mô phỏng ứng xử của dầm ống thép nhồi bê tông

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.61 MB, 135 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Cao Văn Vui

TS. Lê Bá Khánh

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS Đỗ Nguyễn Văn Vương

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS. TS Ngô Hữu Cường

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 25 tháng 01 năm 2024

Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

1. TS. Trần Tuấn Nam - Chủ tịch hội đồng

3. PGS. TS Đỗ Nguyễn Văn Vương - Phản biện 1 4. PGS. TS Ngô Hữu Cường - Phản biện 2

KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TS. Trần Tuấn Nam

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN THIÊN PHÚ MSHV: 2070516 Ngày, tháng, năm sinh: 17/03/1998 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Mã số: 8580201

I. TÊN ĐỀ TÀI: Mô phỏng ứng xử của dầm ống thép nhồi bê tông II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1. Nghiên cứu tổng quan về dầm ống thép nhồi bê tông.

2. Xây dựng mô hình dầm ống thép nhồi bê tơng và phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm phân tích kết cấu.

3. Khảo sát sự ảnh hưởng của các đại lượng khác nhau của ống thép nhồi bê tông đến ứng xử của dầm ống thép nhồi bê tơng chịu tải đơn

4. Phân tích mức độ ảnh hưởng của các đại lượng đến các đặc trưng cơ học của dầm ống thép nhồi bê tông chịu tải đơn.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 04/09/2023

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 18/12/2023

V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS Cao Văn Vui

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

Đặc biệt, tơi xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy PGS. TS. Cao Văn Vui và Thầy TS. Lê Bá Khánh đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt kiến thức cũng như định hình ý tưởng cho đề tài. Các thầy đã góp ý và cho tơi rất nhiều lời khun q báu để có thể nhận định chính xác về các vấn đề trong suốt quá trình thực hiện luận văn.

Trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn, tơi đã nghiêm túc trau dồi và cập nhật kiến thức, tuy nhiên vẫn có thể cịn những sai sót nhất định. Kính mong Q Thầy Cơ hướng dẫn thêm để tơi có thể hồn thành tốt hơn.

Xin trân trọng cảm ơn.

TP.HCM, ngày 28 tháng 12 năm 2023

Nguyễn Thiên Phú

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

và tỷ số D/t đến ứng xử chịu uốn của dầm CFST. Kết quả cho thấy cường độ bê tông

ảnh hưởng không đáng kể đến ứng xử và đặc trưng cơ học của dầm CFST. Cường độ thép ảnh hưởng không đáng kể đến độ cứng đàn hồi của dầm CFST, nhưng có ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử và độ cứng chảy dẻo, tải trọng chảy dẻo, và tải trọng giới hạn của dầm CFST. Khi giới hạn chảy của thép tăng từ 235 MPa đến 630 MPa thì độ cứng đàn hồi của dầm CFST gần như không thay đổi, độ cứng chảy dẻo của dầm CFST tăng 18,25%−88,32%, tải trọng chảy dẻo tăng 40,61%−142,62%, và tải trọng

giới hạn tăng 32,43%−148,93%. Tỷ số D/t có ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử và đặc trưng cơ học của dầm CFST. Khi tỷ số D/t giảm từ 75 đến 25 thì giá trị độ cứng đàn

hồi của dầm CFST tăng 23,78%−129,14%, độ cứng chảy dẻo của dầm CFST tăng 25,63%−47,50%, tải trọng chảy dẻo tăng 21,77%−127,02%, và tải trọng giới hạn tăng 28,17%−108,23%.

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

strength, steel strength, and D/t ratio on the bending behavior of CFST beams. The

results show that concrete strength marginally affected the behavior and mechanical properties of CFST beams. Steel strength marginally affected the elastic stiffness of CFST beams; however, it decisively affected the behavior and the plastic stiffness, yield load, and ultimate load of CFST beams. When the yield steel strength increased from 235 MPa to 630 MPa, the plastic stiffness of CFST beams increased by 18,25%−88,32%, the yield load increased by 40,61%−142,62%, and the ultimate load

increased by 32,43%−148,93%. The D/t ratio decisively affected the behavior and mechanical properties of CFST beams. When the D/t ratio decreased from 75 to 25,

the elastic stiffness of CFST beams increased by 23,78%−129,14%, the plastic stiffness of CFST beams increased by 25,63%−47,50%, the yield load increased by 21.77%−127.02%, and the load ultimate increased by 28,17%−108,23%.

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nghiên cứu được trình bày ở đây do chính tơi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy PGS.TS Cao Văn Vui và Thầy TS. Lê Bá Khánh.

Các kết quả trong Luận văn là đúng sự thật và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác.

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc thực hiện nghiên cứu của mình.

TP.HCM, ngày 28 tháng 12 năm 2023

Nguyễn Thiên Phú

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ... xvi

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU ... 1

1.1. Đặt vấn đề ... 1

1.2. Mục đích nghiên cứu ... 4

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ... 5

1.4. Ý nghĩa của nghiên cứu ... 5

1.4.1 Ý nghĩa khoa học ... 5

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn ... 5

1.5. Cấu trúc luận văn ... 6

CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN ... 7

2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngồi ... 7

2.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam ... 14

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

4.2.2 Chia lưới và chọn loại phần tử ... 30

4.2.3 Tương tác giữa ống thép và lõi bê tông ... 32

4.2.4 Điều kiện biên và tải trọng ... 35

4.2.5 Kết quả mơ phỏng ... 37

4.2.6 Phân tích các đặc trưng cơ học của dầm CFST ... 39

4.3. Khảo sát ảnh hưởng của cường độ bê tông đến ứng xử của dầm CFST ... 41

4.3.1 Trường hợp dầm CFST có cùng giới hạn chảy fy = 430 MPa ... 41

4.3.2 Trường hợp dầm CFST có cùng giới hạn chảy fy = 235 MPa ... 47

4.3.3 Trường hợp dầm CFST có cùng giới hạn chảy fy = 355 MPa ... 54

4.3.4 Trường hợp dầm CFST có cùng giới hạn chảy fy = 500 MPa ... 60

4.3.5 Trường hợp dầm CFST có cùng giới hạn chảy fy = 630 MPa ... 66

4.4. Khảo sát ảnh hưởng của cường độ thép đến ứng xử của dầm CFST ... 72

4.4.1 Trường hợp dầm CFST có cùng cường độ bê tơng f’c = 80 MPa ... 73

4.4.2 Trường hợp dầm CFST có cùng cường độ bê tông f’c = 68 MPa ... 79

4.4.3 Trường hợp dầm CFST có cùng cường độ bê tơng f’c = 58 MPa ... 85

4.4.4 Trường hợp dầm CFST có cùng cường độ bê tông f’c = 48 MPa ... 91

4.4.5 Trường hợp dầm CFST có cùng cường độ bê tông f’c = 38 MPa ... 97

4.5. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ số D/t đến ứng xử của dầm CFST ... 102

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1: Kết quả giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST (ke) ... 43

Bảng 4.2: Kết quả tính tốn độ cứng chảy dẻo (kp) ... 44

Bảng 4.3: Kết quả tính tốn tải trọng tại điểm chảy dẻo (Py) ... 45

Bảng 4.4: Kết quả giá trị tải trọng giới hạn (Pu) ... 46

Bảng 4.5: Kết quả giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST (ke) ... 49

