2.2. Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước
2.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Trên thế giới, ống CFST đã được nghiên cứu nhiều với các tiết diện khác nhau, các dạng tải trọng tác dụng, vật liệu cấu thành khác nhau. Một số các nghiên cứu đã được
công bố như là nghiên cứu ứng xử của ống CFST chịu tải trọng nén dọc trục [4], phân tích ứng xử của các ống thép tròn nhồi bê tông dưới tác dụng uốn [5], mô phỏng ứng xử của các cột dầm bê tông cốt thép tái chế (RACFST) chịu tải nén dọc trục liên tục và tăng tải uốn theo chu kỳ [6], phân tích khả năng chịu động đất của cột RC và cột RC – CFT của một cây cầu nhiều nhịp với cùng một trận động đất El Centro [7]. Tuy nhiên, nghiên cứu về ống CFST chịu tải trọng xoắn vẫn còn rất hạn chế so với các nghiên cứu trên.
Các nghiên cứu trên thế giới liên quan đến ống CFST chịu xoắn đã công bố được trình bày như dưới đây.
Năm 2003, Kiyomiya và cộng sự [8] đã nghiên cứu đặc tính xoắn thuần túy của các ống thép tròn nhồi bê tông. Thí nghiệm được thực hiện trên cột thép và cột composite nhằm tìm hiểu tính chất xoắn cơ bản của vật liệu. Bên cạnh đó, kết quả thí nghiệm được so sánh với phân tích lý thuyết. Phân tích lý thuyết là phương pháp phần tử hữu hạn F.E.M. có xem xét các thuộc tính vật liệu phi tuyến. Từ việc so sánh trên, các kết luận về nghiên cứu đã rút ra. Trong thí nghiệm thực tế, sự phá hoại của cột thép được xác định là do sự mất ổn định cục bộ. Cột composite có khả năng chịu lực cao hơn nhiều so với cột thép vì sự mất ổn định cục bộ ở cột thép đã được ngăn chặn bằng lõi bê tông bên trong của cột composite. Mô men xoắn chảy dẻo và độ cứng xoắn trong phân tích lý thuyết dùng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn F.E.M gần như tương đương với các kết quả ở nghiên cứu thực nghiệm.
Năm 2007, Han và cộng sự [9] đã nghiên cứu ứng xử của ống thép thành mỏng nhồi bê tông khi chịu tải trọng xoắn thuần túy. Phần mềm ABAQUS được sử dụng trong nghiên cứu này để phân tích phần tử hữu hạn (FEA) của ống CFST chịu tải xoắn thuần túy. Kết quả được tính toán bằng mô hình này đã được cho thấy là đồng nhất tốt với kết quả của nghiên cứu thực nghiệm. Mô hình FEA được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số quan trọng khi xác định cường độ chịu xoắn tới hạn của mặt cắt ngang mẫu composite. Các nghiên cứu tham số cung cấp thông tin phục vụ cho việc tìm ra công thức để tính toán cường độ chịu xoắn tới hạn, cũng như quan hệ mômen xoắn với các đường cong biến dạng xoắn của mặt cắt ngang mẫu ống composite.
Trong cùng năm 2007, Han và cộng sự [10] đã nghiên cứu ứng xử xoắn của các cấu kiện ống CFST chịu tổ hợp tải. Nghiên cứu được thực hiện tìm hiểu ứng xử xoắn
của ống thép thành mỏng nhồi bê tông khi chịu tổ hợp tải như là nén và xoắn kết hợp, uốn và xoắn, nén, uốn và xoắn. Phần mềm ABAQUS được sử dụng trong nghiên cứu này để phân tích phần tử hữu hạn (FEA). So sánh các kết quả được tính toán bằng mô hình này nhìn chung là rất phù hợp với các kết quả nghiên cứu thực nghiệm. Mô hình FEA sau đó được sử dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số quan trọng khi xác định cường độ tới hạn của các tải thành phần trong tổ hợp tải, chẳng hạn như nén và xoắn, uốn và xoắn, nén, uốn và xoắn. Các nghiên cứu tham số cung cấp cho việc tìm ra công thức tính toán cường độ tới hạn của các tải thành phần khi cấu kiện chịu tổ hợp tải.
