CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG CỘT CFT
3.2: Khảo sát ứng xử của bê tông trong khung thực tế CFT sử dụng ống thép bê tông được gia cố bằng các mối hàn ngang
3.2.1: Ảnh hưởng của dầm đến cột CFT
a) Xây dựng mô hình, phát sinh lưới, vật liệu, điều kiện biên và tác động
Trong mục này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng thuần tuý của dầm vào cột CFT có gia cố đường hàn ngang.Chi tiết hình học của khung được cho trong hình Hình. Trong mô hình hình học này khung được cấu tạo bằng cột CFT liên kết với hai dầm I thông qua vòng kết nối, tại vị trí hai vòng ống thép của cột CFT được gia cố bằng hai đường hàn như trong hình Hình .
Vật liệu thép làm khung được phân ra thành nhiều loại thép có đặc tính cơ học
khác nhau. Cụ thể, ống thép, thép bản cánh I, thép bản bụng I, thép của vòng liên kết, thép đường hàn. Ứng với mỗi loại thép trên, đường đặc tính ứng xử của chúng được cho như trong hình Hình . Vật liệu bê tông sử dụng các loại bê tông sử dụng trong phần 3.1 do đó không trình bày lại trong mục này.
Điều kiện đặc lực và điều kiện biên: Đặc điểm của bài toàn này là khảo sát sự tác động thuần tuý của dầm I vào cột CFT. Do đó điều kiện đặc lực chỉ đặc lực tập trung vào hai đầu dầm console I, nhằm xem tác động của mô men và lực cắt của dầm vào cột. Từ đó chúng ta có thể đánh giá mức độ ảnh hưởng của dầm vào cột. Về điều kiện biên, toàn bộ khung trên được ngàm ở chân cột .
0.000 0.025 0.050 0.075 0.100 0.125 0.150
0 100 200 300 400 500 600 700
Stress [MPa]
Strain Stress-strain curve of steel tube True stress-strain curve of steel tube Stress-strain curve of beam flange True stress-strain curve of beam flange Stress-strain curve of beam web True stress-strain curve of beam web Stress-strain curve of connected ring True Stress-strain curve of connected ring Stress-strain curve of horizontal butt welds True stress-strain curve of horizontal butt welds
Hình 3.23 Mô hình hình học và điều kiện biên của
khung Hình 3.24 Vật liệu khung
Phát sinh lưới: tất cả lưới phát sinh trong ống thép, dầm I, vòng kết nối, mối hàn ngang là lưới kết cấu sử dụng phần tử C3D8R. Dạng lưới của khung và nút liên kết được cho trong hình Hình và Hình
Hình 3.25 Tạo lưới Hình 3.26 Chi tiết kết cấu liên kết dầm I và cột CFT
b) Phân tích kết quả:
Khi hai dầm console I chịu lực tập trung ở hai đầu sẽ gây ra cặp ngẫu lực cân bằng đối với cột. Đồng thời bản cánh trên sẽ chịu kéo và bản cánh dưới chịu nén. Vì vậy cánh trên gây ra lực kéo cho top-ring theo phương X, như vậy top-ring bị kéo giãn
theo phương X và nó sẽ thu hẹp theo phương Y dẫn đến gây ra lực nén lên thành ống thép theo phương Y. Đối với bottom ring thi ứng xử ngược lại, nó sẽ gây nén lên thành ống thép theo phương X và gây kéo theo phương Y .Như vậy dầm I gây ứng suất tập trung lớn nhất tại khu vực tiếp xúc giữa top-ring và bot-ring trong phương X. Do sự biến dạng của liên kết vòng liên kết theo phương nén vào lõi bê tông, do vậy nó gây ra vùng ứng suất lớn nhất trong lõi bê tông tại vùng tiếp xúc giữa top-ring theo phương Y, và bot-ring theo phương X. Như vậy với loại liên kết hai dầm đối xứng vào cột CFT như trên thì dầm này sẽ gây ra biến dạng kéo và nén trong ống thép tại top-ring sẽ
vuông góc với biến dạng kéo và nén trong ống thép tại bottom-ring. Điều này sẽ gây ra sự tiếp xúc không đều giữa ống thép và lõi bê tông tại vị trí liên kết như kết quả trình bày trong hình Error! Reference source not found.. Điều này dễ gây ra bất ổn định cục bộ trong ống thép.
Hình 3.27. Phổ Von-mises phân bố trong khung thép
Hình 3.28. Phổ Von- mises phân bố trong lõi bê tông
Hình 3.29. Phổ Von- mises phân bố trong ống thép
Hình 3.30. Áp lực tiếp xúc lên bề mặt lõi bê tông
Sự phân bố ứng suất trong ống thép tại vị trí top-ring và bot-ring có cùng một quy
luật, nhưng độ lớn của ứng suất phân bố tại top ring lớn hơn khoảng 50%, kết quả được cho trong hình Error! Reference source not found.. Đồng thời ứng suất này truyền sang lõi bê tông và tạo nên sự phân bố ứng suất trong lõi bê tông dọc theo chu vi của top-ring và bot-ring phân bố xen kẻ nhau như trong hình Error! Reference source not found..