Bảng 4.6: Kết quả giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST (kp) ... 50

Bảng 4.7: Kết quả giá trị tải trọng chảy dẻo ... 51

Bảng 4.8: Kết quả giá trị tải trọng giới hạn (Pu) ... 53

Bảng 4.9: Kết quả giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST (ke) ... 55

Bảng 4.10: Kết quả giá trị độ cứng chảy dẻo (kp) ... 56

Bảng 4.11: Kết quả tải trọng chảy dẻo ... 58

Bảng 4.12: Kết quả giá trị tải trọng giới hạn (Pu) ... 59

Bảng 4.13: Kết quả giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST (ke) ... 61

Bảng 4.14: Kết quả giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST (kp) ... 62

Bảng 4.15: Kết quả giá trị tải trọng chảy dẻo ... 64

Bảng 4.16: Kết quả giá trị tải trọng giới hạn (Pu) ... 65

Bảng 4.17: Kết quả giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST (ke) ... 67

Bảng 4.18: Kết quả giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST (kp) ... 68

Bảng 4.19: Kết quả giá trị tải trọng chảy dẻo ... 70

Bảng 4.20: Kết quả giá trị tải trọng giới hạn (Pu) ... 71

Bảng 4.21: Kết quả giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST (ke) ... 74

Bảng 4.22: Kết quả giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST (kp) ... 75

Bảng 4.23: Kết quả giá trị tải trọng chảy dẻo (Py) ... 77

Bảng 4.24: Kết quả giá trị tải trọng giới hạn (Pu) ... 78

Bảng 4.25: Kết quả giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST (ke) ... 80

Bảng 4.26: Kết quả giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST (kp) ... 81

Bảng 4.27: Kết quả giá trị tải trọng chảy dẻo (Py) ... 83

Bảng 4.28: Kết quả giá trị tải trọng giới hạn (Pu) ... 84

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

Bảng 4.29: Kết quả giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST (ke) ... 86

Bảng 4.30: Kết quả giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST (kp) ... 87

Bảng 4.31: Kết quả giá trị tải trọng chảy dẻo (Py) ... 88

Bảng 4.32: Kết quả giá trị tải trọng giới hạn (Pu) ... 90

Bảng 4.33: Kết quả giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST (ke) ... 92

Bảng 4.34: Kết quả giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST (kp) ... 93

Bảng 4.35: Kết quả giá trị tải trọng chảy dẻo (Py) ... 94

Bảng 4.36: Kết quả giá trị tải trọng giới hạn (Pu) ... 96

Bảng 4.37: Kết quả giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST (ke) ... 98

Bảng 4.38: Kết quả giá trị độ cứng chảy dẻo (kp) ... 99

Bảng 4.39: Kết quả giá trị tải trọng chảy dẻo (Py) ... 100

Bảng 4.40: Kết quả giá trị tải trọng giới hạn (Pu) ... 101

Bảng 4.41: Kết quả giá trị độ cứng đàn hồi của dầm CFST (ke) ... 104

Bảng 4.42: Kết quả giá trị độ cứng chảy dẻo của dầm CFST (kp) ... 105

Bảng 4.43: Kết quả giá trị tải trọng chảy dẻo (Py) ... 106

Bảng 4.44: Kết quả tính tốn tải trọng giới hạn (Pu) ... 108

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Mặt cắt ngang các loại CFST điển hình ... 1

Hình 1.2: Một số cơng trình cầu sử dụng kết cấu CFST ... 3

Hình 1.3: Tịa Trung tâm thương mại Osaka World [7] ... 3

Hình 3.1: Mơ hình vật liệu bê tơng chịu nén [24] ... 18

Hình 3.2: Mơ hình vật liệu bê tơng chịu kéo [26] ... 20

Hình 3.3: Mơ hình vật liệu thép [16] ... 21

Hình 3.4: Sự truyền ứng suất cắt tại bề mặt tiếp xúc [32] ... 22

Hình 3.5: Cơ chế truyền ứng suất cắt tại bề mặt phân cách thông qua ma sát [33] .. 23

Hình 3.6: Mối quan hệ bề mặt Master-Slave [35] ... 24

Hình 3.7: Phần tử khối C3D8 [38] ... 26

Hình 4.1: Sơ đồ minh họa thí nghiệm [16] ... 27

Hình 4.2: Lắp đặt thí nghiệm [16] ... 28

Hình 4.3: Mơ hình vật liệu bê tơng chịu nén ... 28

Hình 4.4: Mơ hình phá hoại kéo theo đề xuất của Massicotte [26] ... 29

Hình 4.5: Khai báo các thơng số chính trong mơ hình phá hoại dẻo ... 29

Hình 4.6: Mơ hình vật liệu thép ... 30

Hình 4.7: Chia lưới các phần tử trong mơ hình mơ phỏng ... 31

Hình 4.8: Chia lưới phần tử với kích thước 40 mm ... 31

Hình 4.9: Mơ hình PTHH dầm CFST ... 32

Hình 4.10: Khai báo bề mặt tiếp xúc ... 33

Hình 4.11: Khai báo tương tác bề mặt chính – phụ giữa ống thép và lõi bê tơng .... 33

Hình 4.12: Khảo sát ảnh hưởng của hệ số ma sát đối với khả năng chịu uốn của dầm CFST ... 34

Hình 4.13: Khai báo hệ số ma sát với giá trị là 0,6 ... 34

Hình 4.14: Khai báo điều kiện biên ... 35

Hình 4.15: Khai báo quan hệ biên độ - thời gian dao động của tải trọng nén đơn thuần ... 36

Hình 4.16: Khai báo chuyển vị tại điểm tham chiếu ... 36

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

xii

Hình 4.17: Kết quả chuyển vị theo phương đứng của dầm CFST (Đơn vị: mm) ... 37

Hình 4.18: Phân bố ứng suất (Đơn vị: MPa) ... 38

Hình 4.19: So sánh kết quả mơ phỏng và thí nghiệm ... 39

Hình 4.20: Đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị lý tưởng ... 40

Hình 4.21: Ảnh hưởng của cường độ bê tơng đến ứng xử chịu uốn của dầm CFST 41Hình 4.22: Độ cứng đàn hồi của dầm CFST tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tơng ... 42

Hình 4.23: Độ cứng chảy dẻo của dầm CFST tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tông ... 44

Hình 4.24: Tải trọng chảy dẻo tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tơng .. 45

Hình 4.25: Tải trọng giới hạn tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tơng ... 46

Hình 4.26: Ảnh hưởng của cường độ bê tông đến ứng xử chịu uốn của dầm CFST 47Hình 4.27: Độ cứng đàn hồi tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tông ... 48

Hình 4.28: Độ cứng chảy dẻo của dầm CFST tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tơng ... 50

Hình 4.29: Tải trọng chảy dẻo tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tông .. 51

Hình 4.30: Tải trọng giới hạn tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tơng ... 52

Hình 4.31: Ảnh hưởng của cường độ bê tông đến ứng xử chịu uốn của dầm CFST 54Hình 4.32: Độ cứng đàn hồi của dầm CFST tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tơng ... 55

