên cứu trước So sánh kết quả tính toán theo tiêu chuẩn và kết quả thí nghiệm khả năng chịu nén đúng tâm, lệch tâm của cấu kiện CFST và đưa ra các nhận xét

Chương 5 Mô phỏng số- Abaqus và kiểm chứng mô hình vật liệu xây dựng

Chương 6 Kết luận và kiến nghị về kết quả tính toán và đưa ra một số nhận xét về mô hình , cũng như đánh giá khả năng phát triển tiếp của đề tài này

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện tại, Việt Nam vẫn chưa ban hành tiêu chuẩn để tính toán thiết kế cấu kiện CFST Các tài liệu và nghiên cứu xuất bản trong nước mới chỉ dừng lại ở việc giới thiệu các công thức tính toán thiết kế của nước ngoài, hoặc giới thiệu công nghệ thi công, hoặc giới thiệu phần mềm phân tích thiết kế

P Đ Hào và cộng sự [9] đã thực hiện mô phỏng cột ngắn ống thép nhồi bê tông cường độ cao chịu nén đúng tâm bằng phần mềm ABAQUS để tìm khả năng chịu lực tới hạn và ứng xử cơ học của cột ống thép nhồi bê tông Kết quả chỉ ra rằng ứng xử cơ học và khả năng chịu nén cực hạn của cột ống thép nhồi bê tông phụ thuộc vào cách gia tải được áp dụng khi nén lên cột và các đặc tính của vật liệu cấu thành

L X Dũng và cộng sự [10] đã nghiên cứu ảnh hưởng của sự trượt tương đối giữa ống thép và lõi bê tông đến khả năng chịu lực nén lệch tâm của cột ống thép nhồi bê tông Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng xác định sự trượt tương đối giữa ống thép và bê tông trong cấu kiện ống thép nhồi bê tông chỉ mang tính định lượng Bên cạnh đó, sự trượt đóng vai trò hết sức quan trọng và ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm việc của cột ống thép nhồi bê tông khi chịu tải trọng nén lệch tâm L X Dũng và cộng sự [10] đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn để thiết lập mối quan hệ trượt

6 tương đối và ứng suất tiếp xúc, tải trọng nén lệch tâm và độ lệch ngang của cột và nhiều mối quan hệ khác giữa ống thép và bê tông Đ T Như Thảo và cộng sự [11] đã phân tích cột ống thép nhồi bê tông chịu tải trọng tĩnh có kể đến tác động bậc hai và ứng xử phi đàn hồi bằng một chương trình máy tính được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình C++

H M Hiền [12] đã nghiên cứu cách tính toán nội lực cầu vòm ống thép nhồi bê tông liên hợp với hệ treo Trong nghiên cứu này, H M Hiền [12] đã chỉ ra rằng cầu vòm liên hợp đã khắc phục lực đẩy ngang đáng kể, các nội lực trong các kết cấu đã giảm đi rất nhiều Bên cạnh đó, nhờ vào hiệu ứng c hông của kết cấu ống thép nhồi bê tông đã làm tăng khả năng chịu lực của kết cấu Ngoài ra, độ ổn định của của cầu vòm ống thép nhồi bê tông tốt hơn nhiều so với cầu vòm ống thép

T T Nguyen và cộng sự [13] đã nghiên cứu ứng xử cột CFST mảnh cường độ cao chịu nén đúng tâm T T Nguyen và cộng sự [13] đã xem xét hiệu năng cơ học của cột CFST bao gồm: dạng mất ổn định, khả năng chịu lực, biến dạng, mối quan hệ tải – chuyển vị Cũng xem xét tính tương thích của ống thép và bê tông cường độ cao

So sánh kết quả thí nghiệm và dữ liệu thí nghiệm có sẵn với tiêu chuẩn Úc AS/NZS

T Son và cộng sự [14] đã tiến hành kiểm tra ứng xử cột ống thép nhồi bê tông cường độ cao tiết diện chữ nhật chịu nén đúng tâm bằng phần mềm phân tích phi tuyến ABAQUS Kết quả mô phỏng đã chỉ ra rằng mô hình đề xuất dự đoán chính xác khả năng chịu lực, mối quan hệ tải – biến dạng, dạng mất ổn định của cột ống thép nhồi bê tông

L H Bằng và cộng sự [15] đã tổng hợp dữ liệu gồm 99 mẫu thí nghiệm, trong đó 69 mẫu được dùng để huấn luyện và 30 mẫu để kiểm chứng mô hình BPNN Kết quả của nghiên cứu đã chỉ ra rằng mô hình đề xuất có khả năng dự đoán sức chịu tải tới hạn cho cột CFST tiết diện chữ nhật tương đối chính xác.

Tình hình nghiên cứu ngoài nước

7 Đến nay, đã có nhiều nghiên cứu về khả năng chịu lực của cấu kiện cột ống thép nhồi bê tông, cũng như tính hiệu quả mà giải pháp kết cấu này mang lại

E Cosenza và cộng sự [16] đã xem xét các đặc điểm phản ứng kết cấu cơ bản và các vấn đề công nghệ của hệ liên hợp bê tông và thép Nghiên cứu kết luận, kết cấu liên hợp là một giải pháp thay thế khả thi cho cả kết cấu thép trần và bê tông cốt thép với ưu điểm về độ cứng, cường độ và độ dẻo được nâng cao, mặt khác công nghệ này cho phép dễ dàng xây dựng cùng với tính kinh tế

Y Zhong và cộng sự (2021) [17] đã nghiên cứu ứng xử chịu nén uốn đồng thời của cột CFST cường độ cao Nghiên cứu khả năng chịu lực tới hạn, đường cong tải – chuyển vị ngang tại vị trí giữa cột và dạng mất ổn định của cột CFST Hình 2.1 dưới đây cho thấy dạng mất ổn định trong nghiên của Y Zhong và cộng sự, với hiện tượng phồng ra bên ngoài của cột

Hình 2.1 Dạng mất ổn định trong nghiên cứu của Y Zhong và cộng sự [17]

L Zhang và cộng sự (2020) [18] đã nghiên cứu thực nghiệm về các cấu kiện CFNRST dưới tác động kết hợp của lực nén và uốn đã tiến hành nghiên cứu cột CFST tiết diện chật hẹp chịu nén uốn đồng thời tại trục bất lợi của tiết diện Xem xét độ

8 mảnh và độ lệch tâm của cột CFST, khi độ mảnh và độ lệch tâm tăng lên thì làm cho khả năng chịu lực của cột giảm đi đáng kể Bên cạnh đó, cột CFST dẻo hơn khi độ mảnh và độ lệch tâm của cột tăng lên Những cách dự đoán về các giải pháp được xem xét trong nghiên cứu này có thể đánh giá cao về khả năng chịu lực tới hạn của cột CFST chật hẹp

L Xu và cộng sự [19] đã tiến hành nghiên cứu hiệu năng chịu nén dọc trục của cột ống thép nhồi bê tông cường độ cao chứa sợi thép Trong nghiên cứu này tác giả đã xem xét vai trò của chiều dày ống thép và thông số hình học liên quan đến hiệu năng chịu nén dọc trục của cột CFST cường độ cao bao gồm: độ cứng, khả năng chịu lực tới hạn, dạng mất ổn định và ứng xử tải – chuyển vị Có thể thấy rằng, khả năng chịu lực của cột CFST tăng lên đáng kể khi chiều dày ống thép tăng Trong khi đó, độ dẻo của cột CFST cường độ cao được cải thiện bằng cách tăng chiều dày ống thép Sợi thép ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu lực tới hạn và dạng mất ổn định của cột CFST cường độ cao Sợi thép có thể làm trì hoãn tương tác liên hợp và có những lợi ích về hiệu năng chịu nén dọc trục Hình 2.2 được minh hoạ các dạng mất ổn định trong nghiên cứu của L xu và cộng sự

Hình 2.2 Mất ổn định trong nghiên cứu của L Xu và cộng sự [19]

F Yuan và cộng sự (2019) [20] đã tiến hành nghiên cứu ứng xử chịu nén lệch tâm của cột CFST chữ nhật có gia cường những thanh thép cứng hàn vào ống thép

Có thể nói rằng, khi cột CFST có gia cường thanh thép cứng thì làm cho cột chịu nén tốt hơn và mất ổn định trong ống thép xảy ra trể hơn và ít hơn Thanh thép cứng trong cột CFST làm tăng khả năng chịu lực cho cột, giảm biến dạng ống thép, tăng hiệu ứng bó ngang của bê tông nên nâng cao ứng suất lớn nhất trong bê tông Chiều dài của thanh thép cứng ảnh hưởng đến độ dẻo của cột CFST Ứng suất dư và thông số hình học ban đầu không lý tưởng có thể bỏ qua trong dự đoán khả năng chịu lục tới hạn của cột CFST có thanh thép cứng gia cường

