Vấn đề dính bám giữa thép vμ bê tông, biến dạng ngang của bê tông khi chịu nén, ổn định tổng thể vμ cục bộ của ống thép nhồi bê tông ThS.. Ngô thanh thuỷ Bộ môn Cầu hầm Liên Bộ môn công
Trang 1Vấn đề dính bám giữa thép vμ bê tông, biến dạng ngang của bê tông khi chịu nén,
ổn định tổng thể vμ cục bộ của ống thép nhồi bê tông
ThS Ngô thanh thuỷ
Bộ môn Cầu hầm Liên Bộ môn công trình – Cơ sở II Trường Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Khả năng chịu lực của ống thép nhồi bê tông phụ thuộc rất nhiều yếu tố, trong
đó dính bám giữa ống thép vμ lõi bê tông, ống thép ngăn chặn biến dạng ngang của bê tông khi
chịu nén vμ ổn định cục bộ của ống thép lμ những đặc trưng riêng biệt của loại vật liệu nμy
Gần đây, có nhiều nghiên cứu về vấn đề dính bám vμ biến dạng ngang của bê tông, tuy nhiên
các kết quả nghiên cứu còn phân tán, chưa thống nhất được mức độ ảnh hưởng của những yếu
tố nμy tới khả năng chịu lực Do đó, hầu hết các quy trình về ống thép nhồi bê tông đều quy
định dùng những giá trị cận dưới an toμn hoặc bỏ qua ảnh hưởng tích cực của những hiện tượng
nμy Đặc biệt, vấn đề ổn định cục bộ của ống thép cho tới nay vẫn chưa có những nghiên cứu
thoả đáng Các quy trình như AISC 2005 (Mỹ) hay AJC (Nhật) đều quy định giá trị giới hạn cho
tỷ số D/t, nhằm mục đích đạt được cường độ giới hạn trước khi xảy ra mất ổn định cục bộ, điều
nμy gây lãng phí vật liệu thép, đặc biệt lμ với ống thép có đường kính D lớn
Như vậy cần có thêm những nghiên cứu về vấn đề nμy, nhằm tiết kiệm vật liệu thép đồng
thời nâng cao tính kinh tế vμ mở rộng phạm vi ứng dụng của loại vật liệu nμy trong xây dựng
Summary: Loading capacity of Concrete Filled Steel Tubes (CFTs) depends on many
parameters, of which bond, confinement, and local buckling are important chareteristics Many
researches recently focus on bond and confinement; however, there is great difference in
these results Thus, many Codes for CFTs require the use of the lower bound values or neglect
the good effects of these factors Meanwhile, local buckling of steel tubes are not fully
understood CFTs Codes, such as AISC 2005 (USA) and AJC (Japan), limit the value of D/t in
order to reach the design strength before local buckling This leads to waste of steel, especially
large value of D being used Further studies on these issues are needed to provide economic
way of using steel material as well as promote the use of CFTs in the field of construction
CBA
i giới thiệu chung
Trong hai thập kỷ trở lại đây, ống thép
nhồi bê tông được ứng dụng rộng rãi trong xây
dựng, đặc biệt là nhà cửa, tại các nước như
Mỹ, Nhật, Trung Quốc Loại vật liệu này có ưu
điểm lớn là phát huy được ưu điểm của cả
thép và bê tông Thép phát huy được khả
năng chịu uốn cắt, xoắn và cả chịu nén; bê tông phát huy được khả năng chịu nén Đồng thời, sự tương tác giữa hai vật liệu cũng nâng cao khả năng chịu lực của loại vật liệu này
Lõi bê tông hạn chế mất ổn định cục bộ của
Trang 2ống thép; trong khi đó ống thép hạn chế biến
dạng ngang của bê tông, làm tăng cường độ
chịu nén và độ dẻo của bê tông, ống thép
nhồi bê tông thể hiện tính dẻo rất tốt, do đó rất
thích hợp với kết cấu chịu tải trọng động đất
Khả năng chịu lực của ống thép nhồi bê tông không những phụ thuộc vào đặc trưng