Hình 4.33: Độ cứng chảy dẻo tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tơng ... 56

Hình 4.34: Tải trọng chảy dẻo tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tơng .. 57

Hình 4.35: Tải trọng giới hạn tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tông ... 59

Hình 4.36: Ảnh hưởng của cường độ bê tơng đến ứng xử chịu uốn của dầm CFST 60Hình 4.37: Độ cứng đàn hồi tương của dầm CFST ứng với các cường độ chịu nén của bê tơng ... 61

Hình 4.38: Độ cứng chảy dẻo tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tơng ... 62

Hình 4.39: Tải trọng chảy dẻo tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tơng .. 63

Hình 4.40: Tải trọng giới hạn tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tơng ... 65Hình 4.41: Ảnh hưởng của cường độ bê tông đến ứng xử chịu uốn của dầm CFST 66

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

xiii

Hình 4.42: Độ cứng đàn hồi của dầm CFST tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tơng ... 67Hình 4.43: Độ cứng chảy dẻo của dầm CFST tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tơng ... 68Hình 4.44: Tải trọng chảy dẻo tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tơng .. 70Hình 4.45: Tải trọng giới hạn tương ứng với các cường độ chịu nén của bê tơng ... 71Hình 4.46: Ảnh hưởng của cường độ thép đối với ứng xử chịu uốn của dầm CFST ... 73Hình 4.47: Độ cứng đàn hồi của dầm CFST tương ứng với các giới hạn chảy của thép ... 74Hình 4.48: Độ cứng chảy dẻo của dầm CFST tương ứng với các giới hạn chảy của thép ... 75Hình 4.49: Tải trọng chảy dẻo tương ứng với các giới hạn chảy của thép ... 76Hình 4.50: Tải trọng giới hạn tương ứng với các giới hạn chảy của thép ... 78Hình 4.51: Ảnh hưởng của cường độ thép đối với ứng xử chịu uốn của dầm CFST ... 79Hình 4.52: Độ cứng đàn hồi của dầm CFST tương ứng với các giới hạn chảy của thép ... 80Hình 4.53: Độ cứng chảy dẻo của dầm CFST tương ứng với các giới hạn chảy của thép ... 81Hình 4.54: Tải trọng chảy dẻo tương ứng với các giới hạn chảy của thép ... 82Hình 4.55: Tải trọng giới hạn tương ứng với các giới hạn chảy của thép ... 84Hình 4.56: Ảnh hưởng của cường độ thép đối với ứng xử chịu uốn của dầm CFST ... 85Hình 4.57: Độ cứng đàn hồi của dầm CFST tương ứng với các giới hạn chảy của thép ... 86Hình 4.58: Độ cứng chảy dẻo của dầm CFST tương ứng với các giới hạn chảy của thép ... 87Hình 4.59: Tải trọng chảy dẻo tương ứng với các giới hạn chảy của thép ... 88Hình 4.60: Tải trọng giới hạn tương ứng với các giới hạn chảy của thép ... 89

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

Hình 4.64: Tải trọng chảy dẻo tương ứng với các giới hạn chảy của thép ... 94

Hình 4.65: Tải trọng giới hạn tương ứng với các giới hạn chảy của thép ... 96

Hình 4.66: Ảnh hưởng của cường độ thép đối với ứng xử chịu uốn của dầm CFST ... 97

Hình 4.67: Độ cứng đàn hồi của dầm CFST tương ứng với các giới hạn chảy của thép ... 98

Hình 4.68: Độ cứng chảy dẻo tương ứng với các giới hạn chảy của thép ... 99

Hình 4.69: Tải trọng chảy dẻo tương ứng với các giới hạn chảy của thép ... 100

Hình 4.70: Tải trọng giới hạn tương ứng với các giới hạn chảy của thép ... 101

Hình 4.71: Ảnh hưởng của tỷ số D/t đối với ứng xử chịu uốn của dầm CFST ... 103

Hình 4.72: Độ cứng đàn hồi của dầm CFST tương ứng với các tỷ số D/t ... 104

Hình 4.73: Độ cứng chảy dẻo của dầm CFST tương ứng với các tỷ số D/t ... 105

Hình 4.74: Tải trọng chảy dẻo tương ứng với các tỷ số D/t... 106

Hình 4.75: Tải trọng giới hạn tương ứng với các tỷ số D/t ... 107

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AIJ Architectural Institute of Japan

AISC American Institute of Steel Construction BAT Bare Aluminium Alloy Tube

BS British Standard

CDPM Concrete Damaged Plastic Model

CFAT Concrete-Filled Aluminium Alloy Tubes CFDST Concrete-Filled Double-Skin Steel Tubes CFST Concrete-Filled Steel Tubes

CIDECT International Committee for the Development and Study of Tubular Structures

EC4 Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures

GB National Standard in Chinese LFRD Load and Resistance Factor DesignPTHH Phương pháp phần tử hữu hạn

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

xvi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ac Diện tích mặt cắt tiết diện của lõi bê tơng

As Diện tích mặt cắt tiết diện của ống thép

Di Đường kính ống thép trong

Do Đường kính ống thép ngoài

Ec Module đàn hồi của bê tông

Po Giá trị tải trọng tải điểm giao giữa nhánh chảy dẻo và trục tung

Pu Tải trọng giới hạn

Py Tải trọng chảy dẻo

R2 Độ tin cậy của đường xu hướng

f  Giá trị trung bình cường độ chịu nén của mẫu trụ bê tông

fck Cường độ chịu nén đặc trưng của mẫu trụ bê tông ở 28 ngày tuổi

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

ε Biến dạng nén trong bê tông

εcr Biến dạng kéo của bê tông ở vết nứt đầu tiên εo Biến dạng nén của bê tông tại ứng suất tới hạn

σ Ứng suất nén trong bê tông

σo Ứng suất tới hạn của bê tông chịu nén

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

a) Tiết diện trịn b) Tiết diện vng c) Tiết diện chữ nhật Hình 1.1: Mặt cắt ngang các loại CFST điển hình

Trong những năm gần đây, CFST đang được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau bao gồm các cơng trình nhà cao tầng, nhà xưởng, cơng trình cầu, và cơng trình ngồi khơi nhờ vào những ưu điểm sau:

- Độ bền và độ dẻo cao: Việc ống thép bao quanh lõi bê tông giúp tạo ra hiệu ứng kháng nở hông. Khi bê tông chịu tải nén, ống thép sẽ ngăn chặn sự giãn nở của bê tông và giúp bê tông tăng khả năng chịu tải và tăng tính dẻo dai.

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

Giới thiệu 2

Trong khi đó, bê tơng sẽ giúp ống thép khơng bị mất ổn định cục bộ khi chịu tải. Nhờ có tính dẻo tốt nên kết cấu CFST có thể chịu được tải trọng động đất, giúp cơng trình khơng bị sụp đổ.

