Luận văn Thạc sĩ - Tính toán dầm thép ồng nhồi bê tông và mô phỏng bằng phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP. HỒ CHÍ MINH
TRẦN ĐẮC HỒNG Q

TÍNH TỐN DẦM THÉP ỐNG NHỒI BÊ TÔNG
VÀ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN TỬ HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DD & CN

TP. HỒ CHÍ MINH 2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP. HỒ CHÍ MINH
TRẦN ĐẮC HỒNG Q

TÍNH TỐN DẦM THÉP ỐNG NHỒI BÊ TÔNG
VÀ MÔ PHỎNG BẰNG PHẦN TỬ HỮU HẠN
Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình DD & CN
Mã số

: 60 58 02 08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH DD & CN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN VĂN PHÚC

TP. HỒ CHÍ MINH 2015


i

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Trần Văn Phúc , người thầy
đã định hướng khoa học, tận tâm giúp đỡ và đưa ra những lời khun q giá giúp
tơi hồn thành luận văn này.
Xin cảm ơn Ban giám hiệu, phòng quản lý đào tạo Sau đại học, khoa Kỹ thuật
xây dựng công trình dân dụng và cơng nghiệp của trường Đại học Kiến Trúc Tp HCM
đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tơi trong suốt q trình học và làm luận
văn tốt nghiệp.
Một lịng biết ơn vơ hạn gửi đến cha mẹ, những người luôn dõi theo từng bước
đi, luôn quan tâm, động viên khi con gặp bế tắc, khó khăn trong cuộc sống. Cha mẹ
ln là tấm gương để con học tập và noi theo.
Cuối cùng xin cảm ơn đến các bạn lớp cao học K20 đã tận tình giúp đỡ mình
trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp.


ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này giới thiệu về kết cấu thép ống nhồi bê tông (CFST), ưu nhược
điểm và ứng dụng loại kết cấu này ngồi thực tế. Trình bày phương pháp cắt lớp
( Partition method), phương pháp phần tử hữu hạn, cách thành lập ma trận độ cứng
phần tử, tính tốn chuyển vị, biến dạng…của phần tử, các phương pháp lặp để giải

bài tốn phi tuyến từ đó áp dụng để lập đoạn chương trình nhỏ tự động tính tốn kết
cấu thép ống nhồi bê tơng tiết diện trịn chịu uốn, có kể đến ứng xử phi tuyến của vật
liệu bằng phương pháp cắt lớp trên ngôn ngữ Matlab.
Giới thiệu phần mềm mô phỏng Abaqus và áp dụng để mô phỏng dầm thép ống
nhồi bê tông chịu uốn, so sánh kết quả tính tốn với phương pháp cắt lớp.
Kết quả nghiên cứu cịn cho thấy tính hiệu quả của bê tơng trong kết cấu CFST
với các kích thước dầm khác nhau và tỷ lệ đường kính chia chiều dài khác nhau.


iii
MỤC LỤC
MỤC LỤC HÌNH ẢNH MINH HỌA ...................................................................... v
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... viii
MỤC LỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ........................................................... ix
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
NỘI DUNG ................................................................................................................ 3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................... 3
1.1. Giới thiệu về kết cấu thép ống nhồi bê tơng ........................................................3
1.2. Tình hình nghiên cứu và sự đóng góp của đề tài .................................................6
1.2.1. Các cơng trình nghiên cứu trên thế giới ............................................................6
1.2.2. Các cơng trình nghiên cứu trong nước ..............................................................9
1.2.3. Sự đóng góp của đề tài nghiên cứu .................................................................10
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN DẦM THÉP ỐNG NHỒI BÊ
TƠNG ........................................................................................................................ 12
2.1. Mơ hình phần tử hữu hạn ...................................................................................12
2.1.1. Các giả thiết cơ bản .........................................................................................12
2.1.2. Mơ hình vật liệu ..............................................................................................12
2.1.3. Rời rạc hóa kết cấu ..........................................................................................15
2.1.4. Ma trận độ cứng phần tử .................................................................................15
2.1.5. Chuyển từ hệ trục tọa độ địa phương về tọa độ toàn cục ................................19

2.2. Giới thiệu phương pháp cắt lớp (Partition method ) ..........................................20
2.3. Thuật toán giải phi tuyến....................................................................................23
2.3.1. Thuật toán Euler ..............................................................................................24
2.3.2 Thuật toán Newton ...........................................................................................25
2.3.2.1. Phương pháp lặp Newton .............................................................................25
2.3.2.2. Phương pháp lặp Newton – Raphson ...........................................................26
2.4. Chương trình tính toán CFST bằng Matlab .......................................................27


