CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG CỘT CFT
3.1.1: Khảo sát ảnh hưởng của số lượng mối hàn ngang đến ứng xử của bê tông trong cột CFT
Kết quả mô phỏng cho thấy các thông số hình học và cơ học của mô hình ảnh hưởng lớn đến cường độ chịu lực của cột CFT.Từ kết quả trên Hình 3. đã cho thấy số lượng đường hàn là một hệ số ảnh hưởng lớn nhất đến cường độ chịu lực. Cụ thể đối với 3 mô hình khảo sát đầu tiên từ ví dụ 01 đến ví dụ 03, cả 3 mô hình này có đường kính bề dày của ống thép không đổi, cường độ bê tông cũng gần như không thay đổi, về chiều cao đường hàn mẫu số 1 chênh lệch với mẫu số 3 khoảng 17.5% và chênh lệch với mẫu số 2 khoảng 12.5%, và chênh lệch giữa mẫu 2 và mẫu 3 khoảng 5.7%.
Riêng số lượng đường hàn mẫu 2 gấp đôi mẫu số 1, mẫu 3 gấp 3 lần mẫu số 1, và mẫu số 3 gấp 1.5 lần mẫu số 2. Kết quả mô phỏng cho thấy điểm giới hạn của mẫu số 1 rất
thấp so với hai mẫu còn lại, cụ thể chênh lệch giữa mẫu số 1 so với mẫu số 2 là 27.6%, mẫu số 1 so với mẫu số 3 là 53.4%, và mẫu số 2 so với mẫu số 3 là 35.6%. Điểm giới hạn là điểm giới hạn trước khi hoặc là mặt tiếp xúc giữa lõi bê tông và ống thép bị phá hoại hoặc là lõi bê tông bị phá hoại. Như vậy có thể cho rằng điểm giới hạn là tiêu chí được sử dụng để đánh giá cường độ chịu lực của mô hình.
Một tiêu chí khác cũng khá quan trọng có thể được sử dụng để đánh giá cường độ chịu lực của mô hình đó là chuyển vị lõi bê tông.Kết quả cho thấy chuyển vị của lõi bê tông trong ống thép của mẫu số 1 rất lớn so với mẫu số 2 và 3, cụ thể chênh lệch chuyển vị giữa mẫu số 1 với mẫu số 2 là 33.4%, giữa mẫu số 1 và mẫu số 3 là 20%, và giữa mẫu số 2 với mẫu số 3 là 16.7%. Khi chuyển vị lõi bê tông lớn thì độ dốc của đường cong chuyển vị-lực sẽ bé, điều nầy chứng tỏ mức độ bám dính giữa lõi và thành ống thép kém, điều nầy cũng có thể suy ra hiệu ứng giam cầm của lõi bê tông giữa các mô hình có sự khác biệt lớn.
0 5 10 15 20 25 30
0 1x107 2x107 3x107 4x107 5x107
Force [N]
Longitudinal displacement [mm]
f-u curve sample 01 f-u curve sample 02 f-u curve sample 03 f-u curve sample 04 f-u curve sample 05 f-u curve sample 06 4.5x107
2.9x107
2.1x107
6 7.5 Limited point
Hình 3.1. Khả năng chịu lực khi thay đổi các thông số hình học và cơ học của mô hình
Để phân tích kỹ nguyên nhân gây ra kết quả trên chúng ta phân tích hiệu ứng giam cầm của lõi bê tông làm việc trong sự ràng buộc của ống thép. Sự nở hông của bê tông thể hiện qua chuyển vị/biến dạng ngang của lõi bê tông và ống thép. Kết quả mô phỏng cho thấy đối với mẫu số 1 chỉ có một đường hàn nằm cách đáy ống thép khoảng 400 mm , tại vị trí này hạn chế sự chuyển vị của lõi bê tông xuống đáy ống do vậy phần bê tông nằm trên đường hàn bị nén rất lớn và gây ra hiệu ứng giam cầm giữa lõi bê tông và ống thép. Kết quả lõi bê tông bị nở hông lớn nhất tại vị trí cách đỉnh ống khoảng 300 mm , và hệ quả của hiệu ứng giam cầm gây ra biến dạng của ống thép đạt
được giá trị cực đại tại vị trí tương ứng. Trong khi đó đối với mẫu số 2 lõi bê tông bắt đầu nở hông lớn cách đỉnh cột khoảng 600 mm , và đạt cực đại tại vị trí cách đỉnh cột 800 mm , nằm tại vị trí của đường hàn đầu tiên (xem hình 3.2). Vì vị trí đường hàn đầu tiên cách đỉnh cột 800 mm . Tại vị trí này lõi bê tông bị ngăn chặn do đó phần bê tông trên đường hàn tập trung ứng suất gây hiệu ứng nở hông trong lõi ( Hình 3.3). Khi lõi bê tông trượt qua khỏi đường hàn tại vị trí cách đỉnh cột 800 mm, nên tại vị trí này có sự chuyển vị đột biến/khác thường cho phần bê tông tại vị trí đường hàn khi ra khỏi đường hàn, và phần bê tông mới chèn vào vị trí đường hàn. Như vậy lõi bê tông đã trượt qua khỏi đường hàn đầu tiên và nó tiếp tục bị chặn bởi đường hàn thứ nhì, do đó ứng suất lúc nầy tập trung vào khu vực trên đường hàn thứ nhì tăng và gây hiệu ứng nở