0 500 1000 1500 2000 2500
0 20 40 60 80 100 120
Stress [MPa]
Distance along tube [mm]
Von-mises stress in core along bot-ring perimeter Von-mises stress in core along top-ring perimeter
0 500 1000 1500 2000 2500
100 200 300 400 500
Stress [MPa]
Distance along tube [mm]
Von-mises stress in tube along bot-ring perimeter Von-mises stress in tube along top-ring perimeter
Hình 3.31. ứng suất Von-mises trong lõi cứng phân bố dọc chu vi vòng liên kết
Hình 3.32. ứng suất Von-mises trong ống thép phân bố dọc chu vi vòng liên kết
Khi phân tích ứng suất dọc theo trục cột, phần lớn ứng suất phân bố trên ống thép tập trung vào khu vực tại vòng liên kết (xem hình Hình), phần ứng suất còn lại phân bố trên và dưới liên kết là rất bé. Trong khu vực liên kết theo phương trục dầm thì ứng suất phân bố tập trung vào khu vực top-ring và khu vực bot-ring tương đối bằng nhau.
Nhưng theo hướng vuông góc với phương trục dầm thì ứng suất tập trung nhiều vào khu vực top-ring, còn khu vực bot-ring tập trung rất thấp. Ngoài ra ứng suất theo phương x (phương của trục dầm liên kết vào cột) thì ứng suất tập trung cao hơn so với phương còn lại.
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0 20 40 60 80 100 120 140
Stress [MPa]
Distance along tube [mm]
Von-mises in z direction distributed in core along axial column Von-mises in x direction distributed in core along axial column
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Stress [MPa]
Distance along tube [mm]
Von-mises in z direction distributed in tube along axial column Von-mises in x direction distributed in tube along axial column
Hình.3.33.Ứng suất Von-mises trong lõi phân bố dọc trục cột
Hình 3.34.Ứng suất Von-mises trong ống thép phân bố dọc trục cột
Theo kết quả trong hình Hình. thì ứng suất phân bố trong lõi bê tông theo phương z chủ yếu tập trung vào top-ring. Ứng suất này được tạo ra do ống thép nén vào phía trong lõi theo phương z do lực kéo giãn top-ring theo phương x. Kết quả này được thể
hiện rõ trong hình Error! Reference source not found.. Theo phương x ứng suất này chủ yếu tập trung vào bot-ring do sự nén của bản cánh dưới của I-beam vào bot-ring gây ra áp lực nén của ống thép vào lõi bê tông.
Xét về chuyển vị và biến dạng, chúng ta thấy rằng chuyển vị lớn nhất tập trung theo phương trục dầm liên kết vào cột, và chuyển vị nầy có xu hướng hướng ra ngoài lõi bê tông. Theo phương vuông góc với trục dầm ống thép có xu hướng chuyển vị vào trong lõi bê tông. Kết quả này được trình bày trong hình Hình.Như vậy đường hàn chỉ có tác dụng theo phương vuông góc với trục dầm, theo phương trục dầm đường hàn trong ống thép không còn tác dụng. Điều này gây ra áp lực truyền giữa lõi bê tông và ống thép sẽ tập trung cục bộ tại vị trí theo phương vuông góc với trục dầm. Điều này dễ gây ra sự phá hoại lõi bê tông sớm hơn dự kiến đồng thời dễ làm cho ống thép bị
mất ổn định cục bộ tại vị trí đường hàn liên kết ống thép với lõi bê tông.
Trong quan hệ biến dạng theo phương x (phương trục dầm), thì top-ring bị kéo ra ngoài lõi bê tông do đó biến dạng tại khu vực này lớn và có thể đạt đến 2.75%. Trong khi bot-ring bị nén vào phía trong lõi bê tông do đó biến dạng tại khu vực này bé và chỉ đạt khoảng 0.75%, kết quả này được trình bày trong hình Hình.
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10
Ux displacement [mm]
Distance along connected ring [mm]
ux displacement in tube along bot-ring ux displacement in tube along top-ring
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
0.0 4.0x105 8.0x105 1.2x106 1.6x106
Force [N]
Lateral strain [%]
pe11 in tube at bot-ring pe11 in tube at top-ring
Hình 3.35. Chuyển vị theo phương X
trong ống dọc vòng liên kết Hình 3.36. Đường cong lực căng bên Qua phân tích trên chúng ta có thể kết luận đối với kết cấu khung CFT được thiết kế liên kết dầm I-beam vào cột CFT bằng vòng liên kết thì lực của dầm gây ra ứng suất/biến dạng cục bộ của ống thép và lõi bê tông tại hai vị trí top-ring và bot-ring.