iv
CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG DẦM THÉP ỐNG NHỒI BÊ TÔNG BẰNG PHẦN
MỀM ABAQUS ........................................................................................................ 31
3.1. Mơ hình phần tử .................................................................................................31
3.2. Mơ hình vật liệu .................................................................................................32
3.2.1. Bê tơng khi chịu nén .......................................................................................32
3.2.2. Bê tông khi chịu kéo .......................................................................................33
3.2.3. Thép .................................................................................................................34
3.3. Bước phân tích (Step) ........................................................................................35
3.4. Ràng buộc (Constraint) ......................................................................................36
3.5. Tương tác (Interaction) ......................................................................................36
3.6. Điều kiện biên (Boundary conditions) ...............................................................39
3.7. Điều kiện tải trọng (Loading conditions) ...........................................................39
3.8. Chia lưới (Mesh) ................................................................................................39
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN DẦM THÉP ỐNG NHỒI BÊ TƠNG .......................... 40
4.1. Giới thiệu............................................................................................................40
4.2. Ví dụ tính tốn ....................................................................................................41
4.2.1. Dầm thép rỗng 1200x80x4 (CHT) ..................................................................41
4.2.2. Dầm CFST 1200x80x4 ...................................................................................47
4.2.3. Dầm 2400x160x8 ............................................................................................52
4.2.4. Dầm 2400x160x2 ............................................................................................56

4.3. Kết luận và nhận xét ...........................................................................................61
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 62
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


v

MỤC LỤC HÌNH ẢNH MINH HỌA
Hình 1.1 : Các dạng tiết diện ống thép nhồi bê tơng CFST [13] .............................3
Hình 1.2 : Tòa nhà Millennium Tower (Vienna –Austria) ( Nguồn: Internet ) ........4
Hình 1.3 : Cầu Đơng Trù ( Hà Nội ) ( Nguồn: Internet ) ..........................................5
Hình 1.4 : Tiết diện elip trong thí nghiệm [15 ] .......................................................8
Hình 2.1 : Mơ hình bê tơng chịu nén [9] .................................................................13
Hình 2.2 : Mơ hình bê tơng chịu kéo [16] ...............................................................14
Hình 2.3 : Mơ hình thép là đàn hồi dẻo tái bền [10] ...............................................14
Hình 2.4: Chia dầm thành ne phần tử [Tác giả] ......................................................15
Hình 2.5 : Đoạn dầm chịu tải trọng w(x) [5] ..........................................................15
Hình 2.6 : Dạng phần tử dầm [5] ............................................................................16
Hình 2.7: Chuyển vị tại nút phần tử dầm [5] ..........................................................16
Hình 2.8 : Mối quan hệ chuyển vị - biến dạng của phần tử [5] ..............................17
Hình 2.9: Chia thớ tiết diện [Tác giả] ....................................................................20
Hình 2.10 : Ứng xử tải trọng – độ võng của dầm làm việc phi tuyến [Tác giả] .....23
Hình 2.11 : Minh họa thuật toán Euler đơn giản [Tác giả] .....................................24
Hình 2.12 : Mơ hình thuật tốn Newton [Tác giả] ..................................................25
Hình 2.13 : Mơ hình thuật tốn Newton – Raphson [6] ..........................................26
Hình 3.1: Mơ hình phần tử thép và bê tơng [Tác giả] .............................................31
Hình 3.2: Mơ hình dầm CFST trong Abaqus [Tác giả] ..........................................32
Hình 3.3: Sơ đồ biểu diễn quan hệ ứng suất – biến dạng bê tông chịu nén [9] ......33
Hình 3.4: Sơ đồ biểu diễn quan hệ ứng suất – biến dạng bê tông chịu kéo [11] ....34

Hình 3.5 : Sơ đồ biểu diễn quan hệ ứng suất – bề rộng vết nứt bê tông chịu kéo .34
Hình 3.6 : Sơ đồ biểu diễn quan hệ ứng suất – biến dạng thép [Tác giả] ...............35
Hình 3.7: Định nghĩa ứng xử thép – bê tông theo phương tiếp tuyến [Tác giả] .....37
Hình 3.8: Định nghĩa ứng xử thép – bê tơng theo phương pháp tuyến [Tác giả] ...37
Hình 3.9: Gán tương tác giữa ống thép và lõi bê tông [Tác giả] ............................38