Sau đó 2 năm, Lee và cộng sự [11] đã nghiên cứu lý thuyết ứng xử của cột tròn ống CFST chịu xoắn. Trong nghiên cứu này, các tác giả có xét đến hiệu ứng kháng nở hông của ống thép, hiệu ứng mềm hóa bê tông và hiệu ứng xoắn ốc. Bên cạnh đó, hiệu ứng theo hai phương của vết nứt xiên cũng được xem xét. Bằng cách kết hợp các yếu tố này vào phương trình tương thích và phương trình cân bằng, công thức đơn giản mô tả ứng xử xoắn của ống CFST đã được rút ra.
Năm 2012, Wang và cộng sự [12] đã nghiên cứu về ứng xử của cột thép nhồi bê tông khi chịu tải trọng kết hợp gồm tải trọng xoắn thuần túy tuần hoàn và tải trọng nén xoắn tuần hoàn. Dựa trên thí nghiệm bán tĩnh của tám cột CFST chịu tải trọng xoắn thuần túy và tải trọng nén xoắn tuần hoàn, ứng xử xoắn của cột CFST với các loại tiết diện khác nhau, tỷ lệ thép và các cấp tải trọng dọc trục khác nhau đã được nghiên cứu.
Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng đường cong độ trễ của các cột CFST dưới tải xoắn thuần túy và tải trọng nén xoắn tuần hoàn thấp là tròn đầy. Độ cứng khi dỡ tải của các cột CFST bằng với độ cứng đàn hồi ban đầu. Khả năng chịu xoắn của các cột CFST có thể được cải thiện với tải trọng nén dọc trục nhỏ và độ bền dẻo cũng tốt hơn. Nhưng khả năng chịu xoắn của cột CFST sẽ bị giảm khi tải trọng nén dọc trục lớn. Khi cột CFST chịu xoắn thuần túy, các thành phần nén chéo dạng xoắn ốc sẽ được tạo ra trên lõi bê tông. Và các thành phần dọc trục của lực nén chéo này sẽ bằng với cường độ chịu kéo dọc trục của ống thép để thỏa mãn điều kiện cân bằng tải trọng dọc trục trên mặt cắt ngang. Do đó biến dạng dọc trục sẽ được tính từ ống thép. Biến dạng cắt có mối quan hệ tuyến tính với góc quay của mặt cắt ngang khi các cột CFST chịu tổ hợp tải trọng xoắn thuần túy và nén - xoắn. Dựa vào kết quả thí nghiệm và các tài liệu sẵn có, cơ chế xoắn của cột CFST đã được phân tích sơ bộ.
Một năm sau, Nie và cộng sự [13] đã nghiên cứu thực nghiệm cột ống CFST chịu tổ hợp tải nén – uốn – xoắn tuần hoàn. Tỷ lệ mô men uốn, mô men xoắn và tải trọng nén dọc trục trong tổ hơp tải đã được nghiên cứu dựa trên quan hệ lực – chuyển vị của tám cột CFST chịu tổ hợp tải nén, uốn và xoắn tuần hoàn. Bên cạnh đó, ứng xử cơ học của các cột CFST có tiết diện khác nhau cũng được nghiên cứu. Kết quả thí nghiệm cho thấy độ trễ các đường cong của các cột CFST dưới tổ hợp tải nén, uốn và xoắn là tròn đầy nhờ vào ứng xử kháng chấn tốt và độ dẻo cao. Nhưng đối với các cột CFST có tiết diện hình chữ nhật có tỷ lệ mômen uốn với mô men xoắn cao, sự suy giảm cường độ được quan sát do sự mất ổn định cục bộ của ống thép ở phía dưới. Cường độ chịu xoắn của các cột CFST cũng bị giảm theo mô men uốn. Biến dạng dọc trục của mặt cắt ngang giả thuyết của cột CFST được thỏa mãn. Biến dạng cắt của ống thép có mối quan hệ tuyến tính với góc quay của mặt cắt khi các cột CFST chịu tổ hợp tải nén, uốn và xoắn. Dựa trên các kết quả thí nghiệm và tài liệu sẵn có, ứng xử cơ học của các cột CFST đã được phân tích định tính.