hình học, cường độ vật liệu và ổn định tổng
thể mà còn phụ thuộc dính bám giữa thép và
bê tông, sự hạn chế biến dạng ngang của ống
thép đối với bê tông khi chịu nén và ổn định
cục bộ của ống thép
ii vấn đề dính bám giữa thép vμ
bê tông
- Quan hệ giữa dính bám và trượt dưới tác dụng của tải trọng trùng phục đi theo một
đường cong tương tự như quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của thép
CBA
Dính bám giữa ống thép và lõi bê tông là một vấn đề quan trọng, ảnh hưởng lớn đến
đặc tính chịu lực của loại vật liệu này Tuy
nhiên, cho đến nay vẫn chưa có bằng chứng
khoa học xác đáng về ảnh hưởng của dính
bám đến khả năng chịu lực của ống thép nhồi
bê tông
Theo nghiên cứu của Okamoto và Maeno (1988) thì dính bám không có ảnh hưởng đáng
kể đến khả năng chịu uốn của cột ống thép
nhồi bê tông Tuy nhiên người ta vẫn nghi ngờ
về mức độ chính xác của kết luận này với lý
do số lượng mẫu thí nghiệm của nghiên cứu
này chưa đủ lớn Trong khi đó, Itoh và
Matsamura (1991) cho rằng khả năng chịu
uốn tăng lên khi dính bám giữa thép và bê
tông tăng lên Theo Sam, Qie vààRizkalla
(2004), tính dẻo của cột tăng lên khi cường độ
dính bám tăng lên Cường độ dính bám của
ống thép tròn lớn hơn hình chữ nhật và giảm
đi khi D/t tăng (Roeder, 1998)
Một nghiên cứu khác của Shakir – Khalil (1993) tập trung vào vấn đề tính toán lực dính
bám và cường độ neo đã đưa tới một số kết luận như sau:
- Bình quân cường độ dính bám của thép
và bê tông là 0.8 N/mm2; lớn hơn nhiều so với quy trình Anh (British Standards, 1979), giá trị này là 0.4 N/mm2
- Với những mẫu có dùng neo chống cắt,
đường cong phá hoại hầu như không có sự khác biệt giữa tăng tải liên tục và tăng tải theo từng cấp
Chiều dài phân bố
≤ 3.5D
Chiều dài phân bố
≤ 0.5D
a Trạng thái cân b Trạng thái trước bằng giới hạn giới hạn
Hình 1 Sự phân bố ứng suất dính bám
Một nghiên cứu khác của giáo sư Roeder
và cộng sự đưa đến một số kết luận như sau:
- ở trạng thái giới hạn, ứng suất dính bám
f2δ phân bố đều xung quanh đường kính và dọc theo chiều dài 3.5 D:
f2δ = 2.109 - 0.026(D/t) (1)
- ở trạng thái chịu tải trước TTGH, ứng suất dính bám phân bố theo hình tam giác dọc theo chiều dài 0.5D
- Lực dọc trục được chuyển từ thép qua
Trang 3bê tông và ngược lại thông qua ứng suất dính
bám hoặc neo chống cắt
- Co ngót của bê tông là một yếu tố rất
bất lợi cho ứng suất dính bám
Như vậy, qua các nghiên cứu đã có, có
thể khẳng định rằng dính bám có ảnh hưởng
đến khả năng chịu tải cũng như tính dẻo của
ống thép nhồi bê tông Tuy nhiên các nghiên
cứu này chưa thống nhất được với nhau về
cường độ và sự phân bố lực dính bám khi
truyền lực cũng như mức độ ảnh hưởng của
nó đến khả năng chịu tải Do đó các quy trình
chỉ đưa ra giá trị an toàn ở cận dưới cho cường
độ dính bám khi tính toán sự truyền lực giữa
thép và bê tông; còn khi tính toán khả năng
chịu tải thì chưa xét tới dính bám
CBA
Quy trình AISC của Mỹ đề nghị dùng
cường độ dính bám 0.6MPa Sự truyền tải
trọng từ bê tông sang thép hoặc ngược lại,
nếu không dùng neo thì chỉ thông qua chiều
dài dính bám bằng 2D (một chiều D trên điểm
truyền lực và một chiều dài D dưới điểm
truyền lực) Mặt khác cũng chưa có bằng
chứng khoa học về sự trượt giữa thép và bê
