Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước
Nhiều nghiên cứu thực nghiệm chuyên sâu về cấu kiện CFT chịu tác động của tải trọng dọc trục được thực hiện trong nhiều năm trở lại đây:
Shams và Saadeghvazir [1], Shanmugam và Lakshmi [2], Kloppel và Goder [3], thực hiện các thí nghiệm nén dọc trục trên cột CFT.
Furlong [4] thực hiện các thí nghiệm nén dọc trục cho 8 mẫu cột CFT tiết diện hình tròn và 5 mẫu tiết diện hình vuông. Thí nghiệm chỉ ra rằng cả 2 thành phần của cấu kiện thép và bê tông chịu tải trọng độc lập nhau.
Knowles và Park [5] khảo sát ứng xử kết cấu của cột CFT khi chịu tải trọng dọc trục với nhiều giá trị tỉ lệ độ mảnh khác nhau của cột. Các tác giả chỉ ra rằng, hiệu ứng bó gia tăng cường độ của bê tông trong cấu kiện cột tiết diện tròn và tiết diện hình chữ nhật với nhiều tỉ lệ độ mảnh khác nhau. Các tác giả chỉ ra rằng, hiệu ứng bó bê tông của ống thép gia tăng cường độ của bê tông trong cấu kiện ngắn tiết diện tròn nhưng không gia tăng đối với cột ngắn CFT tiết diện hình vuông.
Tomii cùng cộng sự [6] nghiên cứu ảnh hưởng của hình dạng tiết diện lên ứng xử tải trọng nén chuyển vị dọc trục của cột CFT. Các tác giả chỉ ra rằng, tiết diện ống thép hình tròn và bát giác cho hiệu ứng bó lõi bê tông tốt hơn và cũng có ứng xử tái bền của cột tốt hơn so với mẫu cột CFT tiết diện hình vuông.
Shakir-Khalil và Mouli [7] trình bày kết quả thí nghiệm của cột ngắn CFT tiết diện hình vuông dưới tác động của tải trọng nén dọc trục. Kết quả quan sát cho thấy thành ống thép bị phá hoại bị biến dạng ra bên ngoài trong khi lõi bê tông đã giữ tiết diện thép không bị biến dạng ở giai đoạn đầu.
Bridge [8] thực hiện các thí nghiệm trên mẫu cấu kiện dầm-cột mảnh CFT tiết diện hình vuông chịu tải trọng dọc trục và moment uốn. Các mẫu được đúc với cường độ bê tông và cốt thép thường.
Shakir-Khalil và Zeghiche [9] thí nghiệm mẫu thép cán nguội với giới hạn chảy của ống thép là 386 MPa và bê tông nhồi có cường độ thường.
Matsui [10] nghiên cứu thực nghiệm trên cấu kiện dầm-cột mảnh CFT ở cường độ thường.
Chung [11] thí nghiệm 8 mẫu cấu kiện dầm-cột mảnh CFT cường độ cao dưới tác động của tải trọng dọc trục và moment uốn. Mẫu thí nghiệm được làm từ vật liệu bê tông cường độ cao với cường độ chịu nén là 94.1 MPa, ống thép có giới hạn chảy 450 MPa.
Zhang [12] nghiên cứu thực nghiệm cường độ của cấu kiện dầm-cột mảnh CFT tiết diện hình vuông dưới tác động của tải trọng dọc trục đúng tâm, được làm tử bê tông cường độ cao và cốt thép cán nguội.
Các mô hình số cũng được phát triển để nghiên cứu ứng xử của cấu kiện dầm cột mảnh CFT có thể kể đến như sau:
Tort và Hajia [13], Sakino và cộng sự [14], Liang [15] đề xuất các phương pháp phân tích (PBA) dựa trên mô phỏng phần tử thớ trên mặt cắt ngang.
Vrceli và Uy [16] khảo sát ảnh hưởng của cường độ chịu nén, giới hạn chảy của cốt thép và độ mảnh của cột đến cường độ tới hạn của cấu kiện cột CFT mảnh tiết diện hình vuông dưới tác động của tải trọng đúng tâm. Các tác giả đã sử dụng mô hình số nhưng không kể đến sự mất ổn định cục bộ của vỏ ống thép.
Tomii và Sakino [17] trình bày một mô hình cho phân tích đàn-dẻo cấu kiện dầm cột CFT. Mô hình ứng suất biến dạng được thiết lập cho bê tông chịu ép ngang trong ống thép CFT để kể đến hiệu ứng ép ngang của vỏ ống thép lên bê tông.
Hajjar cùng cộng sự [18] phát triển mô hình phần tử hữu hạn để theo dõi sự chảy dẻo trên các phần tử thớ trong phân tích phi đàn hồi phi tuyến cấu kiện dầm cột CFT.
Liang [19] trình bày mô hình phần tử thớ cho việc xác định đường cong cường độ tải trọng dọc trục moment của cấu kiện dầm-cột CFT dưới tác động của tải trọng dọc trục và moment uốn hai phương.
Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước
Ngô Hữu Cường cùng cộng sự [20] đã trình bày một chương trình máy tính được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình C++ để 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.
Phan Đình Hào và Trịnh Hữu Hiệp [21] sử dụng phần mềm ABAQUS để phân tích sự ảnh hưởng của cường độ bê tông đến khả năng chịu lực của cột CFT và việc sử dụng hiệu quả của bê tông cường độ cao đến khả năng chịu lực của cột CFT dưới tác dụng của tải trọng nén dọc trục.