vi
Hình 4.1: Dầm thép rỗng 1200x80x4......................................................................41
Hình 4.2: Sơ đồ phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang ............................................42
Hình 4.3: Sơ đồ phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang tiết diện khi dầm làm việc
ngồi miền đàn hồi.................................................................................43
Hình 4.4 : Kết quả ứng suất – biến dạng của thép tính bằng Abaqus .....................45
Hình 4.5 : Kết quả ứng suất – biến dạng của thép tính bằng phương pháp PM .....45
Hình 4.6: Quan hệ tải trọng - chuyển vị dầm thép rỗng 1200x80x4 ......................46
Hình 4.7: Quan hệ tải trọng - biến dạng dầm thép rỗng 1200x80x4 ......................46
Hình 4.8: Dầm CFST 1200x80x4 ...........................................................................48
Hình 4.9: Quan hệ tải trọng - chuyển vị giữa dầm CFST 1200x80x4 tính bằng
phương pháp PM và Abaqus .................................................................49
Hình 4.10: Quan hệ tải trọng - biến dạng giữa dầm CFST 1200x80x4 tính bằng
phương pháp PM và Abaqus .................................................................50
Hình 4.11 : Quan hệ tải trọng-chuyển vị của dầm CHT và CFST 1200x80x4 ......51
Hình 4.12 :Quan hệ tải trọng-biến dạng của dầm CHT và CFST 1200x80x4 ........51
Hình 4.13 : Dầm CFST 2400x160x8 ......................................................................52
Hình 4.14 : Quan hệ tải trọng-chuyển vị của dầm CHT-CFST 2400x160x8 .........54
Hình 4.15 : Quan hệ tải trọng-biến dạng của dầm CHT-CFST 2400x160x8 .........54
Hình 4.16 : Quan hệ tải trọng-chuyển vị của dầm CFST 2400x160x8 tính bằng
phương pháp PM và Abaqus ...............................................................55
Hình 4.17 : Quan hệ tải trọng-biến dạng của dầm CFST 2400x160x8 tính bằng
phương pháp PM và Abaqus ................................................................55

Hình 4.18 : Dầm CFST 2400x160x2 ......................................................................56
Hình 4.19 : Quan hệ tải trọng-chuyển vị dầm CHT-CFST 2400x160x2 ................58
Hình 4.20 : Quan hệ tải trọng - biến dạng dầm CHT-CFST 2400x160x2 ..............58
Hình 4.21 : Quan hệ tải trọng-chuyển vị dầm CFST 2400x160x2 tính bằng phương
pháp PM và Abaqus ...............................................................................59


vii
Hình 4.22 : Quan hệ tải trọng-biến dạng dầm CFST 2400x160x2 tính bằng phương
pháp PM và Abaqus ...............................................................................60


viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1: Thơng số trong chương trình CFST-PM ................................................27
Bảng 4.1:Thông số vật liệu khai báo trong chương trình Matlab, CFST.m ...........40
Bảng 4.2: Thơng số vật liệu trong Abaqus ..............................................................41
Bảng 4.3: Kết quả tính tốn bằng phương pháp PM ...............................................43
Bảng 4.4: Kết quả tính tốn theo Abaqus ..............................................................44
Bảng 4.5: Kết quả tính tốn bằng phương pháp PM ...............................................48
Bảng 4.6: Kết quả tính tốn theo Abaqus ..............................................................48
Bảng 4.7: Kết quả tính dầm thép rỗng 2400x160x8 bằng phương pháp PM ........52
Bảng 4.8: Kết quả tính dầm CFST 2400x160x8 bằng phương pháp PM ...............53
Bảng 4.9: Kết quả tính dầm C 2400x160x8 bằng Abaqus .....................................53
Bảng 4.10: Kết quả tính dầm thép rỗng 2400x160x2 bằng phương pháp PM ......56
Bảng 4.11: Kết quả tính dầm CFST 2400x160x2 bằng phương pháp PM ............57
Bảng 4.12: Kết quả tính dầm CFST 2400x160x2 bằng Abaqus ............................57

ix

MỤC LỤC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
CFST : kết cấu thép ống nhồi bê tông
CHT : dầm thép rỗng
EU4 : tiêu chuẩn Eurocode 4
PM : phương pháp Partition method
PTHH: phần tử hữu hạn
D : đường kính ngồi ống thép
t : chiều dày ống thép
σc : ứng suất trên mỗi thớ bê tông ;
fck : là cường độ chịu nén của mẫu bê tơng trụ trịn ;
εc : biến dạng nén của mỗi thớ bê tông ;
εc2 : biến dạng nén khi ứng suất của bê tông đạt giá trị fck ;
εcu2 : biến dạng nén khi ứng suất của bê tông đạt giá trị fctm ;
fctm : là cường độ chịu kéo của mẫu bê tơng trụ trịn.
Ectm : mô đun đàn hồi khi kéo của bê tông.
εct : biến dạng kéo khi ứng suất của bê tông đạt giá trị fctm ;
εctu : biến dạng kéo cực hạn của bê tông ;
fy : giới hạn chảy của thép;
fu : ứng suất giới hạn của thép;
εy : biến dạng chảy của thép;
εu : biến dạng giới hạn của thép;
Es : mô đun đàn hồi của thép;
Et : mô đun tái bền của thép;
{r} : véc tơ lực nút phần tử;
[Ke]: ma trận độ cứng cát tuyến phần tử ;
[K] : ma trận độ cứng dầm;
{d}: véc tơ chuyển vị nút phần tử ;

x
{FEA} : véc tơ của các lực đầu mút phần tử do cộng tác dụng các lực tập trung tác
dụng vào phần tử ;
[Te] : ma trận chuyển từ hệ tọa độ địa phương về hệ tọa độ tổng thể ;
ysi : khoảng cách từ trọng tâm thớ thép thứ i đến mép chịu kéo của tiết diện;
yci : khoảng cách từ trọng tâm thớ bê tông thứ i đến mép chịu kéo của tiết diện ;
Asi : diện tích thớ thép thứ i;
Aci : diện tích thớ bê tơng thứ i;
x : khoảng cách từ trục trung hòa đến mép chịu nén của tiết diện;
ϕ