tông Do đó, AISC chỉ cho phép tính toán sự
truyền trải trọng dựa vào dính bám hoặc neo
mà không xét đồng thời
biến dạng ngang của bê tông
ống thép ngăn chặn biến dạng ngang
của bê tông làm tăng cường độ chịu nén, f’cc
và độ dẻo của bê tông Cường độ chịu nén f’cc
phụ thuộc vào hình dạng của mặt cắt tròn hay
chữ nhật, cường độ của bê tông, độ mảnh của
thanh, tỷ số D/t và tình trạng chịu tải trọng của
thanh (nén thuần tuý, uốn thuần tuý hay nén –
uốn) Theo nghiên cứu của Furlong (1967),
Schneider (1998) và nhiều nghiên cứu khác, ứng suất nén ngang trong bê tông giảm nếu dùng ống thép có mặt cắt chữ nhật (so với mặt cắt tròn); giảm nếu dùng bê tông cường
độ cao; giảm nếu độ mảnh của cột tăng và cả
trường hợp ống thép nhồi bê tông chịu uốn thuần tuý Shams và Saadeghvaziri (1999) kết luận rằng ƒ’cc giảm khi tỷ số D/t tăng
σ
ε
σ
b a
ε
a Bê tông không bị hạn chế biến dạng ngang
b Bê tông bị hạn chế biến dạng ngang (lõi bê tông trong ống thép)
Hình 2 Quan hệ giữa ứng suất vμ biến dạng
của bê tông
Nhóm nghiên cứu của Richard (1928) đề nghị dùng ứng suất nén lớn nhất cho bê tông, ƒ’cc, theo công thức:
ƒ’cc = ƒ’c (1 + 4.1p/ ƒ’c) (2) Năm 1972, Newmand đề nghị một công thức phi tuyến:
ƒ’cc = ƒ’c [1 + 3.7(p/ ƒ’c)0.86] (3) Gần đây hơn, Shams và Saadeghvaziri (1999) đưa ra công thức tính ứng suất nén lớn nhất cho bê tông, f’cc như sau:
ƒ’cc = ƒ’c {1 + A/[1+(D/tB)α]} (4) trong đó:
Trang 4p - ứng suất nén ngang trong bê tông ƒ’c - cường độ chịu nén của bê tông
D - đường kính ống thép
t - chiều dày ống thép
α - hệ số hình dạng
A, B - hệ số phụ thuộc f’c Trong ba công thức (2), (3) và (4) thì
công thức (4) tiến bộ nhất Trong khi công
thức (2) và (3) chỉ xét tới cường độ bê tông ƒ’c
và ứng suất nén ngang (p) thì công thức (4)
không chỉ xét đến cường độ bê tông f’c mà còn
xét đến hình dạng mặt cắt ngang và tỷ số D/t
ở giai đoạn đầu chịu tải, do hệ số nở hông của thép (khoảng 0.3) lớn hơn hệ số nở
hông của bê tông (khoảng 0.15 - 0.20) nên
ứng suất nén ngang trong bê tông là đáng kể
và làm tăng cường độ chịu nén của bê tông
Quy trình AISC của Mỹ cho phép xét đến hiệu
ứng này đối với ống thép tròn nhồi bê tông
bằng cách dùng cường độ chịu nén của bê
tông là 0.95ƒ’c, thay vì 0.85ƒ’c; còn đối với ống
thép chữ nhật nhồi bê tông thì không xét đến
hiệu ứng này
CBA
iv Vấn đề mất ổn định tổng thể vμ
cục bộ của ống thép
ổn định tổng thể của thanh chịu nén ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực của
thanh Đối với ống thép nhồi bê tông, hiệu ứng
này được xét thông qua:
Pe, Pe = π2(EIeff)/(KL)2 (5) trong đó:
EIeff = EsIs + EsIsr + C3EcIc (6)
C3 = 0.6 + 2As/(As+Ac) < 0.9 (7) Với:
Ec - mô đun đàn hồi của bê tông
Es - mô đun đàn hồi của thép
Ic - mô men quán tính của mặt cắt ngang
bê tông
Is - mô men quán tính của mặt cắt ngang ống thép
Isr - mô men quán tính của các thanh thép
K - hệ số chiều dài có hiệu
L - chiều dài tự do của thanh
Như vậy, độ cứng có hiệu EJeff, được dùng để tính độ cứng chịu nén của ống thép nhồi bê tông Độ cứng này bao gồm độ cứng của ống thép, thanh thép, lõi bê tông và sự tương tác giữa hai vật liệu
Đối với ổn định cục bộ của ống thép, cho tới nay vẫn chưa có những nghiên cứu đầy đủ