Chu Thị Bình [22] trình bày thí nghiệm xác định ứng xử khi chịu cháy của cột ống thép nhồi bê tông tự lèn có thép hình làm cốt được tiến hành tại trường Đại học Liège – Vương quốc Bỉ. Phần mềm phân tích phi tuyến kết cấu SAFIR được dùng để mô phỏng phân tích nhiệt và ứng xử cơ học của cột thí nghiệm. Kết quả thí nghiệm và kết quả mô hình mô phỏng số tương đối sát nhau.
Nguyễn Đình Kiên [23] đã phân tích đàn hồi chuyển vị lớn khung phẳng sử dụng phần tử đồng xoay có kể đến những số hạng phi tuyến bậc cao trong ten-xơ biến dạng Green.
Nguyễn Đình Kiên và Đỗ Quốc Quang [24] đã thực hiện phân tích đàn-dẻo khung thép phẳng chuyển vị lớn bằng phương pháp đồng xoay và sử dụng phương pháp vùng dẻo để kể đến ứng xử phi tuyến của vật liệu bằng tích phân cầu phương Gauss.
Trần Thanh Tùng [25] phân tích phi tuyến dẻo chuyển vị lớn khung phẳng bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng công thức đồng xoay.
Võ Trung Cường [26] nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của cột ống thép nhồi bê tông (CFST) chịu tải dọc trục cố định và tải ngang tuần hoàn, mô phỏng tải động đất. Thí nghiệm thực hiện trên 24 mẫu ống thép với 2 loại đường kính 90mm và 114mm cho đến khi phá hoại. Trong đó, mỗi đường kính có 3 độ dày khác nhau là 2.5mm, 3mm và 3.5mm. Sau đó tiến hành so sánh kết quả thí nghiệm giữa ống thép có bê tông Column Filled Steel Tube (CSFT) và ống thép không có bê tông Steel tube (ST) về các vấn đề: Dạng phá hoại; quan hệ lực - chuyển vị; quan hệ moment - biến dạng; số vòng lặp; độ cứng.
Đoàn Tấn Thi [27] xây dựng một mô hình số bằng phần mềm phần tử hữu hạn ba chiều ABAQUS để dự đoán ứng xử chịu mô men của liên kết cột ống thép nhồi bê tông và sàn phẳng bê tông cốt thép. Kết quả mô phỏng số được so sánh với kết quả đạt được từ nghiên cứu thực nghiệm để chứng tỏ sự phù hợp của mô hình đề xuất.
Việc xây dựng một mô hình số có khả năng dự đoán ứng xử kết cấu của liên kết phù hợp với kết quả thực nghiệm là một điều cần thiết để có được kết quả tin cậy trong việc áp dụng cho việc thiết kế loại liên kết này trong thực tiễn mà không cần thực hiện các thí nghiệm tốn kém và mất thời gian
Nguyễn Tấn Phát [28] nghiên cứu ứng xử phi tuyến của cấu kiện cột ống thép nhồi bê tông dưới tác dụng của tải trọng và nhiệt độ có kể đến ứng xử phi tuyến hình học và vật liệu. Ma trận độ cứng của phần tử hữu hạn phi tuyến được thiết lập bằng việc áp dụng nguyên lý thế năng toàn phần dừng có kể đến tác động tải trọng và nhiệt.
Tiết diện gồm ống thép và lõi bê tông tại giữa phần tử hữu hạn được chia thành nhiều thớ và quan hệ ứng suất biến dạng của từng thớ thép và bê tông được cập nhật trong suốt quá trình phân tích để mô phỏng tác động phi đàn hồi qua mặt cắt ngang và dọc theo chiều dài cấu kiện. Một chương trình phân tích bằng ngôn ngữ lập trình C++
dùng thuật toán giải phi tuyến Euler đơn giản được phát triển và kết quả của nó được so sánh với các kết quả nghiên cứu sẵn có khác để minh họa độ tin cậy của chương trình phân tích đề xuất.
Trần Duy Phương [29] đã phân tích phi tuyến vùng dẻo khung thép phẳng chịu tải trọng tĩnh và động có xét đến liên kết nửa cứng và năng lượng dỡ tải.
Đoàn Ngọc Tịnh Nghiêm [30] đã thực hiện phân tích khung chịu tải trọng tĩnh và động bằng phần tử dầmcột đồng xoay sử dụng hàm ổn định được xấp xỉ bởi hàm dạng đa thức bậc 7.
Trần Thanh Hưng [31] đã phân tích khớp dẻo phi tuyến khung thép phẳng có xét liên kết nửa cứng bằng phần tử đồng xoay sử dụng hàm ổn định có được từ lời giải chính xác của phương trình vi phân chủ đạo.
Nguyễn Văn Hải [32] thiết lập mô hình phần tử hữu hạn dầm-cột đồng xoay dựa vào cả lý thuyết dầm Euler-Bernoulli lẫn Timoshenko và có kể đến độ mềm của liên kết dầm-cột. Tác động phi tuyến vật liệu, kể cả sự tái bền, được xác định theo 3 mô hình ứng suất – biến dạng của vật liệu đàn – dẻo tuyệt đối, đàn hồi – tái bền và đàn – dẻo – tái bền. Sự chảy dẻo dọc theo chiều dài phần tử được theo dõi bằng các điểm tích phân số và mặt cắt ngang tại mỗi điểm này lại được chia thành nhiều thớ tiết diện chữ nhật để mô phỏng ứng xử dẻo qua mặt cắt ngang. Trạng thái của thớ được theo dõi và cập nhật trong suốt quá trình phân tích dựa vào một trong ba mô hình ứng suất – biến dạng nêu trên và theo đó các đặc trưng hình học và nội lực của mặt cắt ngang cũng được cập nhật.