Bài viết nghiên cứu ứng xử của cấu kiện liên hợp thép - bê tông chịu nén đúng tâm bằng mô phỏng phần tử hữu hạn với phần mềm Cast3M. Hiện tượng từ biến của bê tông được đưa vào trong mô phỏng tính toán.
Trần Thu Hiền / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Duy Tân 01(44) (2021) 10-15 10 01(44) (2021) 10-15 Ứng xử cột liên hợp thép-bê tông chịu nén tâm có xét đến từ biến hàm lượng thép Behavior of the steel-concrete composite column considering the creep and steel ratio Trần Thu Hiềna,b*, Nguyễn Thế Dươnga,b Tran Thu Hiena,b*, Nguyen The Duonga,b Viện Nghiên cứu Phát triển Công nghệ Cao, Trường Đại học Duy Tân, Đà Nẵng, Việt Nam a Institute of Research and Development, Duy Tan University, Da Nang, 550000, Vietnam b Khoa Xây dựng, Trường Đại học Duy Tân, Đà Nẵng, Việt Nam b Faculty of Civil Engineering, Duy Tan University, Da Nang, 550000, Vietnam a (Ngày nhận bài: 05/02/2021, ngày phản biện xong: 06/02/2021, ngày chấp nhận đăng: 25/02/2021) Tóm tắt Bài báo nghiên cứu ứng xử cấu kiện liên hợp thép - bê tông chịu nén tâm mô phần tử hữu hạn với phần mềm Cast3M Hiện tượng từ biến bê tông đưa vào mơ tính tốn Ảnh hưởng hàm lượng thép xem xét Từ khóa: Cột liên hợp; từ biến; hàm lượng thép; phần tử hữu hạn Abstract This research investigates the behavior of steel-concrete composite column subjected to axial loading Finite element method (FEM) simulation based on the Cast3M software package was used The creep of concrete was included in the simulation The effect of the steel ratio is also studied Keywords: Steel-concrete composite column; creep; steel ratio; FEM Giới thiệu chung Từ biến tượng gia tăng biến dạng tác dụng ứng suất không đổi Bê tông loại vật liệu từ biến Từ biến bê tông chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố Có thể chia làm hai loại: yếu tố nội liên quan đến thân tính chất vật liệu bê tơng yếu tố liên quan đến điều kiện môi trường bên ngồi Từ biến bê tơng * phân làm hai thành phần: từ biến khô từ biến [1] Từ biến ảnh hưởng đến biến dạng, độ võng phân bố ứng suất kết cấu ảnh hưởng thay đổi tùy theo loại kết cấu [1] Khi tính tốn, thiết kế cơng trình cao tầng có tuổi thọ lên đến hàng trăm năm việc đánh giá, tính tốn đến yếu tố biến đổi dài hạn theo thời gian có ý nghĩa quan trọng Việc tính tốn Corresponding Author: Tran Thu Hien; Institute of Research and Development, Duy Tan University, Da Nang, 550000, Vietnam; Faculty of Civil Engineering, Duy Tan University, Da Nang, 550000, Vietnam Email: tranthuhien4@dtu.edu.vn Trần Thu Hiền / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Duy Tân 01(44) (2021) 10-15 đến yếu tố dài hạn nhằm mơ tả, dự báo cách xác ứng xử cơng trình kịch xảy để từ giúp người sử dụng sau (bao gồm đơn vị quản lý, đơn vị vận hành bảo trì) có ứng xử kế hoạch thích hợp Trong cơng trình nhà cao tầng, cột vách tầng phía chịu nén lớn tác dụng tải trọng thường xuyên, dài hạn, chịu ảnh hưởng lớn từ biến Điều làm cho cơng trình bị biến dạng khơng theo thời gian ảnh hưởng đến phận phi kết cấu tường, cửa, đường ống Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng loại biến dạng kết cấu nhà cao tầng có ý nghĩa quan trọng Trong yếu tố ảnh hưởng đến từ biến cấu kiện, yếu tố điều kiện khí hậu, đặc tính vật liệu bê tơng hàm lượng thép có ảnh hưởng đáng kể [1] Những ảnh hưởng thường mang tính tích cực, có nghĩa làm giảm từ biến cấu kiện Tuy nhiên, việc đánh giá đắn vai trò cốt thép loại biến dạng có ý nghĩa thực tiễn khoa học, giúp kỹ sư hiểu biết cách đắn ứng xử dài hạn cấu kiện sử dụng bê