- Tính linh hoạt về mặt kiến trúc: Sự kết hợp giữa thép và bê tông trong kết cấu CFST mang lại sự linh hoạt về hình dạng, kích thước và khả năng tích hợp với các vật liệu xây dựng khác. Kích thước mặt cắt ngang có thể được giảm do tăng cường độ vật liệu. Ống thép có thể ở hình dạng cong hoặc thẳng cho phép tạo ra các cấu trúc độc đáo và có tính thẩm mỹ. Bên cạnh đó, kết cấu CFST có thể được thiết kế để chịu các loại tải trọng khác nhau và hỗ trợ các công trình có nhịp lớn. Đặc tính này cho phép các kiến trúc linh hoạt hơn trong các thiết kế cơng trình.

- Hiệu quả kinh tế: So với kết cấu bê tông cốt thép và kết cấu thép thông thường, giải pháp sử dụng kết cấu CFST đạt hiệu quả kinh tế cao hơn vì ống thép đóng vai trị như ván khn cho bê tông mà không cần dùng mẫu ván khuôn riêng biệt. Qua đó giúp đẩy nhanh tiến độ và tiết kiệm đáng kể các chi phí liên quan trong q trình xây dựng. Bên cạnh đó, sự bền vững về tuổi thọ của kết cấu CFST giúp tiết kiệm chi phí bảo trì và sửa chữa trong thời gian dài.

Ống thép nhồi bê tông đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong lĩnh vực cầu đường, việc xây dựng đường cao tốc và đường sắt cao tốc quy mơ lớn địi hỏi phải phát triển các cầu vịm nhịp dài. Do đó, CFST được sử dụng trong vịm chính của các cơng trình cầu. Trong những cơng trình này, bao gồm các cầu với khẩu độ nhịp lớn để đáp ứng nhu cầu bắc qua các con sơng rộng. Theo thống kê, trong vịng 20 năm qua, Trung Quốc có hơn 400 cây cầu vịm CFST đã được xây dựng [2]. Đặc biệt, cầu Pingnan Third (Hình 1.2-a) được ghi nhận là cầu vịm có nhịp chính dài nhất thế giới với chiều dài nhịp 575 m. Ở Việt Nam, cầu Ơng Lớn (Hình 1.2-b), cầu Xóm Củi (Hình 1.2-c), và cầu Cần Giuộc (Hình 1.2-d) là một trong những cây cầu áp dụng CFST cho kết cấu vòm chủ.

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

Giới thiệu 3

a) Cầu Pingnan Third – Trung Quốc [3] b) Cầu Ông Lớn –TP.HCM [4]

c) Cầu Xóm Củi – TP.HCM [5] d) Cầu Cần Giuộc – TP.HCM [6] Hình 1.2: Một số cơng trình cầu sử dụng kết cấu CFST

Hình 1.3: Tịa Trung tâm thương mại Osaka World [7]

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

Giới thiệu 4

Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp, kết cấu CFST cũng được áp dụng khá nhiều. Ở Nhật Bản, loại kết cấu này được sử dụng để đáp ứng nhu cầu chịu tải trọng động đất. Hình 1.3 là tịa Trung tâm thương mại Osaka World với chiều cao 256 m. Đây là một khu phức hợp đa năng bao gồm khơng gian văn phịng, triển lãm, nhà hàng, và đài quan sát. Cơng trình được thiết kế với hệ khung CFST làm kết cấu chịu lực chính để bảo đảm tính tồn vẹn của kết cấu khi chịu tác dụng của các tác động bên ngoài.

Ống thép nhồi bê tông đang ngày càng phổ biến trong lĩnh vực xây dựng. Do đó, việc nghiên cứu về CFST là vấn đề rất đáng được quan tâm. Trong đó, nhiều nghiên cứu về thí nghiệm và mơ phỏng CFST đã được thực hiện cho cấu kiện cột. Tuy nhiên, các nghiên cứu về dầm CFST có phần hạn chế hơn. Vấn đề được đặt ra là cần có thêm nhiều nghiên cứu về cấu kiện dầm CFST để từ đó có thể phát triển kết cấu khung CFST trong tương lai. Và đó là lý do thực hiện đề tài: “Mô phỏng ứng xử của dầm ống thép nhồi bê tơng”.

1.2. Mục đích nghiên cứu

Cụ thể các nội dung của nghiên cứu trong luận văn như sau:

- Nghiên cứu tổng quan về dầm CFST.

- Xây dựng mơ hình dầm CFST và phân tích theo phương pháp PTHH bằng

phần mềm phân tích kết cấu.

- Khảo sát sự ảnh hưởng của các đại lượng khác nhau của CFST như cường độ

bê tông, cường độ thép, và tỷ số D/t đến ứng xử của dầm CFST chịu tải trọng

nén đơn thuần.

- Phân tích mức độ ảnh hưởng của các đại lượng khảo sát đến các đặc trưng cơ

học của dầm CFST chịu tải trọng nén đơn thuần. - Các kết quả trên được so sánh và rút ra các kết luận.

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

Giới thiệu 5

1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: dầm CFST tiết diện vuông.

- Phạm vi nghiên cứu: mô phỏng ứng xử khi chịu uốn dưới tác dụng của tải trọng nén đơn thuần và khảo sát sự ảnh hưởng của các đại lượng khác nhau đến ứng xử và các đặc trưng cơ học của dầm CFST.

1.4. Ý nghĩa của nghiên cứu 1.4.1 Ý nghĩa khoa học

- Ứng xử cơ học của dầm CFST dưới tác dụng của tải trọng nén đơn thuần sẽ được làm rõ.

- Các đặc trưng cơ học của dầm CFST dưới tác dụng của tải trọng nén đơn thuần sẽ được phân tích và so sánh để cung cấp những thông tin cho việc thiết kế dầm CFST. Phương pháp đàn hồi – dẻo tương đương được áp dụng để xác định giá trị của các đặc trưng cơ học trong nghiên cứu này.

- Kết quả thu được sau khi mô phỏng và đánh giá sẽ là tiền đề để phát triển những nghiên cứu mới sau này.

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp, dầm CFST được xem như một kết cấu liên hợp mới và tiềm năng thay thế cho dầm bê tông cốt thép truyền thống. Dầm CFST có thể được sử dụng cho nhiều cơng trình như cơng trình cầu, nhà xưởng, và nhà cao tầng. Cấu kiện này dần trở nên phổ biến trong lĩnh vực xây dựng là do có những ưu điểm nổi trội như: khả năng chịu lực lớn, độ dẻo cao, và độ cứng lớn. Đề tài này sẽ đóng góp những đánh giá vào cơ sở dữ liệu về ứng xử chịu uốn của dầm CFST khi chịu tác dụng của tải trọng nén đơn thuần và từ đó có thể mở rộng các hướng nghiên cứu để hoàn thiện thêm những hiểu biết về loại kết cấu này và ứng dụng rộng rãi vào trong thực tiễn.