: độ cong tiết diện;

σci : ứng suất thớ bê tông thứ i ;
σsi : ứng suất thớ thép thứ i ;
Pci : lực kéo do ứng suất trên thớ bê tông thứ i;
P’ci : lực nén do ứng suất trên thớ bê tông thứ i;
Psi : lực kéo do ứng suất trên thớ thép thứ i;
P’si : lực nén do ứng suất trên thớ thép thứ i;
Mci : mô men uốn do lực kéo/ nén của từng thớ bê tông;
Msi : mô men uốn do lực kéo/ nén của từng thớ thép;
M : khả năng chịu mô men uốn của phần tử;


1

MỞ ĐẦU
1. Tên đề tài
Tính tốn dầm thép ống nhồi bê tông và mô phỏng bằng phần tử hữu hạn.

2. Tính cấp thiết của đề tài
Trong nhiều thập kỷ qua, kết cấu thép ống nhồi bê tông (CFST) được sử dụng
rộng rãi trên thế giới trong các kết cấu dân dụng cũng như cầu đường. Kết cấu CFST
tận dụng được khả năng chịu lực của ống thép và khắc phục được nhược điểm của
ống thép là chống mất ổn định cục bộ và chịu lửa kém bằng cách nhồi đầy bê tơng.
Tính tốn kết cấu CFST đã được đưa vào tiêu chuẩn nhiều quốc gia. Ở Việt
Nam kết cấu CFST đã và đang được sử dụng rộng rãi trong xây dựng cầu nhưng chưa
áp dụng nhiều trong xây dựng dân dụng và cũng chưa có tiêu chuẩn hướng dẫn cụ thể
việc tính tốn. Vì vậy tìm hiểu ưu nhược điểm và phương pháp tính tốn kết cấu
CFST là đề tài thiết thực.
3. Mục tiêu của đề tài
+ Trình bày phương pháp tính tốn dầm CFST tiết diện trịn bằng phương pháp
cắt lớp ( Partition method ).
+ Lập chương trình tính tốn khả năng chịu lực dầm CFST bằng Matlab.
+ Mơ phỏng dầm CFST tiết diện tròn bằng Abaqus và đưa ra so sánh với kết
quả tính tốn bằng phương pháp cắt lớp ( Partition method ) .
4. Phương pháp nghiên cứu của đề tài
Phương pháp thu thập thông tin :
+ Tổng hợp tư liệu từ các bài báo, tiêu chuẩn, luận văn, sách.
+ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán, phương pháp cắt lớp ( Partition
method).
+ Nghiên cứu lý thuyết phần tử hữu hạn và chương trình Matlab.
+ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của chương trình Abaqus và ứng dụng để mô
phỏng dầm CFST.


2
Phương pháp xử lý thông tin : từ những tài liệu thu thập được, học viên chọn
lọc những cơ sở lý thuyết về phần tử hữu hạn, phương pháp chia thớ, các đặc trưng
vật liệu, mơ hình Abaqus… phù hợp với nội dung của đề tài.

Phương pháp so sánh đánh giá: từ kết quả đạt được bằng tính tốn và mô
phỏng thể hiện qua các biểu đồ tải trọng – biến dạng, học viên so sánh khả năng chịu
lực của dầm CFST tiết diện tròn. Cuối cùng là đưa ra kết luận dựa trên kết quả đạt
được và mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo.
5. Ý nghĩa của đề tài
Giới thiệu phương pháp cắt lớp và áp dụng vào tính tốn dầm ống thép nhồi bê
tơng tiết diện trịn.
Dùng phần mềm Abaqus để mô phỏng dầm CFST chịu uốn thuần túy, cho ta
thấy được ứng xử , khả năng làm việc của vỏ thép và lõi bê tơng. Có thể áp dụng mơ
phỏng bằng Abaqus thay cho kết quả thí nghiệm thực tế.
6. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đề tài chỉ tính tốn khả năng chịu lực của dầm CFST đơn giản chịu uốn, tiết
diện hình trịn, chịu tải trọng tĩnh.
7. Hạn chế của đề tài
Chưa đưa vào các kết quả thí nghiệm thực tế để so sánh kết quả.


3

NỘI DUNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu về kết cấu thép ống nhồi bê tông
Ống thép nhồi bê tông là kết cấu mà chịu lực chính là ống thép rỗng được nhồi
đặc bằng bê tông. Thường dùng các ống thép hình trịn hoặc vng, chữ nhật.