tông thép Bài báo nghiên cứu ứng xử cấu kiện cột liên hợp thép-bê tông chịu nén tâm có a Mặt cắt ngang (kích thước mm) 11 xét đến tượng từ biến bê tông Phần mềm Cast3M dùng để viết chương trình thuật tốn mơ trạng thái ứng suất, biến dạng cấu kiện theo thời gian Các mơ hình tính tốn từ biến bê tông Bài báo sử dụng code phần tử hữu hạn Cast3M dựa tảng ngôn ngữ lập trình Gibiane để mơ ứng xử cấu kiện liên hợp chịu nén tâm theo thời gian [2] Đây phần mềm tính tốn phần tử hữu hạn (PTHH) mã nguồn mở miễn phí (phục vụ mục đích nghiên cứu giáo dục) phát triển Ủy ban Năng lượng nguyên tử lượng tái tạo Pháp (CEA) Nhờ vào sức mạnh tính tốn tính động việc xây dựng mơ hình tính lẫn xử lý kết quả, Cast3M trở thành công cụ đáng tin cậy lĩnh vực nghiên cứu giảng dạy Pháp [2] Một cột liên hợp thép-bê tơng có mặt cắt ngang Hình 1a mô phần mềm Cast3M Cột liên hợp thép - bê tông cốt thép mô tả khối bê tông bọc khối thép chữ I Bốn thép đặt bốn góc cột thay đổi đường kính Bê tơng thép hình mơ tả phần tử khối, thép phần tử Hình 1b thể phần tử cột mô phỏng, với điều kiện biên sau: chân cột ngàm (chuyển vị 0), đầu cột tự b Mơ PTHH cột Cast3M Hình Cấu kiện cột liên hợp thép-bê tông 12 Trần Thu Hiền / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Duy Tân 01(44) (2021) 10-15 Hàm lượng thép cột thay đổi cách thay đổi kích thước thép hình chữ I sau: 250 250, 300 300, 350 350 400 400 Hàm lượng thép tương ứng 2.22, 2.79, 3.88, 4.78 Để làm rõ trình từ biến ảnh hưởng đến cấu kiện liên hợp thép - bê tông chịu nén, từ biến bê tông xem xét, tính tốn theo bước thời gian Phần mềm Cast3M với thuật tốn PASAPAS sử dụng để tính tốn Thuật tốn PASAPAS cho phép tính tốn theo bước thời gian người dùng đưa vào thông số thay đổi Phần thay đổi biến dạng từ biến bê tông theo thời gian cập nhật thông qua tải trọng tác dụng thời điểm Giả thiết tác dụng áp lực thẳng đứng phân bố toàn diện tích mặt cắt ngang đầu cột có giá trị 10 MPa Ứng suất ban đầu σ0(ti) = εtotal(ti)Ec(ti) (1) Ứng suất sau phát sinh biến dạng bê tông σ(ti) = σ0(ti)+∆σ(ti) (2) Cập nhật tải trọng chương trình lập trình thơng qua bước sau đây: Từ bước thời gian t1 đến thời gian t2, tính tốn hàm từ biến sau [3]: (3) Biến dạng từ biến gia tăng thời gian từ t1 đến t2: (4) Tính tốn ứng suất phụ thêm sinh biến dạng cách nhân với mô đun đàn hồi bê tông: ∆σcr(t1,t2) = Ec∆εcr(t1,t2) (5) Lọc thành phần ứng suất nén theo phương z theo cú pháp: SIGZ = EXCO SIGZ’EPZZ’’SMZZ’ (6) Chuyển ứng suất lực tác dụng nút phần tử cách sử dụng hàm tích phân BSIG mơ hình bê tơng Ví dụ: FORC_ADD = BSIG MOD_BT SIGZ (7) Ở bước tính tốn, cập nhật thành phần lực vào ma trận tải trọng cũ: chvar0 = CHAR MECA FORC_ADD evconst (8) Trong evconst hàm mô tả biến đổi đại lượng lực phụ thêm theo thời gian, hàm số khoảng từ t1 đến t2 Kết Các kết mô cho thấy ứng suất bê tông, thép tăng dần so với thời điểm ban đầu Ứng suất trung bình theo phương thẳng đứng bê tơng vị trí cột tăng từ 1.40107 lên 1.94107 Pa (tương ứng 38.6) sau 870 ngày Tương tự, ứng suất trung bình theo phương thẳng đứng thép hình vị trí cột tăng từ 3.65107 lên 5.07107 Pa (tương ứng 38.9) sau 870 ngày Lực dọc thép tăng từ 3.14 lên 4.39 N (tương ứng 39.8) Như vậy, ứng suất trung bình vị trí cột theo phương thẳng đứng bê tơng thép hình, lực dọc thép tăng khoảng gần 40 sau 870 ngày xét đến từ biến bê tơng Hình thể chuyển vị theo thời gian vị trí đỉnh cột với hàm lượng thép khác Theo thời gian, chuyển vị đỉnh cột tăng dần dù tải trọng ban đầu không đổi Điều hệ từ biến bê tông gây Kết hoàn toàn phù