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

Giới thiệu 6

1.5. Cấu trúc luận văn

Nội dung luận văn bao gồm 5 chương. Chương 1 nêu lên lý do thực hiện đề tài nghiên cứu, mục đích nghiên cứu, đối tượng, và phạm vi nghiên cứu. Ngoài ra, phương pháp và ý nghĩa nghiên cứu cũng được trình bày trong chương này. Chương 2 trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu kết cấu CFST. Chương này được chia làm 2 phần bao gồm tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về các vấn đề liên quan đến đề tài nghiên cứu. Các vấn đề này được tổng kết và nhận xét để rút ra định hướng nghiên cứu của luận văn. Chương 3 giới thiệu về phần mềm ABAQUS, đây là phần mềm được sử dụng để mô phỏng dầm CFST. Tiếp theo, chương này đề cập đến cơ sở lý thuyết về mơ hình vật liệu của bê tông khi chịu nén và kéo, mô hình vật liệu của thép để khai báo trong phần mềm ABAQUS. Bên cạnh đó, lý thuyết về tương tác giữa ống thép và lõi bê tông cũng được giới thiệu trong chương này. Sau cùng là phần trình bày về loại phần tử được sử dụng trong ABAQUS.

Chương 4 trình bày các bước mơ phỏng ứng xử chịu uốn của dầm CFST bằng phần mềm ABAQUS. Kết quả mơ phỏng được trình bày bao gồm: kết quả chuyển vị, phân bố ứng suất trong ống thép và lõi bê tông. Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với kết quả thí nghiệm thực tiễn dựa trên phương diện đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị. Trên cơ sở mơ hình đã mơ phỏng, chương này nghiên cứu ảnh hưởng

của tỷ số D/t, cường độ bê tông và thép đối với ứng xử của dầm CFST. Từ các kết

quả thu được ở chương 4, chương 5 rút ra một số kết luận quan trọng về điểm mạnh và điểm yếu của phương pháp kèm với các kiến nghị cho những nghiên cứu tiếp theo. Mục tài liệu tham khảo trong luận văn trích dẫn các tài liệu liên quan phục vụ cho mục đích nghiên cứu của đề tài.

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

2.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngồi

Elchalakani và cộng sự [8] đã thực hiện thí nghiệm nghiên cứu ứng xử của ống CFST tiết diện tròn chịu uốn. Thí nghiệm bao gồm 12 mẫu CFST có cùng chiều dài 1500 mm. Mẫu thử được đặt trên hệ thống uốn thuần túy được thiết kế và vận hành tại Đại học Monash. Ưu điểm của hệ thống này là khả năng tác dụng moment uốn thuần túy tại giữa nhịp của mẫu thử mà không tạo ra lực dọc trục hoặc lực cắt đáng

kể. Tác giả đã khảo sát ảnh hưởng của đại lượng D/t đến cấu kiện CFST bằng cách cho tỷ số D/t thay đổi từ 12 đến 110. Bên cạnh đó, tác giả cũng so sánh ứng xử của cấu kiện CFST với thép ống trịn rỗng. Kết quả thí nghiệm cho thấy khi tỷ số D/t ≤

40 thì việc nhồi bê tơng vào trong ống thép giúp ngăn cản sự mất ổn định cục bộ và việc bê tông được nhồi trong ống thép giúp tăng cường độ bền, độ dẻo, và khả năng hấp thụ năng lượng. Ngồi ra, cơng thức tính khả năng chịu uốn giới hạn của CFST được xác định dựa trên các khối ứng suất dẻo theo các tiêu chuẩn như AISC, AIJ, CIDECT, và EC4 phù hợp với kết quả thí nghiệm.

Han [9] đã thực hiện thí nghiệm nghiên cứu khả năng chịu uốn của 16 mẫu dầm CFST tiết diện vuông và chữ nhật. Thí nghiệm uốn 4 điểm với các dầm đều có chiều dài 1100 mm. Bên cạnh đó, tác giả đã thiết lập mơ hình PTHH khảo sát sự ảnh hưởng của các đại lượng như tỷ số chiều cao trên chiều rộng mặt cắt tiết diện từ 1 đến 2, tỷ số độ mảnh của ống thép từ 20 đến 50 đối với khả năng chịu uốn của dầm. Kết quả cho thấy đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị từ kết quả mơ phỏng có hình dạng tương đương với kết quả thí nghiệm. Từ đó, tác giả đề xuất phương pháp đơn giản hóa tính tốn khả năng chịu uốn của dầm CFST dựa trên mô hình đã thiết lập. Khả năng chịu uốn của dầm từ kết quả mơ phỏng và thí nghiệm được so sánh với giá trị

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

Tổng quan 8

tính tốn theo các tiêu chuẩn AIJ-1997, BS5400-1979, EC4-1994, LRFD-AISC (1999) và phương pháp được đề xuất. Nhìn chung, khả năng chịu uốn tính tốn theo tiêu chuẩn AIJ (1997) và LRFD-AISC (1999) thấp hơn khoảng 20% so với thí nghiệm, khả năng chịu uốn tính tốn theo tiêu chuẩn BS5400 (1979) thấp hơn khoảng 12% so với thí nghiệm. EC4 (1994) và phương pháp đề xuất có kết quả thấp hơn khoảng 10% so với kết quả thí nghiệm. Nghiên cứu này là cơ sở thiết lập công thức tính tốn khả năng chịu uốn của dầm CFST tiết diện vuông và chữ nhật để đưa vào tiêu chuẩn thiết kế.

Gho và Liu [10] đã thực hiện thí nghiệm kiểm tra khả năng chịu uốn của dầm CFST chịu tải trọng nén đơn giản. Thí nghiệm bao gồm 12 ống thép rỗng dài 1600 mm tiết diện chữ nhật với các kích thước mặt cắt ngang là 150 × 150 mm, 200 × 150

mm, và 250 × 150 mm có giới hạn chảy lần lượt là 438 MPa, 495 MPa, và 409 MPa. Bê tông cường độ cao (f’c = 56,3 - 90,9 MPa) được đổ vào trong các ống thép. Sự mất ổn định cục bộ được ghi nhận cụ thể trên bề mặt mẫu thí nghiệm. Trong thí nghiệm, độ biến dạng và độ võng của mẫu lần đầu tiên được ghi lại ở khoảng tải bằng 5% tải trọng phá hủy. Đối với tất cả các mức tải trọng, việc gia tải được tạm dừng trong một phút để ổn định độ dẻo của thép và vết nứt của bê tông. Vết nứt bê tông xuất hiện đầu tiên được ghi nhận ở mức tải trọng xấp xỉ 50 kN đối với mẫu B01 đến B04, 80 kN đối với mẫu B05 đến B08, và 100 kN đối với mẫu B09 đến B12. Sau khi mẫu bị uốn, tải trọng được tác dụng liên tục. Kết quả thí nghiệm sẽ được so sánh với các giá trị được tính tốn từ các công thức thiết kế trong EC4, ACI, và AISC. Để tăng độ tin cậy cho kết quả nghiên cứu, khả năng chịu uốn từ kết quả thí nghiệm được so sánh với kết quả tính tốn theo các tiêu chuẩn EC4, ACI, và AISC. Kết quả cho thấy giá trị tính tốn khả năng chịu uốn theo tiêu chuẩn EC4 có độ chênh lệch nhỏ nhất so với kết quả thí nghiệm là 11%. Mặt khác, kết quả tính tốn theo tiêu chuẩn ACI và AISC thấp hơn khả năng chịu uốn của mẫu thử lần lượt là 15 và 18%. So sánh với dữ liệu thí nghiệm nghiên cứu trước đây cho thấy tiêu chuẩn EC4, ACI và AISC dự đốn chính xác cường độ chịu uốn lần lượt là 9, 12, và 15%. Tác giả cũng nhận định cần