Trong cùng năm 2013, Huang và cộng sự [14] đã nghiên cứu ống thép hai lớp nhồi bê tông (CFDST) chịu tải trọng xoắn thuần túy. Trong nghiên cứu đã tiến hành một loạt các thí nghiệm trên các ống thép hai lớp nhồi bê tông (CFDST) chịu tải trọng xoắn thuần túy. Các mẫu được chia thành hai nhóm. Nhóm 1 gồm các mẫu có ống thép ngoài và ống thép trong đều là hình tròn (CHS). Nhóm 2 gồm các mẫu có phần ống thép trong là hình tròn và ống thép ngoài là hình vuông (SHS). Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để phân tích dạng phá hoại và đường cong mô men xoắn hoàn chỉnh của các mẫu thí nghiệm, cũng như là sự tương tác giữa các ống thép và phần bê tông kẹp giữa của các mẫu CFDST. Sự phân tích, đánh giá trên đã cho thấy rằng các kết quả được tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn là phù hợp với các kết quả thực nghiệm. Sáu thông số quan trọng ảnh hưởng đến mô men xoắn và đường cong xoay được xác định.
Các thông số đó là tỷ lệ thép danh nghĩa, cường độ chảy dẻo của ống thép bên ngoài và ống thép bên trong, cường độ chịu nén của bê tông, tỷ lệ chiều rộng trên chiều dày của ống thép bên trong và tỷ lệ của tiết diện rỗng trên mặt cắt ngang. Cuối cùng, các công thức thiết kế đã được đề xuất để tính toán khả năng chịu xoắn của các mẫu CFDST.
Và cũng trong thời gian này, Wang và cộng sự [15] đã xây dựng mô hình lý thuyết và nghiên cứu cột ống CFST chịu tổ hợp tải xoắn và nén dọc trục. Trong thực tế, hiệu
ứng xoắn thường được tạo ra trong các cột CFST khi động đất xảy ra. Dựa trên kích thước hình học, vật liệu cấu thành và phương trình cân bằng, một mô hình lý thuyết là mô hình ống nhiều lớp được đề xuất để phân tích ứng xử cơ học của các cột CFST khi chịu tổ hợp tải xoắn và nén dọc trục. Hiệu ứng kháng nở hông nhờ ống thép bên ngoài và hiệu ứng nén mềm hóa của bê tông được xem xét trong mô hình vật liệu bê tông. Dựa trên mô hình lý thuyết, chương trình phân tích phi tuyến tính được phát triển để gia tải cho các cột CFST chịu tổ hợp tải xoắn và nén dọc trục. Các kết quả dự đoán phù hợp với kết quả thực nghiệm. Ứng xử xoắn của các cột CFST đã được đánh giá chi tiết dựa trên mô hình lý thuyết. Các công thức đơn giản hóa cho thiết kế thực tế cũng được đề xuất dựa trên các phương pháp hồi quy.
Một năm sau, Wang và cộng sự [16] đã nghiên cứu sử dụng phần tử thớ dầm - cột (fiber beam - column element) cho cột tròn ống CFST chịu tổ hợp tải nén dọc trục – uốn – xoắn. Khi chịu tải trọng động đất theo phương ngang, tổ hợp tải nén – uốn – xoắn thường xuất hiện trong các trụ của cầu cong vì tâm cứng và trọng tâm của cầu cong thường không trùng nhau. Một phần tử thớ dầm - cột có xem xét ứng xử xoắn phi tuyến đối với ống thép tròn nhồi bê tông được phát triển dựa trên mô hình thớ dầm - cột truyền thống. Các công thức tính toán và giải pháp đề xuất từ mô hình thớ dầm - cột cũng được minh họa. Các mối quan hệ hình học, định luật vật liệu và phương trình cân bằng lực đều được áp dụng. Dựa trên các nguyên tắc của phần tử thớ dầm-cột xem xét hiệu ứng xoắn, một chương trình giải pháp phi tuyến được phát triển bằng ngôn ngữ FORTRAN.