G Li và cộng sự (2018) [21] đã tiến hành nghiên cứu cột CFST mảnh cường độ cao chịu nén lệch tâm Xem xét khả năng chịu lực của cột CFST trong quá trình chịu nén mà không có nứt do bê tông hoặc mất ổn định đột ngột Xem xét ứng xử của bê tông khi thép bị mất ổn định Vùng bê tông bị vỡ nhiều thì nơi đó làm tăng độ mảnh Xem xét đường cong mô men uốn thông qua ba loại: giảm dần và ổn đinh, giẩm dần và làm cứng Hình dạng mất ổn định của cột bị ảnh hưởng đáng kể bởi đường cong bậc hai Tại các vị trị cột khác nhau thì khả năng chịu tải tới hạn khác nhau Ứng suất ngang của ống thép trong giai đoạn trước khi mất ổn định ảnh hưởng nhỏ đến liên kết giữa bê tông và thép Trước khi tới giới hạn chảy dẻo của thép, ống thép đảm nhận vai trò chính khi cột CFST dài chịu nén lệch tâm Để nâng cao khả năng chịu lực, có vài khuyến khích được đưa ra là tăng khả năng chịu cắt của bê tông f cu và tăng giới hạn chảy dẻo của ống thép Những kết quả thí nghiệm và tính toán được đem so sánh với các tiêu chuẩn hiện nay

C Ibaủez và cộng sự (2017) [22] đó nghiờn cứu ứng xử cột CFST dựng bờ tụng thông thường và bê tông cường độ cao có hai lớp thép và hai lõi bê tông chịu nén lệch tâm Trái lại với cột CFST chịu nén đúng tâm thì cột CFST nén lệch tâm không cải thiện khả năng chịu lực Có thể nhận thầy rằng, những cột chịu nén lệch tâm thì ứng xử của ống thép sẽ được thấy rõ ràng nhất, đây chính là sự khác biệt với nén đúng tâm

J Thomas and T N Sandeep [23] đã xét ảnh hưởng cột CFST tròn có hàn gia cố thép thanh vào ống thép Số lượng và khoảng cách thanh thép gia cố ảnh hưởng

10 đến ứng xử tải – chuyển vị của cột CFST Sau đó tác giả cũng đã đề xuất mô hình dự đoán khả năng chịu lực cho cột CFST chữ nhật

Y Du và cộng sự (2017) [6] đã tiến hành nghiên cứu khả năng chịu lực của cột CFST thép cường độ cao khi chịu tải nén lệch tâm Có thể thấy rằng, khi thay đổi tỉ số giữa chiều cao và chiều dày ống thép (h/t) thì khả năng chịu nén dọc trục và giá trị mô men đều tăng lên Mô hình FE dự đoán khá chính xác khả năng chịu lực tới hạn và ứng xử của cột CFST chữ nhật cường độ cao Dự đoán về dạng mất ổn định và vết nứt trong bê tông cũng có độ chính xác cao Tỉ số h/t ảnh hưởng đáng kể đến biểu đồ tương tác N – M Tỉ số h/t càng lớn thì mô men gây ra bởi lực lệch tâm cho trục chính càng lớn

R Choi và cộng sự (2017) [24] đã nghiên cứu ứng xử cột CFST chữ nhật chịu nén lệch tâm khi sử dụng thép cường độ cao và thép nhẹ với chiều dày ống thép khác Kết quả về khả năng chịu kéo, chịu uốn, Charpy Impact cho thấy được các mỗi hàn của mẫu thể hiện được ứng xử dẻo, vết nứt xảy ra ở những mẫu thép nhẹ Sự mất ổn định cục bộ của cột CFST có thể dẫn đến sự suy giảm độ dẻo, khả năng chịu lực, xảy ra vết nứt tại các mối hàn Xem xét ảnh hưởng hiệu ứng bó ngang của bê tông Kết quả tính toán về biến dạng tương thích, hiệu ứng bó ngang, mất ổn định cục bộ tương đồng với kết quả thí nghiệm Hình 2.3 được minh hoạ các dạng mất ổn định trong nghiên cứu của I R Choi và cộng sự

Hình 2.3 Dạng mất ổn định trong nghiên cứu của I R Choi và cộng sự (2017) [24]

S Chen và cộng sự (2018) [25] đã tiến hành ngiên cứu ứng xử chịu nén của cột CFST cường độ cao bao gồm: dạng mất ổn định, mối quan hệ giữa tải – chuển vị, khả năng chịu nén dọc trục và biến dạng sau đó tác giả cũng đã đã đề xuất phương pháp tính toán cho cột CFST cường độ cao chịu nén

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Quy định về cường độ giới hạn của thép và bê tông trong các tiêu chuẩn hiện hành

Bảng 3.1 trình bày các thông số kỹ thuật về giới hạn vật liệu để thiết kế cột CFST trong từng tiêu chuẩn Trong EC4-2004, giới hạn chảy của thép bị giới hạn trong khoảng từ 235 MPa đến 460 MPa, trong khi AISC 360-16 và AS 2327-2017 lần lượt là 525 MPa và 690 MPa Giá trị đưa ra trong AS 2327 dựa trên việc sửa đổi tiêu chuẩn cho kết cấu thép AS 4100 trong đó chấp nhận thép cường độ cao lên tới

Bảng 3.1 Giới hạn cường độ vật liệu theo (EC4, AS2327, AISC360-16)

Tiêu chuẩn Giới hạn chảy của thép Giới hạn chảy của bê tông

EC4 235MPa  f  460MPa 20MPa fc' 50MPa

AISC 360-2016 f y  525MPa 21MPa fc' 69MPa

15 Hình 3.1 Mặt cắt điển hình tiết diện cột CFST

Hình 3.1 minh họa các dạng hình học điển hình và các ký hiệu liên quan cho cột CFST hình chữ nhật và hình tròn Trong mỗi tiêu chuẩn thiết kế, các giới hạn khác nhau được quy định cho độ dày thành (t) để đảm bảo rằng hiện tượng mất ổn định cục bộ của các tiết diện thép không xảy ra trước hiện tượng mất ổn định tổng thể hoặc hư hỏng dẻo của cột CFST

Trong mỗi tiêu chuẩn, những giới hạn khác nhau được xác định cho kết cấu thành mỏng để đảm bảo sự mất ổn định cục bộ của ống thép không xảy ra trước khi mất ổn định tổng thể hoặc cột CFST bị hư hại Những quy định của EC 4 [1] và AS

2327 [3] không cho phép thiết kế cột CFST khi vi phạm những giới hạn về mất ổn định cục bộ Tuy nhiên, trong tiêu chuẩn AS 2327 đã đưa ra nhưng cách tính toán để đánh giá khả năng chịu lực của cột CFST với sự mất ổn định cục bộ của ống thép khi đưa ra hệ số tiết hữu hiệu k f Ngược lại, tiêu chuẩn AISC 360-16 [2] cho phép tính toán khả năng chịu lực của cột CFST khi bị mất ổn định cục bộ trong giai đoạn đàn hồi tại những tiết diện cụ thể Những tiết diện này được phân loại: không đặc (noncompact) và mảnh

16 Bảng 3.2 Giới hạn độ mảnh của cột dài chịu nén đúng tâm

B, H: Lần lượt là chiều cao và chiều rộng của tiết diện ống thép được ký hiệu theo tiêu chuẩn EC4 b, h: Lần lượt là chiều cao và chiều rộng của tiết diện ống thép được ký hiệu theo tiêu chuẩn AS2327 và AISC360-16

17 Bảng 3.3 Giới hạn độ mảnh của cột dài chịu nén lệch tâm

Công thức xác định khả năng chịu lực của cột CFST theo các tiêu chuẩn hiện hành

- Khả năng chịu nén dọc trục

Trong phương pháp thiết kế của EC4, khả năng chịu nén dọc trục của tiết diện CFST được tính bằng tổng độ bền dẻo của bê tông và cốt thép:

N us EC 4  A f s y A f c c  (3.1) Đối với cột CFST tiết diện tròn khả năng chịu lực của tiết diện liên quan đến điều kiện độ mảnh và độ lệch tâm, độ mảnh phải thõa mãn điều kiện  0.5 và tỷ số giữa độ lệch tâm với đường kính nếu thõa điều kiện e / D0.1, khả năng chịu lực được cải thiện nhờ vào hiệu ứng chống nở hông của vỏ thép đối với bê tông bên trong và được cho bởi công thức (3.2): us EC 4 s y s c c c y c t f

 c0 4.918.5 17 2 0 (3.6) Đối với cột chịu nén đúng tâm:  1

Với  s và  c là những hệ số phản ánh ảnh hưởng của hiệu ứng chống nở hông

Hệ số  s0 mô tả việc giảm cường độ của ống thép bởi vì ngăn cản việc nở hông của bê tông dẫn đến sự làm việc dưới ứng suất dọc trục và ứng suất kéo theo phương chu vi Hệ số  c0 đưa ra cho việc tăng lên của cường độ chịu nén của bê tông do hiệu ứng

19 chống nở hông Điều kiện cho sự quan hệ giữa diện tích mặt cắt ngang của thép và bê tông được cho bởi công thức (3.7): s y s y c c

Mối quan hệ giá trị độ mảnh  được trình bày trong EC 4 [1] được tính toán theo (3.8) như sau:

Trong đó N ns A f s y A f c c  là khả năng chịu lực của vật liệu và N cr là cường độ tới hạn được tính toán theo công thức (3.9):

Trong đó L e là chiều dài tính toán của cột và ( EI ) eff EC 4 là độ cứng chịu uốn hữu hiệu được cho bởi công thức (3.10):

Trong đó I s và I c là mô men quán tính của tiết diện thép và bê tông Hệ số 0.6 được sử dụng để giải thích cho việc nứt trong bê tông, E c EC 4 là mô đun đàn hồi của bê tông được định nghĩa như (3.11):