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

f là 84 MPa và giới hạn chảy của thép fy là 521 MPa. Dầm CFST có chiều dài 5490 mm với tải tuần hoàn được tác dụng tại giữa nhịp. Tác giả khảo sát ảnh hưởng của hệ số ma sát thông qua quan hệ moment – độ trượt và quan hệ độ trôi – độ trượt. Kết quả cho thấy độ trượt mô phỏng bị ảnh hưởng đáng kể bởi hệ số ma sát, trong khi ảnh hưởng của hệ số ma sát đến cường độ giới hạn là ít đáng kể hơn. Hệ số ma sát 0,47 dự đoán tốt nhất về cả lực cản và độ trượt, và giá trị này được chọn để sử dụng trong mơ hình phân tích. Bên cạnh đó, tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ số độ mảnh của

ống thép (D/t) và tính chất của vật liệu đối với hiệu ứng kháng nở hông, tương tác

liên hợp, và ứng xử của cấu kiện CFST. Các kết quả phân tích được so sánh với các thí nghiệm và mơ hình nghiên cứu trước đó. Kết quả cho thấy việc giảm tỷ số giới hạn chảy của thép trên cường độ chịu nén của bê tông ( fy / f c ) làm chậm quá trình gây mất ổn định cục bộ và tăng khả năng chịu uốn của CFST. Mặt khác, tỷ số độ

mảnh D/t ít ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn của cấu kiện này. Nghiên cứu này là

cơ sở thiết kế khả năng chịu uốn của cấu kiện CFST.

Wang và cộng sự [12] nghiên cứu khả năng chịu uốn của dầm CFST tiết diện chữ nhật nhồi bê tông bằng cách thiết lập mơ hình phần tử hữu hạn. Khả năng chịu uốn và đường cong ứng xử moment - chuyển vị tại vị trí giữa nhịp từ kết quả thí nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng. Các mẫu dầm được thí nghiệm uốn 3 điểm và 4 điểm. Các mẫu được nạp theo phương pháp tải 3 điểm hoặc 4 điểm. Đường quan hệ moment − độ võng của kết quả mơ phỏng có sự tương đồng giữa đường cong tải trọng so với biến dạng dự đoán và kết quả thu được từ các thí nghiệm. Khi chịu uốn, dầm CFST tiết diện chữ nhật nhìn chung trải qua các giai đoạn biến dạng đàn hồi, đàn hồi − dẻo, và biến dạng dẻo. Khơng có đường cong giảm dần rõ ràng cho đến khi mẫu

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

Tổng quan 10

đạt được độ bền giới hạn. Độ võng của dầm có thể lớn hơn hoặc bằng 1/10 chiều dài dầm và độ võng giữa nhịp đạt tới 10 lần chiều cao mặt cắt tiết diện. Các mẫu CFST tiết diện chữ nhật chịu uốn có đặc tính rất dẻo. Trong thực nghiệm, vết nứt của bê tông ở vùng chịu kéo làm giảm độ cứng của các cấu kiện liên hợp. Tuy nhiên, trong mô phỏng, vết nứt bê tông ở mức ứng suất thấp sẽ được bỏ qua. Do đó, có sự khác biệt về độ cứng đàn hồi giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng ở giai đoạn đàn hồi. Trong giai đoạn đàn hồi − dẻo và giai đoạn dẻo, giá trị moment từ kết quả mơ phỏng phù hợp với các kết quả thí nghiệm. Kết quả kiểm chứng cho thấy mơ hình được mơ phỏng đúng ứng xử chịu uốn của cấu kiện dầm CFST. Từ đó tác giả sử dụng mơ hình mơ phỏng để nghiên cứu các dạng phá hủy lõi bê tơng, các biến dạng điển hình của ống thép và sự phân bố ứng suất, biến dạng trên tiết diện liên hợp khi chịu tải tác dụng. Kết quả phân tích cho thấy tương tác giữa thép và bê tơng trong dầm liên hợp tạo ra sự phân bố lại ứng suất làm cho dầm CFST có khả năng chịu uốn và độ dẻo cao. Tác giả đã dùng phương pháp phân tích độ tin cậy để hiệu chỉnh các công thức thiết kế dầm liên hợp hiện có trong tiêu chuẩn EC4 (2004), AISC (2010) và DBJ/T13-51-2010 (2010) và nhận thấy các công thức thiết kế đều thỏa mãn yêu cầu về độ tin cậy. Ngoài ra, cơ chế truyền tải của CFST tiết diện chữ nhật tương tự như cơ chế truyền tải của CFST hình trịn. Đối với các cấu kiện CFST hình chữ nhật, góc xiên θ của thanh giằng chéo giảm từ 42,51−18,21 khi tăng tỷ số nhịp cắt trên chiều cao dầm từ 1−5.

Joseph và cộng sự [13] nghiên cứu ứng xử chịu uốn của 3 mẫu dầm gồm dầm bê tông cốt thép, dầm CFST, và dầm ống thép nhồi bê tông cốt thép. Tác giả đã thiết lập mơ hình phần tử hữu hạn bằng phần mềm ANSYS để mô phỏng ứng xử của ba cấu kiện. Ba dầm có cùng chiều dài 4500 mm và kích thước mặt cắt tiết diện chữ nhật là 300 × 400 mm. Tác giả sử dụng vật liệu bê tơng mác M25 và thép Fe415. Kết quả phân tích cho thấy dầm CFST có cốt thép xuất hiện vết nứt đầu tiên khi tải trọng có giá trị là 62,56 kN, giá trị này lớn hơn giá trị tải của hai mẫu dầm cịn lại. Bên cạnh đó, dầm ống thép nhồi bê tơng cốt thép cũng có độ võng thấp nhất trong ba mẫu. Nhìn

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

Ghannam [15] đã thực hiện thí nghiệm 6 mẫu bao gồm 2 dầm ống thép rỗng tiết diện hình chữ nhật và 4 dầm CFST tiết diện vuông chịu uốn với tỷ số chiều rộng mặt

cắt ngang trên chiều dày ống thép (D/t) lần lượt là 23,8 và 27,8. Sáu mẫu đã được thí

nghiệm với cường độ bê tơng là 20 MPa. Các dầm có cùng chiều dài là 1200 mm và kích thước mặt cắt ngang là 88,9 × 88,9 mm và 114,3 × 114,3 mm. Các mẫu thí nghiệm được phân thành hai nhóm khác nhau. Mỗi nhóm bao gồm hai mẫu được đổ đầy bê tông thông thường (B2 và B5) và nhóm thay thế một phần cốt liệu thơ bằng đá granit (25%) (B3 và B6). Nhóm mẫu dầm thứ ba là dầm tiết diện rỗng (B1 và B4). Cứ mỗi giá trị tải trọng 5 kN tác dụng thì giá trị độ võng và biến dạng được ghi nhận. Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng khả năng chịu lực của dầm ống thép khi được thay thế một phần cốt liệu thơ bằng đá granit có khả năng chịu tải tương đương với bê tông thông thường. Ống thép được tăng cường độ bền, độ dẻo và khả năng hấp thụ năng lượng và tạo ra hiệu ứng kháng nở hông giúp tăng cường độ bền và độ dẻo cho lõi bê tông. Việc sử dụng vật liệu thô thay thế giúp tiết kiệm chi phí hơn so với bê tông