Toàn bộ sức chịu tải của các cột ống CFST khi chịu tổ hợp tải nén – uốn - xoắn được dự đoán và có sự đồng nhất cao với kết quả nghiên cứu thực nghiệm. Sử dụng mô hình thớ dầm - cột được đề xuất để phân tích dầm cầu cong composite thu được độ chính xác và ứng xử cao hơn so với mô hình phần tử hữu hạn truyền thống.
Năm 2014, Wang vào cộng sự [17] đã nghiên cứu ảnh hưởng hiệu ứng xoắn của trên trụ cầu cong sử dụng ống CFST khi chịu những trận động đất hiếm gặp. Để nghiên cứu các hiệu ứng xoắn trong các trụ của cầu dầm composite khi chịu những trận động đất hiếm gặp, một mô hình phần tử hữu hạn được thiết lập dựa trên mô hình thớ dầm – cột cho các ống CFST có xét đến hiệu ứng xoắn. Ba sóng tác động của các động đất khác nhau đã được áp dụng. Nghiên cứu so sánh giữa các kết quả từ việc có xét đến và không có xét đến hiệu ứng xoắn về chuyển vị, góc xoắn và nội lực của các trụ. Kết quả
thí nghiệm có xét đến hiệu ứng xoắn được phân tích chi tiết hơn để tìm ra các yếu tố ảnh hưởng chính. Kết quả cho thấy rằng hiệu ứng xoắn trong các trụ của cầu dầm cong composite trong điều kiện động đất hiếm gặp có thể được đánh giá một cách hiệu quả bằng cách sử dụng mô hình thớ dầm – cột đã được đề xuất. Hơn nữa, kết quả cũng thể hiện rằng bán kính và chiều cao của trụ là những yếu tố ảnh hưởng chính đến hiệu ứng xoắn của trụ cầu dầm cong composite khi chịu tải trọng động đất theo theo phương chiều dài.
Năm 2014, Wang và cộng sự [18] đã nghiên cứu sự phân phối biến dạng cắt trong mặt cắt ngang của ống thép hình chữ nhật nhồi bê tông chịu tải trọng xoắn. Thí nghiệm tiến hành trên cột ống CFST có tiết diện hình chữ nhật chịu tải trọng xoắn thuần túy và tổ hợp tải nén – xoắn. Các đường cong kích thích của mô men xoắn so với góc xoay cũng được ghi nhận trong thí nghiệm. Dựa trên các nguyên lý của cơ học vật liệu, mối quan hệ giữa độ cong xoắn của mặt cắt và biến dạng cắt của thớ tại mặt cắt đã được thiết lập. Tiếp đó, sự phân phối biến dạng mặt cắt trên mặt cắt hình chữ nhật của cột ống CFST cũng được phân tích. Mô hình phần tử hữu hạn cải tiến ba chiều cũng được xây dựng để nhằm mục đích kiểm chứng. Cuối cùng, các dạng ma trận của mối quan hệ giữa độ cong xoắn trên mặt cắt và biến dạng cắt của thớ trên mặt cắt đã được dẫn xuất và đưa vào mô hình dầm thớ có xem xét hiệu ứng xoắn. So sánh giữa kết quả thực nghiệm và kết quả tính toán cho thấy rằng mô hình dầm thớ có xem xét hiệu ứng xoắn đạt sự tương thích và độ chính xác để dự đoán ứng xử xoắn của các cột ống CFST có tiết diện hình chữ nhật. Mô hình cũng phù hợp để phân tích phản ứng động của các kết cấu chịu tổ hợp các tải trọng tuần hoàn do tác động của động đất.