Trong đó f c  được tính bằng đơn vị MPa và E c EC 4 là GPa Khả năng chịu lực của cột CFST được tính bằng cách nhân khả năng chịu lực của tiết diện với hệ số giảm tải  để giải thích cho hiệu ứng mất ổn định tổng thể, công thức được cho như

Hệ số  được tính như (3.13)

- Khả năng chịu nén lệch tâm phẳng

Một cách tổng thể, EC4 quy định độ bền của cột khi chịu nén và kết hợp với chịu uốn cần được tính toán và kiểm tra Cường độ của mặt cắt CFST khi chịu nén và uốn trong EC4 dựa trên đường cong tương tác của mặt cắt được minh họa ở Hình 3.2 , biểu thị mối quan hệ giữa lực dọc trục và mômen uốn và được xác định dựa trên sự khác nhau phân bố ứng suất chảy dẻo của thép và bê tông Với biểu đồ phân bố ứng suất của tiết diện chữ nhật và tiết diện tròn được thể hiện trong Hình 3.3

Hình 3.2 Đường cong tương tác của tiết diện theo EC4

21 Hình 3.3 Biểu đồ phân bố ứng suất trong tiết diện ống thép nhồi bê tông hình chữ nhật tại điểm A, B, C Điểm A: Lực dọc giới hạn lớn nhất

N A N us EC 4 N Pl ,Rd ;M A 0 (3.15) Điểm B: Khả năng chịu uốn thuần túy của cột (khi không có lực nén)

M pl ,Rd  f yd  W pa  W pan   0.5 f cd  W pc  W pcn  (3.17)

- Mô đun dẻo tiết diện bê tông theo trục y-y

- Mô đun dẻo tiết diện thép theo trục y-y

- Mô đun dẻo tổng tiết diện theo trục y-y

- Mô đun dẻo tiết diện thép trong vùng h n theo trục y-y

- Mô đun dẻo tiết diện bê tông trong vùng h n theo trục y-

Với h n khoảng cách từ trọng tâm tiết diện đến thớ bê tông chịu nén gần nhất, được xác định từ phương trình cân bằng ứng suất của thép và bê tông trong tiết diện được thể hiện trong Hình 3.3

Mô đun dẻo tiết diện thép trong vùng chịu nén (kéo) aa   1 3 3 1 3 3 2

Mô đun dẻo tiết diện bê tông trong vùng chịu nén cc   2 3 3 2

Với h n khoảng cách từ trọng tâm tiết diện đến thớ bê tông chịu nén gần nhất, được xác định như sau

N pm ,Rd  A f cc cd A f ac yd A f at yd  A f c cd (3.31)

A t tổng diện tích vùng kéo

A co tổng diện tích vùng nén

A ct tổng diện tích chịu kéo của bê tông

A cc tiết diện chịu nén của bê tông

A ac tiết diện chịu nén của thép

A at tiết diện chịu kéo của thép

Thảy đổi đổi giá trị h n và kiểm tra bằng công thức (3.31), ta thu được giá trị h n với điều kiện min A f  cc cd  A f ac yd  A f at yd  A f c cd 

24 Điểm C: Khả năng vừa chịu nén và chịu uốn

1 đối với thép ống nhồi bê tông

 1 đối với thép ống nhồi bê tông tiết diện chữ nhật c yd

   d đối với thép ống tròn nhồi bê tông Điểm D: Moment giới hạn lớn nhất

M D M max W f pa yd 0.5W f pc cd (3.41) Trong đó W pa , W pc lần lượt là mô đun dẻo của toàn bộ phần thép và bê tông trong tiết diện được thể hiện ở công thức (3.19), (3.18)

EC4 cho phép thay thế đường cong tương tác bằng sơ đồ đa giác như trên Hình 3.2 Khả năng chịu nén khi chịu sự kết hợp giữa nén dọc trục và uốn một trục được đánh giá theo điều kiện sau: ed M d us

 M là hệ số được xác định dựa trên cường độ chảy của thép khi MPa khi MPa y M y

M M là khả năng chịu moment tối đa của cột khi lực nén dọc trục bằng

0 và được tính là điểm B trên đường cong tương tác

 d biểu thị phần sức kháng uốn dẻo so với cường độ dẻo cực hạn

M us khi xét đến lực pháp tuyến N ed Cần lưu ý rằng  d có thể lớn hơn 1 ở khu vực quanh điểm D của biểu đồ tương tác Khi giá trị  d  1 không nên được sử dụng trong tính toán trừ khi M ed được gây ra trực tiếp bởi tác dụng của lực nén dọc trục

M ed là mômen lớn nhất mà cột có thể chịu được có xét đến sự không hoàn hảo và không xét đến sự không hoàn hảo

N là tải trọng tác dụng e t và e b là độ lệch tâm ở 2 đầu cột Momen bậc 2 được xác định theo EC4 gần đúng như sau

1 2 k ,k là hệ số giải tích cho hiệu ứng bậc hai EC4, M ed được xác định bằng phân tích bậc 1 tại hai đầu cột và  là độ võng Phương trình được viết lại như sau ed cr ,II

N là cường độ tới hạn xét đến hiệu ứng bặc hai được xác định ở công thức (3.9), eff

( EI ) ,II là độ cứng kháng uốn của tiết diện xét đến hiệu ứng bậc hai được định ở công thức (3.10)

EC 4 2 2 eff ,II cr ,II e

26 Độ võng được xác định như sau (N 0 N u và không có momen uốn ở hai đầu cột)

Momen lớn nhất của cột được xác định như sau ed M 0 0

Trong đó k là hệ số giải tích cho hiệu ứng bậc hai cr ,Il k 1

M 0 là cường độ uốn khả dụng của tiết diện khi N N u như minh họa trong hình Hình 3.4  từ phương trình (3.51)

 M Hệ số kể đến tiết diện chảy dẻo hoàn toàn dưới tác dụng của M và N được xác định theo công thức (3.43)

M là cường độ chịu uốn khả dụng của tiết diện tương ứng với tải trọng nén N

N ue là cường độ chịu nén giới hạn được xác định là điểm giao nhau giữa đường

M N e và biểu đồ tương tác của cột được minh họa ở Hình 3.4 Khi tải trọng nén dọc trục nhỏ hơn 0.1N cr ,II thì theo quy định EC4 cho phép bỏ qua ảnh hưởng của hiệu ứng bậc hai Do đó có thêm hai điểm E’1 và E’2 trong biểu đồ và cường độ uốn khả dụng được tính như sau ed M 0

Lý thuyết tính toán trên được tính được dựa theo phương pháp đề xuất bởi Goode [30]

Hình 3.4 Xác định cường độ theo EC 4

3.2.2 Theo tiêu chuẩn AS_NZS 2327-2017

- Khả năng chịu nén đúng tâm

Nói chung, các tính toán về cường độ cuối cùng của cột CFST khi chịu nén trong AS/NSZ 2327 tương tự như EC4 Tuy nhiên, các điều khoản của AS 2327 đưa ra đánh giá về độ bền của các phần vi phạm điều kiện mất ổn định cục bộ bằng việc đưa vào hệ số hình dạng k f Việc tính toán cường độ tới hạn của tiết diện CFST dựa trên giả định rằng thép bị chảy trước khi bê tông đạt cường độ chịu nén [31] Do đó, cường độ tiết diện tới hạn của tiết diện hình chữ nhật được cho bởi (3.56):

N us AS  f A f s y A f c c  (3.56) và đối với các phần hình tròn được cho bởi us AS f s y s c c c y c t f

Bề rộng hữu hiệu hoặc đường kính hữu hiệu được tính theo (3.58) hoặc (3.61)

Trong đó B là bề rộng của toàn bộ mặt cắt ngang được thể hiện ở Hình 3.1 và

 là tỷ số độ mảnh được định nghĩa trong Bảng 3.1 Nên chú ý rằng, điều kiện của hệ số phân phối của thép và tương đồng với EC 4 [1] cũng được cho trong tiêu chuẩn

AS 2327 Diện tích hữu hiệu đối với tiết diện ống thép chữ nhật và ống thép tròn được tính như (3.62) và (3.63):

Trong đó t là chiều dày của tiết diện thép Tất cả tham số trong (3.57) giống với (3.2), ngoại trừ mối quan hệ độ mảnh được định nghĩa như (3.64):

- Để tránh tính toán lặp lại, N us trong (3.64) có thế được thay thế bởi khả năng chịu lực của vật liệu định danh N us  f A f t y A f c c  Cường độ tới hạn N cr của cột CFST được cho trong tiêu chuẩn AS 2327 được cho bởi (3.65):

Trong đó độ cứng uốn hữu hiệu được cho như sau:

THU THẬP VÀ PHÂN TÍCH DỮ LIỆU THÍ NGHIỆM

Hệ số tương quan Pearson ( r )

Để khảo sát mức độ phụ thuộc giữa tỷ số tính toán theo từng tiêu chuẩn và cường độ chảy dẻo của ống thép, hệ số tương quan Pearson được xem xét Hệ số này được tính toán với công thức:

Trong đó: y: là giá trị trung bình của tỷ số N test a / N cal a xlà giá trị trung bình của f y , f c '

Hệ số tương quan Pearson ( r ) có giá trị giao động trong khoảng liên tục từ -1 đến +1, có thể kết luận về độ phụ thuộc của hai biến số ứng với từng giá trị của hệ số tương quan: r 0: Hai biến không có tương quan tuyến tính; r0: Hệ số tương quan âm, nghĩa là giá trị biến x tăng thì giá trị biến y giảm và ngược lại, giá trị biến y tăng thì giá trị biến x giảm Hai biến nghịch biến tuyệt đối khi r = -1; r 0: Hệ số tương quan dương, nghĩa là giá trị biến x tăng thì giá trị biến y tăng và ngược lại, giá trị biến y tăng thì giá trị biến x cũng tăng Hai biến đồng biến tuyệt đối khi r = +1;

42 Nếu r khoảng từ ±0,7 đến ±0.99, thì nó được cho là tương quan mạnh;

Nếu r khoảng từ ±0,50 đến ± 0,69, thì nó được gọi là tương quan trung bình; Nếu r khoảng ±0.2 đến ± 0.49, thì nó được gọi là một mối tương quan yếu Nếu r khoảng 0.00 đến ±0.19, thì được gọi là không có tương quan.