Hình 1.1 : Các dạng tiết diện ống thép nhồi bê tông CFST [13]
Kết cấu CFST cung cấp nhiều lợi ích bao gồm: cường độ cao, kháng lửa, độ
dẻo và khả năng hấp thụ năng lượng lớn…Việc nhồi bê tông vào ống thép nâng cao
độ bền chống ăn mòn của thép, tăng độ ổn định cục bộ của thành ống làm tăng khả
năng chống móp méo, biến dạng của vỏ ống khi chịu va đập. Ngồi ra khơng cần sử

dụng ván khn trong cơng tác bê tơng do đó tiết kiệm được về chi phí và thời gian
thi công.
Ở Nga, năm 1936 dưới sự chỉ đạo của viện sĩ G.P. Pêrêdêri người Nga đã xây
dựng xong chiếc cầu nhịp 110 m qua sông Neeva ở Xanh Pêtecbua. Kết cấu dạng dàn
với cánh trên là bó 40 ống thép đường kính 140 x 5 mm nhồi bê tông. Trong những
năm 40 của thế kỷ 19 giáo sư V.A Rasnôpski đã dùng ống thép mỏng nhồi bê tông
làm kết cấu chịu lực của nhiều đồ án thiết kế. [13]


4
Cơng trình dân dụng đầu tiên dùng kết cấu CFST là tòa nhà Millennium Tower
(Vienna –Austria) [11], gồm 55 tầng, cao hơn 202 m, diện tích sàn hơn 1000 m2, hoàn
thành trong 8 tháng từ tháng 5 đến 12 năm 1998. Sử dụng hệ dầm sàn composite và
cột nhồi bê tơng. ( Hình 1.2 )

Hình 1.2 : Tịa nhà Millennium Tower (Vienna –Austria) ( Nguồn: Internet )
Tại Việt Nam kết cấu ống thép nhồi bê tông được ứng dụng trong xây dựng
cầu. Cây cầu đầu tiên áp dụng loại kết cấu này là cầu Ơng Lớn ( Tp Hồ Chí Minh)
nằm trên đường Nguyễn Văn Linh bắc qua rạch Ông Lớn, được đưa vào sử dụng năm
2004.
Gần đây cầu Đông Trù ( Hà Nội ) là cây cầu vòm ống thép nhồi bê tông, gồm 3
nhịp, nối từ xã Đông Hội, huyện Đông Anh sang phường Ngọc Thụy, quận Long
Biên. Cầu dài 1140m bố trí 8 làn xe.


5

Hình 1.3 : Cầu Đơng Trù ( Hà Nội ) ( Nguồn: Internet )
Kết cấu CFST cho hiệu quả cao khi sử dụng cho các kết cấu chịu nén và được
sử dụng rộng rãi trong xây dựng cầu và kết cấu cột nhà cao tầng. Còn đối với kết cấu

dầm CSFT chịu uốn thì có những ưu điểm gì? Đã có nhiều nghiên cứu thực nghiệm
và PTHH trên thế giới về dầm CFST và cho kết quả khả quan như:
+ Khảo sát dầm CFST tiết diện chữ nhật, vng, trịn, elip chịu uốn thuần túy;
+ Khảo sát dầm CFST tiết diện trịn chịu tải trọng tuần hồn;
+ Phân tích ứng xử phi tuyến của dầm CFST tiết diện tròn;
+ Phân tích PTHH dầm CFST tiết diện vng bằng phần mềm Ansys …
Từ những nghiên cứu trước đây trên thế giới và Việt Nam về dầm CFST, học
viên đã chọn hướng nghiên cứu về khả năng chịu uốn của dầm CFST tiết diện trịn
theo hướng tìm hiểu lý thuyết tính tốn và mơ phỏng tính tốn dầm CFST bằng
PTHH, từ đó đưa ra nhận xét về khả năng chịu lực và chuyển vị của dầm CFST, so
sánh với dầm thép rỗng. Đề xuất ứng dụng dầm CFST vào thực tiễn.


6
1.2. Tình hình nghiên cứu và sự đóng góp của đề tài
1.2.1. Các cơng trình nghiên cứu trên thế giới
- Năm 2001 Elchalakani M, Zhao XL, Grzebieta RH [12] đã đưa ra nghiên cứu
về ứng xử uốn của dầm CFST tiết diện trịn. Với tỉ lệ đường kính với chiều dày D/t
từ 12 – 110, nghiên cứu so sánh ứng xử của dầm thép rỗng tròn với dầm CFST tròn
chịu uốn dẻo thuần túy. Kết quả đưa ra với 13 < D/t < 40 , CFST đã ngăn chặn được
mất ổn định cục bộ gây ra chuyển vị lớn. Xuất hiện nhiều biến dạng dẻo hình sóng
hình thành trong miền đàn hồi khi 74 < D/t < 110. Nói chung CFST tăng cường khả
năng chịu lực, độ dẻo và hấp thu năng lượng lớn. Dựa vào các số đo vật liệu, giới hạn
dẻo D/t được tìm thấy là 112. Nghiên cứu đưa ra công thức đơn giản để xác định khả
năng chịu uốn cực hạn của CFST. Các quy tắc thiết kế hiện tại cho phép xác định mô
men cực hạn trong giới hạn độ mảnh 100 đến 188.
- Năm 2004 Mohamed Elchalakani, Xiao-Ling Zhao, Raphael Grzebieta [14]
công bố nghiên cứu ứng xử không đàn hồi của dầm CFST khi chịu tải trọng lặp. Thí
nghiệm này thực hiện bằng cách cho lịch sử tải trọng tác dụng lên các mầu CFST có
tỷ lệ D/t từ 20 đến 162. Ứng xử của dầm CFST cho thấy thông tin về sự chảy dẻo của