hông tại đây .Trên đồ thị màu đỏ, xem hình 3.2 sau vị trí 800 mm của đường hàn thứ nhất thì hiệu ứng nở hông có dấu hiệu tăng cho đến khi lõi bê tông trượt qua đường hàn thứ nhì thì hiệu ứng nở hông bắt đầu giảm khi lõi bê tông trượt về chân cột. Giải thích hoàn toàn tương tự ứng xử nở hông đối với mẫu cột số 3, kết quả cho thấy ứng xử nở hông đối với mẫu cột thứ 3 hoàn toàn đúng với quy luật vật lý của bài toán.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0 1 2 3 4 5
Lateral displacement [mm]
Distance along tube [mm]
Lateral dis in concrete sample 01 Lateral dis in concrete sample 02 Lateral dis in concrete sample 03
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0 1 2 3 4 5
Lateral displacement [mm]
Distance along tube [mm]
Lateral dis in steel sample 01 Lateral dis in steel sample 02 Lateral dis in steel sample 03
a) b)
Hình 3.2. a) Chuyển vị ngang lõi bê tông trong mô hình số 1-3 b) Chuyển vị ngang ống thép trong mô hình số 1-3
Do sự nở hông của lõi bê tông trong mẫu 1 phân bố từ đỉnh cột đến vị trí đường hàn do đó sự nở hông của lõi bê tông không lớn. Do đó áp lực (áp lực tiếp xúc) của lõi bê tông vào thành ống thép cũng không lớn kết quả được mô tả trong hình 3.3 đây là nguyên nhân làm giảm khả năng bám dính của lõi bê tông vào thành ống thép. Vì vậy sự trượt của lõi bê tông trong ống thép rất lớn thể hiện đúng như kết quả cho trong hình 3.2. Đây chính là nguyên nhân làm cho cường độ chịu lực của cột giảm. Ngược lại trong mô hình thứ hai và thứ ba khi số lượng đường hàn tăng thì sự nở hông tập trung cục bộ tại vị trí khu vực đường hàn (như vừa giải thích ở trên), do đó sự nở hông
tương đối lớn. Chênh lệch sự nở hông giữa mô hình 1 so với mô hình thứ 2 là 38.8%, giữa mô hình 1 với mô hình thứ 3 là 42.1%, và giữa mô hình 2 với mô hình 3 là 5.4%, kết quả này có thể tham khảo thêm trong hình 3.2.
a) b) c)
Hình 3.3. Phổ chuyển dịch bên trong ống thép: a) Mô hình số 1, b) Mô hình số 2, c) Mô hình số 3
Dựa trên kết quả phân bố áp lực tiếp xúc dọc theo trục cột, chúng ta có thể thấy hầu hết áp lực tập trung tại những vị trí đường hàn. Vì vậy đường hàn là một trong những yếu tố quan trọng nhất liên quan đến sự trượt của lõi bê tông, và là nguyên nhân làm tăng hoặc giảm cường độ chịu lực của cột. Vì vậy hai tham số về số lượng đường hàn và chiều cao đường hàn là hai thông số quan trọng đối với giảm cường độ chịu lực.
0 200 400 600 800 1000 1200 1400
0 100 200 300 400 500 600
Contact pressure [MPa]
Distance along tube [mm]
Contact pressure of sample No 1 Contact pressure of sample No 2 Contact pressure of sample No 3
Hình 3.4. Phân bố áp lực tiếp xúc dọc trục ống mô hình số 1-3
Dạng đồ thị nở hông cho trong hình của cả 3 mô hình có thể được giải thích dựa
vào cơ chế phá hoại nén của lõi bê tông. Đối với mô hình 1 phần bê tông ngoài biên từ trên đỉnh lõi xuống đến vị trí đường hàn hầu như bị phá hoại, phần bê tông phá hoại tạo thành mặt trượt của khối lõi có dạng hình nón có đỉnh nằm ở tâm của chu vi đường hàn được mô tả trong hình 3.5 a Chính khối lõi bê tông có dạng hình nón có dạng như một cái nem ép phần bê tông bị phá hoại ra ngoài biên tạo ra một đường chuyển vị
ngang phân bố dọc từ đỉnh lõi xuống đến vị trí đường hàn như mô tả trong đường đầu tiên trong đồ thị hình 3.2. Đối với phổ phá hoại nén của bê tông cho như trong hình 3.5 b&c cho thấy phần bê tông bị phá hoại bắt đầu phá hoại cách đỉnh lõi một khoảng lần lượt là 400 mm và 600 mm lần lượt tương ứng với mô hình 2 và 3. Với kết quả này hoàn toàn phù hợp với ứng xử chuyển vị ngang trong đường thứ 2 và thứ 3 trong hình 3.2
a) b) c)