Cường độ kháng uốn của tiết diện

Để so sánh ảnh hưởng của các tham số đến kết quả tính toán cường độ chịu uốn của tiết diện theo phương pháp đơn giản của các tiêu chuẩn, dữ liệu thí nghiệm được chia thành các tập hợp nhỏ hơn, với từng điều kiện cụ thể và được thể hiện trong Bảng 4.1, các tập hợp này được chia thành hai nhóm chính gồm:

(1) M-I (Materials-In) vật liệu nằm trong giới hạn tiêu chuẩn và M-O (Materials- Out) vật liệu vượt ngoài giới hạn tiêu chuẩn, để xem xét ảnh hưởng của giới hạn thông số vật liệu

(2) S-LB (Slenderness-Local Buckling) độ mảnh – uốn cục bộ, S-NLB (No Local Buckling) không uốn cục bộ, S-CP (Compact) tiết diện chặt, S-NCP (Noncompact) tiết diện không chặt, S-S (Slender) tiế diện mảnh để xem xét ảnh hưởng của độ mảnh tiết diện

43 Bảng 4.1 Phân loại dữ liệu theo các tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn Loại Giới hạn

B, H: Lần lượt là chiều cao và chiều rộng của tiết diện ống thép được ký hiệu theo tiêu chuẩn EC4 b, h: Lần lượt là chiều cao và chiều rộng của tiết diện ống thép được ký hiệu theo tiêu chuẩn AS2327 và AISC360-16

Trong phần này, kết quả khả năng chịu lực của cột CFST được tính toán bằng các công thức trong tiêu chuẩn Châu Âu, Hoa Kỳ và Úc sẽ được so sánh với kết quả thu được từ thí nghiệm nhằm xác định sự chính xác và khả năng ứng dụng của ba tiêu chuẩn trên Những hệ số làm việc của vật liệu được thêm vào trong cả ba tiêu chuẩn được cho như nhau khi so sánh với kết quả thực nghiệm Tất cả các kết quả tính toán được trình bày bằng việc lấy tỷ số của khả năng chịu lực đạt được trong lúc thí nghiệm và khả năng chịu lực đạt được khi tính toán bằng các công thức trong ba tiêu chuẩn

 N test / N u .Để đánh giá được khả năng ứng dụng của ba tiêu chuẩn trong thiết kế khi vượt quá các giới hạn được quy định trong đó, tất cả các quy định về thông số vật liệu (Bảng 3.1) và các giới hạn về kích thước hình học (Bảng 3.2, Bảng 3.3) được bỏ qua trong quá trình tính toán khả năng chịu lực cho cột Ngoài ra, các dữ liệu sẽ được phân loại thành những tập hợp con khác nhau dựa vào những giới hạn về thông số vật liệu và kích thước hình học được trình bày trong Bảng 4.1 Trong đó, tập hợp con M-I bao gồm các mẫu sẽ có thông số vật liệu nằm dưới giới hạn trong mỗi tiêu chuẩn, ngược lại tập hợp con M-O sẽ là tập hợp các mẫu sẽ có thông số vật liệu (giới hạn chảy của thép hoặc cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông) vượt quá giới hạn mà tiêu chuẩn đưa ra Khi xem xét về mất ổn định cục bộ, các mẫu có giá trị độ mảnh thấp hơn giới hạn nằm trong tiêu chuẩn được phân loại thành tập hợp con S-NLB trong tiêu chuẩn Châu Âu và Úc Đối với tiêu chuẩn Hoa Kỳ, tiết diện sẽ chia thành các tập hợp con S-CP, S-NCP và S-S ứng với các tiết diện chặt, không chặt và tiết diện mảnh Những mẫu mà có giá trị độ mảnh vượt qua giới hạn trong các tiêu chuẩn quy định sẽ được xếp vào tập hợp con S-LB.

Cột chịu nén đúng tâm theo EC4, AISC 360-16, AS 2327

45 Bảng 4.2 So sánh kết quả tính toán theo tiêu chuẩn và kết quả thí nghiệm khả năng chịu nén đúng tâm của cấu kiện CFST

N a test/N a cal) CoV Dữ liệu n 

Tròn Tất cả 440 1.104 0.148 Tất cả 440 1.093 0.144 Tất cả 440 1.151 0.142

M-I 302 1.112 0.145 M-I 396 1.090 0.145 M-I 351 1.154 0.149 M-O 130 1.093 0.149 M-O 37 1.083 0.114 M-O 72 1.129 0.102 S-NLB 395 1.102 0.147 S-NLB 409 1.083 0.141 S-CP 436 1.150 0.141 S-LB 45 1.123 0.153 S-LB 31 1.214 0.139 S-NCP 3 1.137 0.035

Chữ nhật Tất cả 282 1.069 0.186 Tất cả 282 1.083 0.184 Tất cả 282 1.168 0.198

S-NLB 178 1.111 0.191 S-NLB 241 1.076 0.190 S-CP 238 1.160 0.191 S-LB 104 0.998 0.148 S-LB 41 1.121 0.150 S-NCP 35 1.106 0.127

4.4.1 So sánh kết quả tính toán khả năng chịu nén đúng tâm theo EC4, AISC 360-16, AS 2327

(a) Tiết diện tròn (b) Tiết diện tròn

(c) Tiết diện chữ nhật (d) Tiết diện chữ nhật

Hình 4.3 So sánh kết quả tính khả năng chịu nén đúng tâm theo các tiêu chuẩn

Như đã trình bày trong Bảng 4.2 có 722 mẫu thí nghiệm chịu nén đúng tâm bao gồm 440 mẫu cột tròn và 282 mẫu cột tiết diện chữ nhật Kết quả so sánh khả năng chịu lực khi dùng các công thức trong tiêu chuẩn để tính toán và kết quả thực nghiệm được trình bày trong Bảng 4.2 và được minh họa trong Hình 4.3 Các giá trị trung bình

   , hệ số biến thiên  CoV  của những tiêu chuẩn được cho trong Bảng 4.2 Có thể thấy rằng, tất cả các tiêu chuẩn đã đưa ra các công thức tính toán quá an toàn đối với

47 khả năng chịu lực của cột CFST Tất cả các tiêu chuẩn tính toán thì cho kết quả tương đối tốt và gần hội tụ so với kết quả thực nghiệm đối với cột tròn, giá trị trung bình

   sắp xỉ 1.10 và hệ số biến thiên  CoV  gần 0.14 Nhưng đối với cột chữ nhật, tiêu chuẩn Châu Âu và Úc lại cho kết quả tính toán có phần tốt hơn so với tiêu chuẩn Hoa Kỳ Giá trị trung bình    và hệ số biến thiên  CoV  của tiêu chuẩn Châu Âu lần lượt là 1.07 và 0.186, của tiêu chuẩn Úc 1.08 và 0.184 Mặt khác, kết quả của tiêu chuẩn Hoa Kỳ có phần thiên về an toàn nhiều hơn vì vậy giá trị trung bình    là

1.17 và hệ số biến thiên  CoV  là 0.2 Theo như kết quả, chỉ số độ tin cậy trong tiêu chuẩn Hoa Kỳ tương đối lớn hơn so với tiêu chuẩn Châu Âu và tiêu chuẩn Úc Điều này là do AISC 360-16 chỉ cho phép lõi bê tông đạt đến cường độ 80% cường độ lớn nhất cho cột chữ nhật và đạt 95% cho cột tròn Trái lại, EC 4 và AS 2327 cho phép cường độ chịu nén lớn nhất của bê tông (đối với tiết diện chữ nhật) và cho phép vượt qua cường độ chịu nén lớn nhất của bê tông (đối với tiết diện tròn) bởi vì xem xét sự ảnh hưởng nén hông trong bê tông của cột CFST Điểm đáng lưu ý khác trong Bảng 4.2, kết quả dự đoán cho khả năng chịu nén dọc trục cột CFST tương đối rời rạc với giá trị biến thiên dao động từ 0.096 đến 0.20 Điều này có thể quy về cho những tác nhân khác nhau như là: điều kiện thí nghiệm (gia tải, chuẩn bị thí nghiệm, liên kết của những đầu mút cột, ), thông số vật liệu trong thí nghiệm, cách xác định đường cong tải – chuyển vị khác nhau giữa các thí nghiệm Ngoài ra, sự đơn giản hóa của những phương trình trong tiêu chuẩn có thể đã bỏ qua ứng xử thật của thép và bê tông trong cột CFST