về những ảnh hưởng của nó tới khả năng chịu nén và uốn của ống thép nhồi bê tông Do đó, hiện nay các quy trình dùng các quy định ràng buộc về thành phần % thép trong mặt cắt và
tỷ lệ D/t (hoặc b/t) để đảm bảo đạt cường độ tính toán trước khi xuất hiện mất ổn định cục
bộ Quy trình AISC quy định:
- Hàm lượng thép trong mặt cắt không
được ít hơn 1%
- Với mặt cắt chữ nhật:
b/t < 2.26(E/Fy)0.5; tỷ số b/t lớn hơn chỉ được dùng khi thông qua thí nghiệm và phân tích
Trang 5- Với mặt cắt tròn:
D/t < 0.15(E/Fy); tỷ số b/t lớn hơn chỉ
được dùng khi thông qua thí nghiệm và phân
tích
- Với mặt cắt tròn, thép có E = 210GPa,
F
CBA
Như vậy, qua các kết quả nghiên cứu
cũng như các ứng dụng cụ thể trong các công
trình xây dựng tại các nước Mỹ, Nhật và Trung
Quốc, ống thép nhồi bê tông đã tỏ rõ ưu thế
về khả năng chịu tải trọng lớn và tính dẻo dai,
đây là những đặc điểm quan trọng cho vật liệu
của các công trình chịu tải trọng động đất và
gió Mặt khác tính kinh tế cũng là một đặc
điểm quan trọng thúc đẩy nhanh quá trình ứng
dụng loại vật liệu này trong xây dựng Tuy
nhiên, cho tới nay chưa có các nghiên cứu đầy
đủ về vấn đề dính bám giữa thép và bê tông,
vấn đề ống thép ngăn chặn biến dạng ngang
của bê tông, đặc biệt là vấn đề mất ổn định
cục bộ của ống thép Đối với ống thép nhồi bê
tông có đường kính lớn, nếu tuân theo những
hạn chế của quy trình sẽ dẫn tới lãng phí vật liệu thép Mong rằng trong tương lai sẽ có những nghiên cứu đầy đủ về các hiện tượng này để ống thép nhồi bê tông được áp dụng rộng rãi trong công trình cầu; góp phần nâng cao độ tin cậy của công trình và tiết kiệm chi phí xây dựng
y = 420MPa thì D/t < 75
Trong thực tế tại Mỹ, tỷ số D/t thường
dùng khoảng 100 Như vậy, do chưa có
nghiên cứu đầy đủ nên quy trình quy định
thiên về an toàn Điều này gây ra lãng phí vật
liệu thép và lãng phí kinh phí thí nghiệm khi
dùng tỷ số D/t vượt giới hạn cho phép
Có thể nói, vấn đề ổn định cục bộ của
ống thép đang rất cần những nghiên cứu mới
để cung cấp một phương pháp hiệu quả,
chính xác và đơn giản để ứng dụng vào thiết
kế, đồng thời làm nổi bật các ưu điểm về kinh
tế cũng như góp phần phổ biến sử dụng loại
vật liệu này
v Kết luận
Tài liệu tham khảo [1] American Institude of Steel construction,
Specification for Structural Steel Buildings, 2005
[2] Aval et al, Comprehensive Composite Inelastic
Fiber Element for Cyclic Analysis of Concrete Filled Steel Tube Columns, Journal of Engineering
Mechanics, 2002
[3] Caner et al, Lateral Confinement Needed to
Suppress Softening of Concrete in Compression,
Journal of Engineering Mechanics, 2002
[4] Fam et al, Concrete Filled Steel Tubes
Subjected to Axial Compression and Lateral Loads,
Journal of Structural Engineering, 2004
[5] Hajjar, Concrete Filled Steel Tube Columns
under Earthquake Loads, Prog Struct Engng
Mater, 2000
[6] Heng-zhi et al, Numerical Analysis of Ultimate
Strength of Concrete Filled Steel Tubular Arch Bridges, Journal of Zhejiang University Science,
2005
[7] Laura De Lorenzis, A CoMParative Study of
Models on Confinement of Concrete Cylinders with FRP Composites, Devision of Building Technology,
Chalmers University of Technology, 2001
[8] Roeder et al, Composite Action in Concrete
Filled Tubes, Journal of Structural Engineering,
1999♦