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

Javed và cộng sự [17] sử dụng mơ hình PTHH để nghiên cứu ứng xử của dầm CFST tiết diện vuông và chữ nhật. Bên cạnh đó, tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ chiều cao dầm trên chiều dày ống thép (20 − 200), cường độ chịu nén của bê tông (2 MPa – 100 MPa), tỷ lệ nhịp cắt trên chiều cao dầm (1 – 8), tỷ lệ chiều cao trên chiều rộng dầm (0,6 – 2), và giới hạn chảy của ống thép (380 MPa – 490 MPa) đối với ứng xử chịu uốn của dầm CFST tiết diện vuông và chữ nhật. Kết quả cho thấy khi thay đổi tỷ lệ chiều cao dầm trên chiều dày ống thép từ 20 - 200 thì khả năng chịu uốn của dầm tăng từ 21 kNm lên 169 kNm (tăng 8 lần) và khi thay đổi tỷ lệ chiều cao trên chiều rộng dầm từ 0,6 - 2 thì khả năng chịu uốn của dầm tăng từ 46 kNm lên 77 kNm (tăng 67%). Khả năng chịu lực của dầm CFST cũng tăng 41% khi thay đổi giới hạn chảy của thép từ 410 MPa đến 490 MPa. Trong khi đó, ảnh hưởng của tỷ lệ nhịp cắt trên chiều cao dầm và cường độ của bê tông được cho là không đáng kể. Kết quả nghiên cứu tham số và dữ liệu thí nghiệm này được sử dụng để kiểm tra tính chính xác của các phương pháp thiết kế hiện có được trình bày trong các tiêu chuẩn EC4 (2004), CIDECT, AISC (2010), và GB50936 (2014). Tác giả nhận thấy tiêu chuẩn GB50936 (2014) chính xác hơn nhưng khơng an tồn đối với bê tơng cường độ thấp.

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

Feng và cộng sự [19] thực hiện thí nghiệm nghiên cứu ứng xử chịu uốn của ống hộp kim nhôm nhồi bê tông tiết diện vng và chữ nhật. Thí nghiệm bao gồm 30 mẫu trong đó 20 mẫu ống hộp kim nhơm nhồi bê tông (CFAT) và 10 ống hộp kim nhôm rỗng (BAT). Các ống hộp kim nhơm có chiều rộng mặt cắt ngang từ 25−200 mm, chiều cao mặt cắt ngang từ 50−130 mm, và độ dày ống từ 1,0−3,3 mm. Tất cả các mẫu có cùng chiều dài 1000 mm được đặt trên hai gối tựa cách nhau 900 mm. Kích thủy lực cơng suất 1000 kN được sử dụng để tạo ra lực nén dọc trục cho thí nghiệm. Các kết quả thí nghiệm bao gồm: cường độ giới hạn, các dạng hư hỏng, độ cứng chịu uốn, độ dẻo, đường cong ứng xử mô-men uốn – độ võng giữa nhịp, đường cong độ võng tổng thể, đường cong ứng xử mô-men uốn – biến dạng dọc trục và đường cong

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

Tổng quan 14

phân bố biến dạng dọc trục của mẫu thử được trình bày trong báo cáo. Kết quả cho thấy khi bê tông được nhồi vào ống hộp kim nhơm thì cường độ giới hạn, độ cứng và độ dẻo của ống hộp kim nhôm được tăng cường đáng kể. Bên cạnh đó, cường độ bê tơng có ảnh hưởng nhưng không đáng kể. Độ cứng chịu uốn đo được bao gồm cả độ cứng chịu uốn ban đầu và độ cứng chịu uốn sau khi chảy dẻo được so sánh với độ cứng chịu uốn thiết kế được tính tốn bằng các tiêu chuẩn: AIJ hiện hành, BS 5400, Eurocode 4 và thông số kỹ thuật AISC. Qua so sánh cho thấy các quy tắc thiết kế hiện hành đối với ống thép rỗng và CFST nhìn chung không phù hợp với độ cứng chịu uốn của cấu kiện BAT và CFAT khi chịu uốn thuần túy.

Nishima và Abhilasha [20] sử dụng mơ hình PTHH để mô phỏng ứng xử chịu uốn của dầm CFST tiết diện vuông bằng phần mềm ANSYS 16.2.3. Tất cả các dầm CFST có cùng chiều dài là 1000 mm. Kích thước tiết diện bao gồm 72 × 72 mm, 80

× 80 mm, và 100 × 100 mm. Dầm CFST có giới hạn chảy của thép là 345 MPa và

cường độ chịu nén của bê tông là 30 MPa. Tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của các đại

lượng như tỷ lệ chiều rộng mặt cắt tiết diện trên chiều dày ống thép (D/t); chiều dày ống thép (t) có giá trị lần lượt là 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, và 6 mm; cường độ chịu

nén của bê tơng có giá trị lần lượt là 40 MPa, 50 MPa, và 60 MPa; chiều dài ống thép

(L) có giá trị lần lượt là 1000 mm, 1200 mm, 1500 mm, và 1700 mm; và tiết diện mặt cắt ngang. Kết quả cho thấy tỷ số D/t, cường độ chịu nén của bê tông, và giới hạn

chảy của thép có ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử của dầm CFST. Dầm CFST tiết diện vng có hiệu ứng kháng nở hông tốt hơn dầm tiết diện hình chữ nhật. Mơ hình PTHH trong nghiên cứu này là cơ sở để phân tích và thiết kế cấu kiện CFST chịu uốn trong thực tế.

2.2. Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, một số nghiên cứu về dầm CFST cũng đã được thực hiện:

Nguyen [21] đã nghiên cứu về ứng xử chịu uốn của dầm CFST bằng phần mềm ABAQUS. Các mô hình số bao gồm ống thép rỗng, ống thép nhồi vữa cường độ thấp, CFST cường độ bình thường, và CFST với bản bê tơng phía trên như một dầm cầu

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

Tổng quan 15

đã được thiết lập và xác minh với các kết quả thực nghiệm được cơng bố trước đó. Ứng xử cơ học của CFST chịu ảnh hưởng bởi cường độ bê tông. Sự hiện diện của bê tông nhồi làm kéo dài phạm vi dẻo của ống thép rỗng. Cường độ chịu uốn của CFST cao hơn 56% so với cường độ chịu uốn của ống thép rỗng. Trong khi đó, cường độ chịu uốn của ống thép nhồi vữa cường độ thấp cao hơn 32% so với cường độ chịu uốn của ống thép rỗng. Điều này cho thấy bê tơng nhồi đóng vai trị quan trọng trong việc tăng độ dẻo và cường độ chịu uốn của ống thép rỗng. Mặt khác, việc sử dụng vữa cường độ thấp có thể làm giảm trọng lượng bản thân dầm mà vẫn đảm bảo khá tốt khả năng chịu uốn. Việc sử dụng dầm CFST như một dầm cầu thay thế cho dầm I truyền thống cũng đã được xem xét. Trên cơ sở hai tiết diện dầm có cùng độ cứng EI, kết quả cho thấy dầm CFST có một độ dẻo cao hơn so với dầm I.