Ngoài ra giá trị tính toán hệ số tương quan Pearson (r) cũng cho thấy tỷ số a a test cal

N / N khi tính toán cường độ chịu nén đúng tâm của tiết diện chữ nhật, tiết diện tròn theo 3 tiêu chuẩn thì cường độ chảy của thép ( f y ) tiết diện chữ nhật theo tiêu chuẩn AISC tương quan yếu, còn lại không có tương quan

4.4.2 Ảnh hưởng của thông số vật liệu đến kết quả tính toán khả năng chịu nén đúng tâm theo EC4, AISC 360-16, AS 2327

Hình 4.4 Tiết diện tròn - ảnh hưởng của f c ' , f y đến kết quả tính toán khả năng chịu nén đúng tâm theo các tiêu chuẩn

49 Ảnh hưởng của giới hạn chảy thép và cường độ chịu nén của bê tông lên việc tính toán khả năng chịu lực của cột CFST được thể hiện trong Hình 4.4 cho cột tròn chịu nén đúng tâm, kết quả được vẽ cho hai tập hợp con M-I và M-O ứng với những mẫu thí nghiệm thấp hơn và vượt quá giới hạn về cường độ vật liệu mà các tiêu chuẩn đã quy định Trong tất cả tiêu chuẩn Châu Âu, Úc và Hoa Kỳ điều cho kết quả tính toán rất tốt cho cả những tập hợp M-I và M-O, kết quả tính toán cho các giá trị trung bình   gần như tương đồng nhau và có giá trị sắp xỉ 1.1

Hình 4.5 Tiết diện chữ nhật - ảnh hưởng của f c ' , f y đến kết quả tính toán khả năng chịu nén đúng tâm theo các tiêu chuẩn Ảnh hưởng của thông số vật liệu lên việc dự đoán khả năng chịu lực của cột CFST được thể hiện trong Hình 4.5 cho cột chữ nhật chịu nén đúng tâm, kết quả được vẽ cho hai tập hợp con M-I và M-O ứng với những mẫu thí nghiệm thấp hơn và vượt quá giới hạn về cường độ vật liệu mà các tiêu chuẩn đã quy định Từ Bảng 4.2 và Hình 4.5 thì tiêu chuẩn EC 4 cho kết quả dự đoán khả năng chịu lực của cột CFST tiết diện chữ nhật rất tốt và có sự hội tụ rất cao so với kết quả thí nghiệm thực tế, cụ thể là giá trị trung bình    cho các tập hợp con M-I và M-O lần lượt là 1.045 và 1.050 Ngược lại thì kết quả dự đoán sức chịu tải của cột CFST tiết diện chữ nhật vẫn còn quá thận trọng khi mà giá trị trung bình    vẫn còn tương đối cao so với hai tiêu chuẩn còn lại, cụ thể giá trị trung bình    cho từng nhóm M-I và M-O là 1.180 và 1.142 Ngoài ra, Tiêu chuẩn Úc lại có kết quả tính toán khả năng chịu nén đúng tâm cho cột CFST tiết diện chữ nhật là tốt nhất so trong ba tiêu chuẩn và cụ thể giá trị trùng bình    là 1.044 Nhìn chung, các dự đoán khả năng chịu tải của cột CFST cho hai loại tiết diện tròn và chữ nhật chịu nén đúng tâm của các tiêu chuẩn thì rất tốt cho các mẫu có thông số vật liệu nằm trong và ngoài phạm vi tiêu chuẩn quy định, chỉ có tiêu chuẩn Hoa Kỳ vẫn còn quá thận trong khi tính toán khả năng chịu lực của cột CFST tiết diện chữ nhật

51 Ngoài ra, cần phải phải xem những đặc tính của vật liệu cường độ cao, các kết quả có thể bị ảnh hưởng bởi độ giòn của bê tông và thép cường độ cao, chính điều này đã làm giảm hiệu ứng nở hông và sự tương tác giữa ống thép và bê tông trong cột CFST chịu nén đúng tâm Do đó, những công thức tính toán khả năng chịu nén cho cột CFST trong tiêu chuẩn về sau thì cần phải xem xét thận trọng về vật liệu cường độ cao

4.4.3 Ảnh hưởng của độ mảnh tiết diện đến kết quả tính toán khả năng chịu nén đúng tâm theo EC4, AISC 360-16, AS 2327

(a) Tiết diện tròn (b) Tiết diện chữ nhật

(c) Tiết diện tròn (d) Tiết diện chữ nhật

52 (e) Tiết diện tròn (f) Tiết diện chữ nhật

Hình 4.6 Ảnh hưởng của độ mảnh tiết diện đến kết quả tính toán khả năng chịu nén đúng tâm theo các tiêu chuẩn

Hình 4.6 thể hiện sự ảnh hưởng của độ mảnh tiêt diện đến khả năng chịu tải trong ba tiêu chuẩn Châu Âu, Úc và Hoa Kỳ cho cột CFST tiết diện tròn và chữ nhật Các hệ số như giá trị trung bình   , hệ số biến thiên  CoV  cho mỗi tập hợp con được trình bày trong Bảng 4.3 Những tập hợp con được phân loại dựa trên giới hạn về độ mảnh tiết diện được quy định theo từng loại tiêu chuẩn và được trình bày trong Bảng 4.3 Có hai loại tập hợp con dùng để phân loại trong tiêu chuẩn EC 4 và AS

2327 (S-NLB – nằm trong giới hạn về độ mảnh; S-LB – vượt qua giá trị quy định trong tiêu chuẩn) Trong khi đó, tiêu chuẩn AISC 360-16 lại dùng bốn loại tập hợp con để phân loại độ mảnh của tiết diện: tiết diện chặt, tiết diện không chặt, tiết diện mảnh và tiết diện được phép sử dụng Nhìn chung, Việc dự đoán sức chịu tải đạt được từ EC 4 có độ mảnh tiết diện nằm trong giới hạn cho phép thì vẫn còn tương đối thận trọng hơn AS 2327 cho cả hai tiết diện, cụ thể giá trị trung bình    cho cả hai tiết diện sắp xỉ 1.1, nhưng tiêu chuẩn AS 2327 lại có kết quả tốt hơn và giá trị trung bình cho hai loại tiết diện nằm trong giới hạn độ mảnh sắp xỉ là 1.08 Bên cạnh đó, sự dự đoán sức chịu tải từ EC 4 về những mẫu nằm ngoài phạm vi có giá trị trung bình    là 0.998, cũng có thể nói rằng tiêu chuẩn Châu Âu có xu hướng đánh giá cao khả năng chịu lực của cột có độ mảnh tiết diện lớn Đây chính là điểm khác biệt của tiêu

53 chuẩn EC 4 vì đã bỏ qua ảnh hưởng mất ổn định cục bộ của cột CFST có tiết diện mảnh

Trái ngược lại với EC 4 và AS 2327, tiêu chuẩn AISC 360-16 lại rất cẩn thận trong việc dự đoán sức chịu tải cho những mẫu có tiết diện mảnh (tập hợp con S-S) hơn những tiết diện chặt và không chặt Điều này có thể là do những giả thiết thiên về độ an toàn cao của sức chịu tải tới hạn đối với những cột có độ mảnh và những định nghĩa về sức chịu tải tới hạn được lấy từ kết quả thực nghiệm Những giả thiết trong tiêu chuẩn Hòa kỳ về khả năng chịu lực của cột chịu nén đúng tâm với tiết diện mảnh được tính toán tại trạng thái mà ứng suất nén của bê tông đạt đến giá trị 70% giá trị lớn nhất của cường độ nén đặc trưng bê tông và tiết diện thép lấy bằng ứng suất phá hoại dẻo f cr

Ngoài ra giá trị tính toán hệ số tương quan Pearson r cũng cho thấy tỷ số a a test cal

N / N cột chịu nén đúng tâm của tiết diện chữ nhật, tiết diện tròn theo 3 tiêu chuẩn thì độ mảnh của tiết diện chữ nhật theo tiêu chuẩn AISC tương quan yếu, còn lại không có tương quan.