hợp với kết thu tác giả Nguyễn [4] Hàm lượng thép tăng chuyển vị đỉnh cột giảm (Hình 2) Điều hồn tồn hợp lí, thép có mơ đun đàn hồi lớn gấp khoảng lần bê tông, có mặt thép làm tăng độ cứng tổng thể khối bê tông Trần Thu Hiền / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Duy Tân 01(44) (2021) 10-15 thép Nếu tăng kích thước thép hình từ I250250 lên I400400 (tức gấp đơi hàm lượng 13 thép, từ 2.22 lên 4.78) chuyển vị giảm 20 (từ 2.09 xuống 1.68 mm) Hình Chuyển vị đỉnh cột theo thời gian hàm lượng thép Quan sát Hình Hình thấy rằng, chuyển vị đỉnh cột hàm lượng thép có mối quan hệ gần tuyến tính với Hàm lượng thép ảnh hưởng tới chuyển vị từ thời điểm ban đầu vừa chất tải Ngoài ra, tăng hàm lượng thép chuyển vị đỉnh cột tăng thêm biến dạng từ biến bê tơng giảm xuống Hình Chuyển vị đỉnh cột hàm lượng thép thời điểm ban đầu năm sau chất tải Các biểu đồ từ Hình đến Hình thể thay đổi ứng suất trung bình bê tơng, ứng suất trung bình thép hình vị trí cột, lực dọc thép theo thời gian ứng với hàm lượng thép khác cột Ứng suất bê tơng, thép hình lực dọc thép giảm dần hàm lượng thép tăng lên Điều hợp lí nói trên, thép có độ cứng lớn bê tơng 14 Trần Thu Hiền / Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Đại học Duy Tân 01(44) (2021) 10-15 Hình Ứng suất bê tông hàm lượng thép theo thời gian Hình Ứng suất thép hình hàm lượng thép theo thời gian Hình Lực dọc thép hàm lượng thép theo thời gian Kết luận Bài báo lập trình mơ ứng xử cột liên hợp thép-bê tông có xét đến biến dạng từ biến bê tơng code phần tử hữu hạn Cast3M Từ biến bê tông đánh giá theo tiêu chuẩn ACI 209R-1992 Các kết tính tốn cho phép đưa số kết luận sau: Trần Thu Hiền / Tạp chí Khoa học Công nghệ Đại học Duy Tân 01(44) (2021) 10-15 Từ biến bê tông ảnh hưởng tới ứng xử dài hạn cấu kiện cột liên hợp thép bê tông chịu nén tâm Theo thời gian, chuyển vị đỉnh cột, ứng suất bê tông, thép hình, lực dọc thép tăng lên Sau 870 ngày, tăng khoảng 40 dù tải trọng tác dụng không đổi Kích thước thép hình (hàm lượng thép) tăng ứng suất bê tơng, thép hình, lực dọc thép giảm Điều thép có mơ đun đàn hồi lớn bê tơng Ngồi ra, hàm lượng thép tăng làm giảm hệ từ biến gây chuyển vị đỉnh cột Tuy nhiên, báo giới hạn mô cấu kiện liên hợp chịu nén tâm Các trường hợp chịu tải trọng khác, phức tạp chịu nén lệch tâm phẳng hay xiên chưa 15 xét đến Ngoài ra, báo đánh giá ảnh hưởng từ biến bê tông mà chưa xét đến biến dạng khác bê tông co ngót Vì vậy, hướng phát triển kiến nghị đánh giá thêm yếu tố co ngót bê tông xét với cấu kiện chịu làm việc trạng thái tổng quát Tài liệu tham khảo [1] A M Neville, Properties of Concrete, fourth edition, Willey 1996 [2] CAST3M, http://www-cast3m.cea.fr/ [3] ACI 209R-92, Guide for Modeling and Calculating Shrinkage and Creep in Hardened Concrete, Reported by ACI Committee 209 [4] K.K Nguyễn, Ảnh hưởng thép đến ứng xử dài hạn cấu kiện chịu nén bê tông cốt thép Luận văn thạc sỹ đại học Duy Tân, 2019 ... dài hạn cấu kiện sử dụng bê tông thép Bài báo nghiên cứu ứng xử cấu kiện cột liên hợp thép- bê tông chịu nén tâm có a Mặt cắt ngang (kích thước mm) 11 xét đến tượng từ biến bê tơng Phần mềm Cast3M... thép hình vị trí cột, lực dọc thép theo thời gian ứng với hàm lượng thép khác cột Ứng suất bê tơng, thép hình lực dọc thép giảm dần hàm lượng thép tăng lên Điều hợp lí nói trên, thép có độ cứng... kiện liên hợp chịu nén tâm Các trường hợp chịu tải trọng khác, phức tạp chịu nén lệch tâm phẳng hay xiên chưa 15 xét đến Ngoài ra, báo đánh giá ảnh hưởng từ biến bê tông mà chưa xét đến biến