thép , tiếp đến là sự giảm nhanh chóng độ cứng, độ bền dựa vào tỷ lệ D/t.
Tải chu kì có tác dụng đáng kể đến dầm CFST đặc biệt là những dầm mảnh.
Lực giới hạn của CFST dưới tải tuần hoàn và tải tĩnh lần lượt gấp 1.15 và 1.24 lần
dầm rỗng.. Số đường gợn sóng tăng thêm ít nhất 1.5 lần khi CFST chịu tải tuần hoàn.
- Năm 2007 , Lanhui Guo, Sumei Zang, Wha Jung Kim và Gianluca Ranzi đã
khảo sát hiện tượng mất ổn định cục bộ trong ống thép rỗng và ống thép được nhồi
đầy bê tơng ứng với những tỷ số đường kính và chiều dày ống khác nhau. Các thí
nghiệm được tiến hành và thu thập kết quả từ 24 mẫu thử được trình bày trong nghiên
cứu này. Những mẫu thử có tỷ lệ đường kính trên chiều dày ống từ 50 đến 125. Trong
trường hợp bê tông được nhồi đầy vào ống thép, trạng thái mất ổn định cục bộ được
quan sát và người ta thấy rằng khả năng chịu mất ổn định cục bộ được nâng cao đáng
kể.


7
Kết luận được đưa ra là hiện tượng mất ổn định cục bộ có thể bỏ qua trong
trường hợp tỷ số đường kính chia chiều dày ống thép dưới 50, khi tỷ số này nằm trong
khoảng 50 đến 120 thì cần xét đến vấn đề ổn định cục bộ trong q trình tính tốn,
khi tỷ số lớn hơn 120 thì sự mất ổn định cục bộ trong ống thép tăng cao.
- Năm 2010 Soundararajan Arivalagan [17] đã nghiên cứu ứng xử uốn và cắt
của dầm CFST tiết diện hình vng 72 mm x 3.2 mm, dài 1.2 m, bằng phần mềm
Ansys. So sánh kết quả thực nghiệm dầm thép rỗng, dầm CFST thơng thường và dầm
CFST có phụ gia là chất thải dầu mỏ với PTHH. Ống thép được mô phỏng bằng mơ
hình vật liệu đàn hồi dẻo lý tưởng.
Thép và bê tông được mô phỏng bằng phần tử khối 8 nút với 45 bậc tự do mỗi
nút. Ống thép được chia thành khoảng 2000 phần tử với 2040 nút, bê tông 7140 phần
tử và 10251 nút. Tương tác giữa thép và bê tông được mô phỏng bằng kỹ thuật
“surface to surface”.
Kết quả nghiên cứu: Trong giai đoạn đàn hồi, thực nghiệm và PTHH cho kết
quả như nhau, đến giai đoạn chảy dẻo thì kết quả có sự chênh lệch nhưng không

nhiều; Tải trọng cực hạn cho giá trị gần bằng nhau; Ứng suất cho bởi PTHH có giá
trị lớn hơn thực nghiệm với dầm CFST; Từ kết quả cho thấy dầm CFST cho giá trị
ứng suất tăng, độ võng thấp hơn, cứng hơn so với dầm rỗng; Khi đến giai đoạn làm
việc phi tuyến có sự chênh lệch giữa thí nghiệm và PTHH. Từ kết quả nghiên cứu
chúng ta có thể thấy phương pháp PTHH có thể hỗ trợ tốt cho việc thiết kế dầm CFST.
- Tháng 4 năm 2014 Qing-Xin Ren, Lin-Hai Han, DennisLam, Wei Li [15] đã
khảo sát ứng xử của dầm CFST tiết diện elip dựa vào việc thay đổi tỉ lệ giữa vị trí đặt
tải và đường kính ống a/B, so sánh kết quả với tiết diện tròn tương ứng và ống thép
rỗng cùng tiết diện.
a : Khoảng cách từ gối tựa đến điểm đặt tải
B: trục lớn của tiết diện elip