Cột chịu nén lệch tâm theo EC4, AISC 360-16, AS 2327

54 Bảng 4.3 Bảng so sánh kết quả tính toán theo tiêu chuẩn và kết quả thí nghiệm khả năng chịu nén lệch tâm của cấu kiện CFST

N a test/N a cal) CoV Dữ liệu n 

N a test/N a cal) CoV Tròn Tất cả 354 1.033 0.199 Tất cả 364 1.176 0.220 Tất cả 365 1.214 0.261

Chữ nhật Tất cả 490 1.058 0.195 Tất cả 490 1.024 0.218 Tất cả 490 1.225 0.215

4.5.1 So sánh kết quả tính toán khả năng chịu nén lệch tâm theo EC4, AISC 360-16, AS 2327

(a) Tiết diện tròn (b) Tiết diện tròn

(c) Tiết diện chữ nhật (d) Tiết diện chữ nhật

Hình 4.7 So sánh kết quả tính khả năng chịu nén lệch tâm theo các tiêu chuẩn

Hình 4.7 thể hiện kết quả so sánh của kết quả tính toán khả năng chịu lực của cột CFST mảnh được tính toán bằng công thức trong ba tiêu chuẩn Châu Âu, Úc và Hoa Kỳ với kết qảu thực nghiệm Có tổng cộng 844 mẫu chịu nén lệch tâm được thu thập từ những kết quả của những nghiên cứu trước đây, cơ sở dữ liệu bao gồm 354 cột CFST tiết diện tròn và 490 cột CFST tiết diện chữ nhật Những chỉ sổ như là giá trị trung bình    và hệ số biến thiên  CoV  cho tất cả các tập hợp con được thể

56 hiện trong Bảng 4.3 Có thể thấy rằng, tiêu chuẩn EC 4 đã đưa ra dự đoán khả năng chịu lực của cột CFST tương đối tốt cho cả hai loại tiết diện tròn và chữ nhật khi chịu nén lệch tâm, giá trị trung bình    cho từng loại tiết diện tròn và chữ nhật được cho lần lượt là 1.033 và 1.058, trong khi đó tiêu chuẩn AISC 360-16 là đưa ra kết quả tính toán khả năng chịu lực khá an toàn với giá trị trung bình lần lượt từng từng loại tiết diện tròn và chữ nhật là 1.214 và 1.225 Ngoài ra, tiêu chuẩn AS 2327 đưa ra dự đoán sức chịu tải cho cột CFST tiết diện chữ nhật tốt nhất và gần như là hội tụ với kết quả thí nghiệm khi có giá trị trung bình    là 1.024, nhưng việc dự đoán khả năng chịu lực đối với tiết diện tròn thì có phần thiên về độ an toàn hơn và kết quả    là 1.176

Không tương tự như cột CFST ngắn, dự đoán sức chịu tải cho cột CFST mảnh tiết diện chữ nhật trong tiêu chuẩn AS 2327 thì có kết quả chính xác hơn so với tiêu chuẩn EC4 Điều này có thể là do việc AS 2327 cho phép hai đường cong khác nhau

  f  1,  f  1  đối với cột CFST mảnh có và không có ảnh hưởng mất ổn định cục bộ, trong khi đó tiêu chuẩn EC 4 chỉ xem xét một đường cong đối với cột mảnh chịu ảnh hưởng mất ổn định cục bộ

Ngoài ra giá trị tính toán hệ số tương quan Pearson r cũng cho thấy tỷ số a a test cal

N / N khi tính toán cường độ chịu nén lệch tâm của tiết diện chữ nhật, tiết diện tròn theo 3 tiêu chuẩn thì cường độ chảy của thép ( f y ) tiết diện chữ nhật theo tiêu chuẩn AISC tương quan yếu, còn lại không có tương quan

4.5.2 Ảnh hưởng của thông số vật liệu đến kết quả tính toán khả năng chịu nén lệch tâm theo EC4, AISC 360-16, AS 2327

Hình 4.8 Tiết diện tròn - ảnh hưởng của f c ' , f y đến kết quả tính toán khả năng chịu nén lệch tâm theo các tiêu chuẩn

58 Hình 4.8 thể hiện ảnh hưởng của những thông số lên sức chịu tải của cột CFST mảnh tiết diện tròn Nhìn chung, việc mở rộng giới hạn thông số vật liệu được quy định trong ba tiêu chuẩn (M-O) dẫn đến việc dự đoán ít thận trọng hơn đối với cột tròn, nhưng nhiều hơn đối với cột chữ nhật Ví dụ,    lấy từ AS 2327 giảm từ 1.183 (M-I) còn 1.145 (M-O), trái lại với cột chữ nhật tăng từ 1.022 (M-I) lên 1.036 (M-O) Tuy nhiên, những cơ sở dữ liệu thí nghiệm về cột CFST tiết diện tròn và chữ nhật sử dụng vật liệu cường độ cao vẫn chưa có nhiều, vì thế nên khuyến khích thu thập các dữ liệu thí nghiệm liên quan đến vật liệu cường độ cao và siêu cao để có thê đánh giá chính xác hơn

Hình 4.9 Tiết diện tròn - ảnh hưởng của f c ' , f y đến kết quả tính toán khả năng chịu nén lệch tâm theo các tiêu chuẩn Ảnh hưởng của giới hạn chảy thép và cường độ chịu nén của bê tông lên việc tính toán khả năng chịu lực của cột CFST được thể hiện trong Hình 4.9 cho cột tròn chịu nén đúng tâm, kết quả được vẽ cho hai tập hợp con M-I và M-O ứng với những mẫu thí nghiệm thấp hơn và vượt quá giới hạn về cường độ vật liệu mà các tiêu chuẩn đã quy định Trong tất cả tiêu chuẩn Châu Âu, Úc và Hoa Kỳ điều cho kết quả tính toán rất tốt cho cả những tập hợp M-I và M-O, kết quả tính toán cho các giá trị trung bình   gần như tương đồng nhau và có giá trị sắp xỉ 1.1

4.5.3 Ảnh hưởng của độ mảnh tiết diện đến kết quả tính toán khả năng chịu nén lệch tâm theo EC4, AISC 360-16, AS 2327

60 (a) Tiết diện tròn (b) Tiết diện chữ nhật

(c) Tiết diện tròn (d) Tiết diện tròn

(e) Tiết diện tròn (f) Tiết diện tròn Hình 4.10 Ảnh hưởng của độ mảnh tiết diện đến kết quả tính toán khả năng chịu nén lệch tâm theo các tiêu chuẩn

61 Ảnh hưởng của tiết diện mảnh lên cách tính toán khả năng chịu lực trong các tiêu chuẩn được minh họa ở Hình 4.10 Giá trị trung bình    và hệ số biến thiên

 CoV  cho mỗi tập hợp con được cho trong Bảng 4.3 Có thể thấy được rằng, chỉ có vài mẫu cột được xếp vào tập hợp con S-LB (trong EC 4 và AS 2327) và tập hợp con S-S (trong AISC 360-16), hầu hết các mẫu này điều liên quan đến độ mảnh cấu kiện

1 Sự dự đoán trong ba tiêu chuẩn cho cấu kiện CFST với độ mảnh tiết diện con quá an toàn AS 2327 cho dự đoạn sát nhất với    là 1.004, trong khi đó dự đoán của AISC 360-16 cho kết quả thận trong nhất với    là 1.447 Tương tự như cột ngắn, tiêu chuẩn EC 4 dự đoán đối với vột mảnh cũng ít an toàn đối với những mẫu nằm ngoài giới hạn về độ mảnh (tập hợp con S-LB) Tuy nhiên, xu hướng này không đúng với AS 2327 và có thể thấy AS 2327 dự đoán thận trọng hơn cho cột mảnh vượt quá giới hạn tiết diện mảnh quy định do ảnh hưởng mất ổn định cục bộ được xem xét trong khả năng chịu lực tiết diện Điều này cũng nói lên rằng sự ảnh hưởng mất ổn định cục bộ trong cột mảnh thì không đáng kể hơn cột ngắn Điều này được kỳ vọng là bởi vì dạng mất ổn định điển hình của cột mảnh là do mất ổn định tổng thể hoặc kết hợp giữa mất ổn định cục bộ và tổng thể Tương tự như AS 2327, dự đoán từ tiêu chuẩn AISC 360-16 đối với tiết diện mảnh (tập hợp con S-S) thì thận trọng hơn nhiều so với tiết diện chặt (tập hợp con S-CP) và tiết diện không chặt (tập hợp con S-NCP) được thể hiện trong Bảng 4.3 Tuy nhiên, việc này chỉ quan sát được dựa trên một số ít mẫu đã được thí nghiệm

Ngoài ra giá trị tính toán hệ số tương quan Pearson (r) cũng cho thấy tỷ số a a test cal

N / N cột chịu nén lệch tâm của tiết diện chữ nhật, tiết diện tròn theo 3 tiêu chuẩn thì độ mảnh của tiết diện chữ nhật theo tiêu chuẩn AISC tương quan yếu, còn lại không có tương quan.

Nhận xét và đánh giá về các tiêu chuẩn

Nhìn chung tất cả các tiêu chuẩn điều đưa ra được các công thức tính toán sức chịu tải của cột CFST chịu nén lệch tâm tương đối chính xác, nhưng tiêu chuẩn Hoa

Kỳ AISC 360 – 16 vẫn còn quá thận trọng khi tính toán khả năng nén đúng tâm so

62 với hai tiêu chuẩn còn lại Điều này là bởi vì AISC 360 – 16 chỉ lấy giá trị tính toán khả năng chụ lực của cột CFST đạt đến 0.8 f ' c cho cột tiết diện chữ nhật và 0.95f ' c cho cột tiết diện tròn Trong khi đó, tiêu chuẩn Châu Âu và tiêu chuẩn Úc đã xét đến sự ảnh hưởng nở hông của cột CFST do đó khi tính toán khả năng chịu nén mà áp dụng những công thức được trình bày trong hai tiêu chuẩn này thì có thể đánh giá tương đối chính xác sức chịu tải của cột CFST

Việc dự đoán sức chịu tải cho cột CFST mà nằm trong giới hạn (M-I) của những tiêu chuẩn đưa ra thì tương đối chính xác và gần như sắp xỉ giá trị của kết quả thí nghiệm được đưa ra từ những nghiên cứu trước đây Tuy nhiên, tiêu chuẩn AISC 360