Năm 2014, Wang và cộng sự [19] đã nghiên cứu ứng xử xoắn của ống CFST có tiết diện hình tròn. Các thí nghiệm trên cột ống CFST bê tông chịu tải trọng xoắn thuần túy và tải trọng nén - xoắn tuần hoàn đã được thực hiện. Các đường cong trễ từ các thí nghiệm được so sánh với các kết quả dự đoán được tính toán bởi mô hình ống nhiều lớp.
Sự so sánh cho thấy sự tương thích giữa hai kết quả. Dựa trên mô hình ống nhiều lớp, ứng xử xoắn cơ học của cột ống CFST đã được phân tích và đánh giá về các yếu tố bao gồm sự phân phối nội lực, sự điều chỉnh phân phối biến dạng và các yếu tố ảnh hưởng chính. Theo kết quả từ mô hình ống nhiều lớp, một công thức đơn giản phù hợp với thiết
kế thực tế đã được đề xuất bằng phương pháp hồi quy để tính toán quan hệ tương tác giữa cường độ chịu xoắn và cường độ chịu xoắn – nén dọc trục.
Năm 2014, Wang và cộng sự [20] đã nghiên cứu áp dựng mô hình thớ dầm – cột cho cột ống CFST có xét đến hiệu ứng xoắn. Dựa trên các kết quả nghiên cứu hiện có, mô hình thớ dầm – cột cho các cột ống nhồi thép bê tông có xem xét hiệu ứng xoắn đã được sử dụng cho mô hình hệ thống thanh phần tử hữu hạn của dầm cầu cong composite.
Mô hình tấm cải tiến, mô hình đa tỷ lệ và mô hình thớ dầm – cột cổ điển cũng được thiết lập để so sánh. Bốn sóng động đất theo các hướng khác nhau đã được sử dụng. Nghiên cứu toàn diện trên kết quả phân tích đã được thực hiện về các tiêu chí bao gồm tần số dao động riêng, chuyển vị đỉnh ở mặt cắt của trụ, góc xoắn và nội lực của trụ. Kết quả cho thấy rằng tốc độ mô hình hóa cao, hiệu quả của giải pháp và độ chính xác thu được từ phân tích phản ứng của dầm cầu cong composite chịu tải trọng động đất. Hiệu ứng xoắn trong các trụ của dầm cầu cong composite chịu tải trọng động đất theo phương chiều dài có thể được đánh giá một cách hiệu quả.
Sau đó 2 năm, Wang và cộng sự [21] đã nghiên cứu xây dựng một mô hình để phân tích phi tuyến ứng xử xoắn của ống CFST có tiệt diện hình tròn. Nghiên cứu thực nghiệm trên các cột ống CFST tiết diện hình chữ nhật chịu tổ hợp tải nén, uốn và xoắn đã được thực hiện. Các dạng phá hoại và quan hệ giữa tải và biến dạng đã được thu thập. Dựa trên các nguyên tắc của cơ học vật liệu cổ điển, mối quan hệ giữa độ cong xoắn của mặt cắt và biến dạng cắt của thớ trên mặt cắt đã được thiết lập. Sau đó, sự phân phối biến dạng trên mặt cắt hình chữ nhật của các cột ống CFST chịu xoắn được phân tích. Mô hình phần tử hữu hạn ba chiều cũng được xây dựng nhằm mục đích dự đoán xác minh chính xác. Các dạng ma trận của mối quan hệ giữa độ cong xoắn của mặt cắt và biến dạng cắt của thớ trên mặt cắt đã được dẫn xuất và đưa vào mô hình dầm thớ có xem xét hiệu ứng xoắn phi tuyến trên mặt cắt. So sánh giữa các kết quả thí nghiệm và các kết quả tính toán cho thấy mô hình dầm thớ có xem xét hiệu ứng xoắn phi tuyến đạt hiệu quả mô hình hóa cao và dự đoán chính xác ứng xử xoắn của các cột ống CFST tiết diện hình chữ nhật. Mô hình này phù hợp để phân tích phản ứng động của nhiều loại kết cấu khác nhau khi chịu tải trọng tuần hoàn kết hợp gây ra bởi tải trọng động đất.