8

Hình 1.4 : Tiết diện elip trong thí nghiệm [15 ]
Nghiên cứu đã đưa ra những kết luận là không có sự khác biệt đáng kể giữa
mẫu CFST elip và tròn tương ứng; Tỷ lệ a/B cũng ảnh hưởng đến ứng xử của dầm
elip CFST, Khả năng chịu uốn tăng 12% đến 22,3 % ứng với a/B từ 1.56 – 2.6 – 3.65;
khả năng chịu uốn của dầm CFST tăng 1.41 lần so với dầm thép rỗng; Ứng xử của
dầm CFST có thể dự đốn theo tiêu chuẩn EU4, DBJ/T13-51-2003, kết quả chênh
lệch khơng lớn lắm.
- Cơng thức tính mơ men uốn giới hạn của tiêu chuẩn các nước:
+ Theo Eurocode 4 [11]:
Khả năng chịu uốn tới hạn của CFST được kí hiệu Mpl.Rd
Mpl.Rd = Mmax.Rd - Mn.Rd
Mmax.Rd = wpafyd + wpsfsd + wpcfcd/2
Mn.Rd = wpanfyd + wpsnfsd + wpcnfcd/2
wpcn = (d - 2t)hn2
wpan = bhn2 – wpcn - wpsn

hn 

N pm.Rd  Asn  2 f sd  f cd 
2bf cd  4t  2 f yd  f cd 

N pm.Rd  Ac fcd

fcd = fck
wpan : mô đun dẻo của ống thép; wpsn : mô đun dẻo của cốt thép; wpcn : mô đun
dẻo của bê tông; fyd : giới hạn chảy của thép; fsd : giới hạn chảy của cốt thép; fck cường
độ chịu nén bê tơng; Asn diện tích cốt thép; Ac diện tích bê tơng; t chiều dày ống thép;
b đường kính ống thép.


9
+ Theo AISC – LRFD [18] mục I4
Công thức đơn giản để tính lực tới hạn của tiết diện composite ( công thức C14-1)
M n  Zf y 

A f 
h
1
 h2  2Cr  Ar f yr   2  w y  Aw f y
3
 2 1.7 f c h1 

Mn mô men giới hạn của tiết diện; Aw diện tích ống thép; Ar diện tích cốt thép;
Z mô đun dẻo của ống thép; Cr khoảng cách trung bình từ mép kéo, nén đến cốt thép
dọc; h1 bề rộng tiết diện composite vng góc với mặt phẳng uốn; h2 bề rộng tiết diện
composite song song với mặt phẳng uốn; fc khả năng chịu nén của mẫu bê tơng hình

trụ; fyr giới hạn chảy của cốt thép; fy giới hạn chảy của ống thép.
1.2.2. Các cơng trình nghiên cứu trong nước
- Năm 2012 TS Chu Thị Bình [1] đã đưa ra kết quả nghiên cứu thực nghiệm cột
ống thép nhồi bê tông trong điều kiện cháy và so sánh với kết quả mô phỏng bằng
phần mềm SAFIR.
Kết quả tính độ dãn dài của cột ở 5 phút đầu đốt thì lớn hơn so với kết quả đo.
Nhưng sau đó, kết quả thí nghiệm và kết quả đo tương đối giống nhau.
Trong mơ phỏng, cột có độ dẻo kém hơn so với kết quả thí nghiệm. Trước khi
bị phá hoại chuyển vị ngang của cột trong mô phỏng thay đổi theo thời gian với độ
dốc lớn. Cịn trong thí nghiệm, chuyển vị ngang tăng từ từ trong khoảng thời gian lớn
hơn.
Thí nghiệm có thấy sự mất ổn định cục bộ của ống thép bao ngồi trong khi mơ
phỏng bỏ qua hiện tượng này. Câu hỏi đặt ra là liệu sự mất ổn định cục bộ này có ảnh
hưởng lớn đến kết quả phân tích ứng xử của cột. Phân tích kỹ ứng suất -biến dạng
trong ống thép thấy rằng sau 30 phút chịu cháy, thép bên ngoài đã đạt nhiệt độ tới
trên 6000C, cường độ và độ cứng trong thép đã giảm gần hết, hầu như toàn bộ lực
truyền sang lõi bê tông bên trong. Như vậy, sự mất ổn định cục bộ của lõi thép ngồi
hầu như khơng ảnh hưởng đến khả năng chịu cháy của cột.


10
Phần mềm SAFIR đã được sử dụng để mô phỏng số cho kết quả mô phỏng
tương đối sát với kết quả thực nghiệm.
- Tác giả Nguyễn Viết Trung và Trần Việt Hùng đã viết cuốn sách “ Kết cấu
ống thép nhồi bê tơng ” trình bày một số lý thuyết tính tốn và mơ hình phần tử hữu
hạn để tính loại kết cấu này nhưng chỉ trình bày cho cột , dầm cầu và nói sơ qua về
lý thuyết, khơng có hướng dẫn cụ thể [3]
- Nhóm tác giả Phạm Ngọc Khánh, Lê Mạnh Tân, Vũ Tuấn Dũng có bài dịch từ
sách của tác giả A.I Kikin, R.S Sanzharovki, V.A Trull về loại kết cấu này. Sách trình
bày về lý thuyết tính tốn cấu kiện loại ống thép nhồi bê tơng tiết diện trịn và vật liệu