– 16 vẫn còn đánh giá thấp khả năng chịu nén của cột CFST khi đưa ra công thức tính toán sức chịu tải vẫn còn tương đối cao so với kết quả thực nghiệm Ngược lại hoàn toàn với tiêu chuẩn Hoa Kỳ, tiêu chuẩn Úc lại đạt được dự đoán sức chịu tải gần như chính xác so với kết quả thu được từ thực nghiệm Mặt khác, giới hạn về thông số vật liệu của AS 2327 vẫn có phần vượt trội hơn hai tiêu chuẩn còn lại khi có giới hạn chảy thép đạt giá trị 690 MPa và cường độ chịu nén đặc trưng bê tông lên đến 100

MPa Ngoài ra, đặc tính giòn của vật liệu cường độ cao là nguyên nhân chính làm cho hiệu ứng nở hông và sự liên kế giữa ống thép và lõi bê tông giảm xuống một cách đáng kể Chính vì thế, cần xem xét một cách cẩn thận khi tính toán sức chịu tải của cột CFST khi dùng vật liệu cường độ cao hoặc cường độ siêu cao

Khi tính toán khả năng chịu nén của cột CFST mà xét đến độ mảnh thì tiêu chuẩn AS 2327 đưa ra dự đoán tương đối tốt hơn so với hai tiêu chuẩn còn lại Điều này có thể là do tiêu chuẩn EC 4 đã không xét đến ảnh hưởng cục bộ của cột CFST với tiết diện mảnh Trong khi đó, tiêu chuẩn AISC 360 – 16 lại đưa ra giả thiết ứng suất bê tông đạt đến 0.7 f ' c và lấy giá trị bằng ứng suất phá hoại dẻo f cr

MÔ PHỎNG SỐ - ABAQUS

Cách thức mô phỏng- Abaqus

Phần mềm mô phỏng Abaqus [4] được xây dựng trên cơ sở lý thuyết phần tử hữu hạn với nhiều tính năng vượt trội về việc phân tích phi tuyến kết cấu, bao gồm cả phân tích phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học, mô hình được xây dựng trên cơ sở thành lập hệ trục tọa độ, khai báo định nghĩa tiết diện, mô hình vật liệu, các ràng buộc điều kiện biên động học, và cách chia nhỏ các phần tử Qua tìm hiểu của tác giả qua các bài báo quốc tế được công bố thì kết quả mô phỏng bằng phần mềm Abaqus cho kết quả tốt với các thí nghiệm được tiến hành

Trong phần này sẽ trình bày mô hình mô phỏng của thí nghiệm về cột ống thép nhồi bê tông chịu nén lệch tâm Qua đó so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thí nghiệm để làm rõ độ tin cậy của mô hình số

5.1.1 Kích thước hình học và các loại phần tử

Kích thước mẫu của thí nghiệm cột CFST chịu nén lệch tâm được mô hình chuẩn xác trong báo cáo dữ liệu đã thí nghiệm được trình bày ở Bảng 5.1

Phần tử lõi bê tông được mô hình hóa bằng cách sử dụng phần tử khối (Solid) ba chiều, tám nút, C3D8R trong Abaqus, còn đối với ống thép có cấu trúc mỏng được mô hình hóa bằng phần tử (Shell)

64 Bảng 5.1 Bảng thông số kích thước các mẫu thực nghiệm

Tài liệu tham khảo Tên mẫu b

[6] SC50-150-0.2 150 150 8.28 1180 488.4 553.0 32.93 13.00 [6] SC40-150-0.4 150 150 8.28 1180 488.4 553.0 32.93 31.50 [6] SC40-180-0.4 120 180 8.28 1180 488.4 553.0 32.93 37.00 [6] SC50-200-0.4 100 200 8.28 1180 488.4 553.0 44.91 41.50 [5] E01 150 150 4.18 870.00 550.00 608.00 60.26 30.00 [5] E02 150 150 4.18 870.00 550.00 608.00 71.45 30.00 [5] E05 120 180 4.18 1040.00 550.00 608.00 60.26 30.00 [5] E10 100 200 4.18 1150.00 550.00 608.00 71.45 40.00 [7] EC-25-70 130 130 5.00 500.00 1030.60 1075.60 75.60 32.50 [7] EC-25-100 130 130 5.00 500.00 1030.60 1075.60 125.40 32.50 [7] EC-50-100 130 130 5.00 500.00 1030.60 1075.60 125.40 65.00 [8] E3 300 300 5.00 1720.00 301.00 466.00 70.50 40.00

Phần tương tác giữa ống thép và lõi bê tông được mô phỏng bằng thuật toán tương tác trong Abaqus, trong đó sử dụng tương tác “Hard Contact” Tương tác “Hard Contact” khi hai loại phần tử có vật liệu khác nhau, và các mặt của phần tử này tiếp xúc với các mặt của phần tử còn lại thì sẽ xuất hiện sự tương tác của các mặt tiếp xúc

Sự tương tác này trong Abaqus thể hiện thông qua “Hard Contact” Có thể coi 1 trong

2 mặt là đóng vai trò là mặt phụ “Slave Surface” và mặt còn lại đóng vai trò là mặt chính “Master surface” Sự tương tác này có thể chia thành 2 thành phần là tương tác theo phương tiếp tuyến và tương tác theo phương pháp tuyến Theo phương tiếp tuyến sự tương tác giữa 2 mặt thông qua hệ số ma sát giữa các loại vật liệu Theo phương pháp tuyến được thể hiện thông qua độ cứng của vật liệu mặt tiếp xúc chính “Master surface” độ cứng theo phương pháp tuyến được xác định dựa vào thông số vật liệu của mặt “Master surface” trong luận văn tương tác “Hard contact” được sử dụng để mô phỏng sự tương tác giữa các mặt của ông thép với lõi bê tông Hệ số ma sát trong

65 tương tác “Hard contact” được lấy giá trị là  = 0.3, giá trị của hệ số ma sát không ảnh hưởng đến kết quả, nhưng ảnh hưởng đến bài toán hội tụ

5.1.3 Mô phỏng điều kiện biên

Tại chân cột ứng với điểm RP-2 được gán U1=U2=U3=0

Tại đầu cột ứng với điểm RP-1 được gán U1=U3=0 Điều kiện biên được thể ở Hình 5:1

Hình 5.1 Mô hình áp điều kiện biên trong Abaqus

Tải trọng được mô phỏng bằng một chuyển vị đứng dọc trục được gán vào vị trí tương ứng thông qua một điểm liên kết “Reference point” Điểm này được gán với bề mặt tiếp xúc với kích thủy lực thông qua liên kết “Rigid Body” Trong các cách

66 thức mô phỏng nói chung cho lực tập trung, cách gán chuyển vị được sử dụng rộng rãi hơn là phương thức gán tải trọng vì nó cho kết quả ổn định hơn trong quá trình tính toán Tải trọng tác dụng đầu cột được xét trong một bước tải (Step)

Chia lưới là một bước cơ bản và quan trọng trong phân tích FEA để đảm bảo mô hình hóa chính xác và hiệu quả hành vi của cấu kiện dưới các điều kiện làm việc khác nhau được minh họa ở Hình 5.2 Mục đích chia lưới để đảm bảo độ chính xác của mô phỏng, lưới cảng nhỏ thì mô hình càng chính xác, nhưng cũng tăng thời gian tính toán Tối ưu hóa hiệu quả tính toán, chọn kích thước lưới hợp lý giúp cân bằng giữa độ chính xác và hiệu quả tính toán

- Đối tượng ống thép có kích thước 20mm

- Đối tượng lõi bê tông có kích thước 35mm

Vỏ thép Lõi bê tông

Hình 5.2 Mô hình chia lưới

5.1.6 Các thông số mô hình vật liệu bê tông và ống thép

* Mô hình phá hoại dẻo (Concrete Damage Plasticity (CDP)) của bê tông trong Abaqus [4]

Biến dạng toàn phần có thể chia thành 2 phần như sau

Trong đó  là biến dạng toàn phần,  el là biến dạng đàn hồi ,  pl biến dạng dẻo

Trong mô hình CDP sự suy giảm độ cứng được mô hình bằng cách xác định quan hệ giữa ứng suất hữu hiệu và biến dạng Mô hình ứng suất-biến dạng trong mô hình CDP dựa trên mô hình đơn giản cung cấp ràng buộc giữa phá hoại và độ dẻo bằng cách sử dụng phá hoại vô hướng và ứng suất có hiệu

 là tenxơ ứng suất Cauchy el

D 0 là độ cứng ban đầu (không phá hoại) của vật liệu

 và  pl là tổng biến dạng và biến dạng dẻo d là biến phá hoại vô hướng, có thể có các giá trị trong phạm vi từ 0 (vật liệu không bị phá hoại) đến 1 (vật liệu bị phá hoại hoàn toàn) el el

D ( 1d )D 0 là độ cứng đàn hồi có xét đến phá hoại

Theo khái niệm ứng suất hữu hiệu, hàm chảy dẻo được xây dựng dưới dạng ứng suất hữu hiệu  D : ( 0 el   pl ) Trong công thức trên, cần phải đề xuất sự phát triển của hệ số phá hoại d d d( , pl ) (5.3)

Hệ số phá hoại d được xác định bởi dựa trên tenxơ hữu hiệu  và  pl

68 Trong mô hình CDP, sự suy giảm độ cứng ban đầu của bê tông D el là đẳng hướng và được xác định bởi hệ số suy giảm dr c trong vùng nén và dt trong vùng kéo