làm việc đàn hồi.
- Năm 2010, Trần Hữu Huy [4] đã phát triển một phần tử không đàn hồi cho cấu
kiện ống thép nhồi bê tơng có khả năng mơ phỏng ứng xử khơng đàn hồi qua mặt cắt
ngang và theo chiều dài cấu kiện, sự dịch chuyển trục trung hòa của lõi đàn hồi, sự
hiện diện của ứng suất dư… tác giả sử dụng ngơn ngữ C++ để tự động hóa q trình
phân tích và so sánh kết quả với những nghiên cứu trước đó để kiểm tra tính chính
xác của chương trình.
1.2.3. Sự đóng góp của đề tài nghiên cứu
Đã có nhiều nghiên cứu về kết cấu thép ống nhồi bê tông CFST trên thế giới
chủ yếu là làm thí nghiệm thực tế, kết hợp với mô phỏng bằng phần tử hữu hạn và so
sánh với lý thuyết tính tốn.
Ở Việt Nam hướng nghiên cứu về kết cấu CFST là sử dụng phần tử hữu hạn
để mô phỏng sự làm việc của dầm, cột và so sánh với kết quả thí nghiệm thực tế của
các tác giả ở nước ngoài. Trong luận văn này tác giả sẽ giới thiệu một phương pháp
tính toán kết cầu CFST là phương pháp cắt lớp ( Partition Method ), dùng phương
pháp phần tử hữu hạn áp dụng phương pháp cắt lớp để viết chương trình tính tốn
dầm CFST tiết diện trịn có kể đến sự làm việc phi tuyến. Vì điều kiện hạn chế khơng
có kết quả thí nghiệm thực tế nên tác giả chọn phương pháp mô phỏng dầm CFST
bằng phần mềm Abaqus và so sánh kết quả với chương trình tính tốn bằng phương
pháp cắt lớp. Ví dụ tính tốn áp dụng cho dầm CFST có kích thước khác nhau, tỷ lệ


11
đường kính chia chiều dày ống thép khác nhau, từ đó kết luận về ảnh hưởng của bê
tơng đến khả năng chịu lực của dầm CFSt trong từng trường hợp.


12

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN DẦM THÉP ỐNG

NHỒI BÊ TƠNG
2.1. Mơ hình phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn là một trong những phương pháp hàng đầu trong
phân tích kết cấu và cơ học. Thuận lợi chính của phương pháp này là có thể dễ dàng
lập trình bằng máy tính và linh hoạt khi phân tích mọi dạng kết cấu.
Dầm ống thép nhồi bê tơng được chia thành nhiều phần tử dọc theo chiều dài.
Ứng với mỗi phần tử ta áp dụng phương pháp cắt lớp chia phần tử thành nhiều thớ
thép và bê tông có chiều dày như nhau, quan hệ ứng suất – biến dạng của từng thớ
được cập nhật trong quá trình phân tích để mơ phỏng sự làm việc phi tuyến qua mặt
cắt ngang và chiều dài dầm.
2.1.1. Các giả thiết cơ bản
+ Mặt cắt ngang trước và sau biến dạng vẫn phẳng và vng góc với trục thanh.
+ Bỏ qua biến dạng cắt.
+ Chỉ xét ứng suất thớ theo phương dọc trục.
+ Bỏ qua sự trượt giữa ống thép và lõi bê tông.
+ Bỏ qua ứng suất dư.
+ Bỏ qua sự mất ổn định của vỏ thép.
2.1.2. Mơ hình vật liệu
Tính chất cơ lý của thép và bê tơng thay đổi liên tục khi chịu tải trọng khác
nhau. Để mô phỏng đúng quá trình làm việc của dầm thép ống nhồi bê tơng thì việc
chọn đúng mơ hình vật liệu thể hiện đúng ứng xử của vật liệu thép và bê tơng có ý
nghĩa rất lớn trong việc đánh giá khả năng chịu lực của dầm.
a. Bê tơng:
Mơ hình vật liệu bê tông lấy trong Eurocode 2 [9], đây là mơ hình được sử dụng
nhiều trong các nghiên cứu trên thế giới do tính đơn giản mà vẫn đảm bảo độ chính
xác cao.


13
* Bê tơng chịu nén:

Ta có được đường quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của bê tông chịu nén:

Hình 2.1 : Mơ hình bê tơng chịu nén [9]
   n 
 c  fck 1  1  c  
   c 2  

 c  fck
f cd 

 cc f ck
c

với 0   c   c 2 ;

với  c 2   c   cu 2 ;
;

Trong đó:
fck : là cường độ chịu nén của mẫu bê tông trụ trịn ;
σc : ứng suất bê tơng tại εc ;
εc : biến dạng nén của bê tông ;
εc2 : biến dạng nén khi bê tông đạt ứng suất fck;
εcu2 : biến dạng nén khi bê tông đạt ứng suất cực hạn ;

(2.1)
(2.2)
(2.3)