Hình 5.3 Quan hệ ứng suất-biến dạng nén của bê tông [4]

Trong Hình 5.3 , các thành phần biến dạng được định nghĩa như sau Đối với biến dạng dẻo và biến dạng không đàn hồi c pl c in c c c 0 d ( 1 d ) E

Trong đó  0 c el  c / E 0 là biến dạng đàn hồi tương ứng với vật liệu không bị phá hoại và  c là tổng biến dạng Trong trường hợp ứng xử đơn trục, thông số phá hoại được xác định trong Abaqus là pl t c d 

Các trạng phá hoại do kéo và nén được đặc trưng độc lập bởi hai biến cứng,  t pl và  c pl , tương ứng được gọi là các biến dạng dẻo tương đương do kéo và nén

Sự phát triển của các biến cứng được đưa ra bởi biểu thức sau

So sánh kết quả giữa mô phỏng số và thực nghiệm

Các mẫu thí nghiệm được trình bày ở Bảng 5.2 điều chịu tải trọng nén lệch tâm Bảng 5.2 Bảng so sánh kết quả giữa mô phỏng ABAQUS và thực nghiệm

Hình 5.6 Quan hệ giữa lực dọc và chuyển vị (mẫu SC50-150-0.2)

Hình 5.6 thể hiện quan hệ giữa lực dọc và chuyển vị mẫu cột SC50-150-0.2 tiết diện vuông có cạnh ngắn (B) là 150mm, cạnh dài (H) là 150mm chiều dài tính toán (L o ) là 1180mm, chiều dày (t) là 8.28 mm, độ lệch tâm (e t ) là 13.0 mm, ống thép có giới hạn chảy (f y ) là 488.4 Mpa và cường độ bê tông (f’ c ) được sử dụng là 32.93 Mpa

Kết quả được trình bày ở Bảng 5.2 cho ta thấy kết quả mẫu cột SC50-150-0.2 được thực nghiệm bởi bởi Y Du và cộng sự [6] lực dọc cực hạn là 2450 kN, so với kết quả mô phỏng Abaqus là 2565 kN chênh lệch khoảng 4.5%, độ chính xác kết quả này là đáng tin cậy Hình 5.6 cho thấy kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm có sai

76 khác nhiều Kết quả mô phỏng cho thấy độ cứng và khả năng chịu tải lớn hơn so với thực nghiệm, nguyên nhân do các giả định và đơn giản hóa trong mô hình FEM có thể dẫn đến sự khác biệt với thực tế

Hình 5.7 thể hiện quan hệ giữa lực dọc và chuyển vị mẫu cột SC40-150-0.4 tiết diện vuông có cạnh ngắn (B) là 150mm, cạnh dài (H) là 150mm, chiều dài tính toán (L o ) là 1180mm, chiều dày (t) là 8.28 mm, độ lệch tâm (e t ) là 31.5 mm, ống thép có giới hạn chảy (f y ) là 488.4 Mpa và cường độ bê tông (f’ c ) được sử dụng là 32.93 Mpa

Kết quả được trình bày ở Bảng 5.2 cho ta thấy kết quả mẫu cột SC40-150-0.4 được thực nghiệm bởi bởi Y Du và cộng sự [6] lực dọc cực hạn là 2042 kN, so với kết quả mô phỏng Abaqus là 1994 kN chênh lệch khoảng 2.4%, độ chính xác kết quả này là đáng tin cậy Hình 5.7 cho thấy kết quả giữa mô phỏng và thực nghiệm có sai khác nhiều Kết quả mô phỏng cho thấy độ cứng và khả năng chịu tải lớn hơn so với

77 thực nghiệm, nguyên nhân do các giả định và đơn giản hóa trong mô hình FEM có thể dẫn đến sự khác biệt với thực tế

Hình 5.8 thể hiện quan hệ giữa lực dọc và chuyển vị mẫu cột SC40-180-0.4 tiết diện chữ nhật có cạnh ngắn (B) là 120mm, cạnh dài (H) là 180mm, chiều dài tính toán (L o ) là 1180mm, chiều dày (t) là 8.28 mm, độ lệch tâm (e t ) là 37.0 mm, ống thép có giới hạn chảy (f y ) là 488.4 Mpa và cường độ bê tông (f’ c ) được sử dụng là 32.93 Mpa

Kết quả được trình bày ở Bảng 5.2 cho ta thấy kết quả mẫu cột SC40-180-0.4 được thực nghiệm bởi bởi Y Du và cộng sự [6] lực dọc cực hạn là 2150 kN, so với kết quả mô phỏng Abaqus là 2016 kN chênh lệch khoảng 6.6%.Hình 5.8 ta thấy kết quả quan hệ lực dọc và chuyển vị giữa thực nghiệm và kết quả mô phỏng Abaqus là gần như giống nhau

78 Hình 5.9 Quan hệ giữa lực dọc và chuyển vị (mẫu SC50-200-0.4)

Hình 5.9 thể hiện quan hệ giữa lực dọc và chuyển vị mẫu cột SC50-200-0.4 tiết diện chữ nhật có cạnh ngắn (B) là 100 mm, cạnh dài (H) là 200 mm, chiều dài tính toán (L o ) là 1180 mm, chiều dày (t) là 8.28 mm, độ lệch tâm (e t ) là 41.5 mm, ống thép có giới hạn chảy (f y ) là 488.4Mpa và cường độ bê tông (f’ c ) được sử dụng là 44.91Mpa

Kết quả được trình bày ở Bảng 5.2 cho ta thấy kết quả mẫu cột SC50-200-0.4 được thực nghiệm bởi bởi Y Du và cộng sự [6] lực dọc cực hạn là 2100 kN, so với kết quả mô phỏng Abaqus là 1906 kN chênh lệch khoảng 10.2% Hình 5.9 ta thấy kết quả quan hệ lực dọc và chuyển vị giữa thực nghiệm và kết quả mô phỏng Abaqus là gần như giống nhau

79 Hình 5.10 Quan hệ giữa lực dọc và chuyển vị (mẫu E01)

Hình 5.10 thể hiện quan hệ giữa lực dọc và chuyển vị mẫu cột E01 tiết diện vuông có cạnh ngắn (B) là 150 mm, cạnh dài (H) là 150 mm, chiều dài tính toán (L o ) là 870 mm, chiều dày (t) là 4.18 mm, độ lệch tâm (e t ) là 30.0 mm, ống thép có giới hạn chảy (f y ) là 550.0 Mpa và cường độ bê tông (f’ c ) được sử dụng là 60.26 Mpa

Kết quả được trình bày ở Bảng 5.2 cho ta thấy kết quả mẫu cột E01 được thực nghiệm bởi bởi D Liu và cộng sự [5] lực dọc cực hạn là 1678 kN, so với kết quả mô phỏng Abaqus là 1709 kN chênh lệch khoảng 1.8% độ chính xác kết quả này là đáng tin cậy Hình 5.10 ta thấy kết quả quan hệ lực dọc và chuyển vị giữa thực nghiệm và kết quả mô phỏng Abaqus là gần như giống nhau

Hình 5.11 hể hiện quan hệ giữa lực dọc và chuyển vị mẫu cột E02 tiết diện vuông có cạnh ngắn (B) là 150 mm, cạnh dài (H) là 150 mm, chiều dài tính toán (L o ) là 870 mm, chiều dày (t) là 4.18 mm, độ lệch tâm (e t ) là 30.0 mm, ống thép có giới hạn chảy (f y ) là 550.0 Mpa và cường độ bê tông (f’ c ) được sử dụng là 71.45 Mpa

Kết quả được trình bày ở Bảng 5.2 cho ta thấy kết quả mẫu cột E02 được thực nghiệm bởi bởi D Liu và cộng sự [5] lực dọc cực hạn là 1850 kN, so với kết quả mô phỏng Abaqus là 1823 kN chênh lệch khoảng 1.5% độ chính xác kết quả này là đáng tin cậy Hình 5.11 ta thấy kết quả quan hệ lực dọc và chuyển vị giữa thực nghiệm và kết quả mô phỏng Abaqus là gần như giống nhau

Hình 5.12 thể hiện quan hệ giữa lực dọc và chuyển vị mẫu cột E05 tiết diện chữ nhật có cạnh ngắn (B) là 120 mm, cạnh dài (H) là 180 mm, chiều dài tính toán (L o ) là

1040 mm, chiều dày (t) là 4.18 mm, độ lệch tâm (e t ) là 30.0 mm, ống thép có giới hạn chảy (f y ) là 550.0 Mpa và cường độ bê tông (f’ c ) được sử dụng là 60.26 Mpa

Kết quả được trình bày ở Bảng 5.2 cho ta thấy kết quả mẫu cột E05 được thực nghiệm bởi bởi D Liu và cộng sự [5] lực dọc cực hạn là 1950 kN, so với kết quả mô phỏng Abaqus là 1745 kN chênh lệch khoảng 11.7%

Hình 5.12 ta thấy kết quả quan hệ lực dọc và chuyển vị giữa thực nghiệm và kết quả mô phỏng Abaqus là gần như giống nhau

Tiêu đề	Phân tích và mô phỏng cột ống thép nhồi bê tông chịu nén lệch tâm
Tác giả	Đinh Tấn Được
Người hướng dẫn	TS. Thái Sơn
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ thuật xây dựng
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2024
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	112
Dung lượng	3,02 MB