Vu và cộng sự [22] đã nghiên cứu ứng xử của cấu kiện ống thép hai lớp nhồi bê tông (CFDST) có hệ neo chống cắt chịu uốn thuần túy bằng phương pháp PTHH. Mơ hình 3D của cấu kiện CFDST có hệ neo chống cắt dạng đinh mũ được xây dựng và phân tích sử dụng phần mềm ABAQUS. Mơ hình PTHH của cấu kiện CFDST được kiểm chứng bằng kết quả thí nghiệm. Kết quả kiểm chứng cho thấy mơ hình được xây dựng mơ phỏng chính xác sự làm việc chịu uốn của cấu kiện CFDST, từ đó ảnh

hưởng của các tham số hình học bao gồm tỷ số độ mảnh của ống thép ngoài (Do/to),

tỷ số độ mảnh của ống thép trong (Di/ti), và tỷ số giữa đường kính ống thép trong và

ống thép ngoài (Di/Do) đến ứng xử của loại cấu kiện này khi chịu uốn được nghiên cứu thông qua phân tích mơ hình PTHH đã được xây dựng. Kết quả cho thấy việc

tăng tỷ số lỗ rỗng Di/Do dẫn đến sự gia tăng khả năng chịu lực của cấu kiện khi chịu uốn và do đó giảm đáng kể trọng lượng bản thân của cấu kiện. Cụ thể, việc tăng tỷ số

Di/Do từ 0,25 lên 0,7 dẫn đến giảm 36% trọng lượng của cấu kiện. Bên cạnh đó, việc sử dụng các ống thép ngồi có chiều dày mỏng hơn dẫn đến giảm độ cứng ban đầu

và đồng thời giảm đáng kể khả năng chịu lực của cấu kiện. Cụ thể là khi tỷ số Do/to

tăng từ 60 lên 80, 100, 110, 120, 130, và 140 thì khả năng chịu lực của cấu kiện bị giảm tương ứng là 19,30%; 30,20%; 33,51%; 36,42%; 39,35%; và 41,62%. Ngoài ra, tỷ số độ mảnh của ống thép trong chỉ ảnh hưởng nhỏ đến độ cứng ban đầu của cấu

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

Tổng quan 16

kiện nhưng ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu lực của nó. Khả năng chịu lực của cấu kiện giảm gần tuyến tính tương ứng với độ tăng của tỷ số độ mảnh của ống thép trong.

2.3. Tổng kết

Hiện nay, trên thế giới đã có những nghiên cứu về thực nghiệm lẫn mô phỏng cho dầm CFST. Dầm CFST với các tiết diện mặt cắt ngang khác nhau như tiết diện trịn, vng, và chữ nhật đã được nghiên cứu. Vật liệu được sử dụng trong nghiên cứu gồm có thép thơng thường đến thép cường độ cao, bê tông thông thường đến bê tông cường độ cao. Các tác giả tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu và các tham số hình học đến ứng xử của dầm CFST. Ngoài ra, khả năng chịu lực của dầm CFST cũng được so sánh với các loại dầm khác. Tuy nhiên, tại Việt Nam các nghiên cứu về cấu kiện dầm CFST còn khá hạn chế. Các vấn đề về vật liệu, tương tác giữa thép và bê tông, và sự ảnh hưởng của các đại lượng đến ứng xử của dầm CFST cần được tìm hiểu. Do đó, việc đẩy mạnh các nghiên cứu trong lĩnh vực này là công việc rất đáng được quan tâm để phục vụ cho công tác thiết kế sau này.

</div>Trang 36<div class="page_container" data-page="36">

Cơ sở lý thuyết 17

CHƯƠNG 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trong luận văn này, phần mềm ABAQUS [23] được lựa chọn để mô phỏng ứng xử của dầm CFST. Phần mềm này là một trong những bộ phần mềm lớn rất hữu hiệu trong việc mô phỏng cấu kiện thông qua phương pháp phần tử hữu hạn. ABAQUS sở hữu kho phần tử phong phú nên dễ dàng mô phỏng mọi thiết kế trong kết cấu của dự án công trình theo bất cứ hình dạng nào. Đồng thời, ABAQUS có thể được sử dụng để mơ phỏng và xây dựng kết cấu điển hình với việc phân tích theo đúng tính năng vật liệu sử dụng như kim loại, bê tông cốt thép, các vật liệu cao phân tử hay phức hợp. Tất cả những thông tin được phần mềm ABAQUS xử lý qua 3 giai đoạn đó là xử lý số liệu, phân tích, và xử lý kết quả. Trong q trình phân tích, ABAQUS cịn có khả năng tự động lựa chọn lượng tăng tải hay độ chính xác hội tụ cũng như việc điều chỉnh tham số một cách phù hợp.

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết trong việc thiết lập mơ hình mơ phỏng ứng xử của dầm CFST. Các vấn đề cần nghiên cứu bao gồm mơ hình vật liệu thép và bê tông, sự tương tác giữa ống thép và lõi bê tông, phần tử trong ABAQUS. Dựa trên cơ sở lý thuyết này, mơ hình dầm CFST được thiết lập. Từ đó có thể nghiên cứu ứng xử và các đặc trưng cơ học của dầm CFST chịu tải trọng nén đơn thuần.

3.1. Mơ hình vật liệu

3.1.1 Mơ hình vật liệu bê tơng

Trong phần mềm ABAQUS, mơ hình phá hoại dẻo CDPM (Concrete Damage Plasticity Model) được sử dụng để khai báo mơ hình vật liệu bê tơng. Hình 3.1 thể hiện mơ hình vật liệu bê tông chịu nén được dùng trong nghiên cứu này. Đây là mơ hình “Confined concrete” được đề xuất bởi Han và cộng sự [24], bao gồm 2 giai đoạn:

</div>Trang 37<div class="page_container" data-page="37">

Cơ sở lý thuyết 18

Hình 3.1: Mơ hình vật liệu bê tông chịu nén [24]

- Giai đoạn đàn hồi – dẻo (  0): Mối quan hệ ứng suất – biến dạng được xác định bởi công thức (3.1). Trong giai đoạn này, đường cong ứng suất – biến dạng được giả định là một đường tuyến tính. Giới hạn của đường tuyến tính được lấy tại vị trí có ứng suất 0, 45o theo đề xuất của Sadeghi và Nouban [25]. Độ dốc của đường tuyến tính là mô-đun đàn hồi của bê tông được xác định theo công thức (3.2). Quan hệ ứng suất – biến dạng là một đường cong parabol được bắt đầu từ điểm có ứng suất 0, 45 cho đến điểm có ứng suất o

tới hạn của bê tơng σo. Giá trị σo được xác định bởi công thức (3.3). Biến dạng

εo tương ứng với ứng suất tới hạn được xác định bởi công thức (3.4). 2

 = + −  +     

</div>Trang 38<div class="page_container" data-page="38">

dạng có xu hướng dần đi lên. Khi ξ = ξo thì đường cong quan hệ ứng suất –

biến dạng có dạng tương đương như một đường thẳng. Khi ξ < ξo thì đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng có xu hướng dần đi xuống. Hệ số kháng nở hơng càng nhỏ thì đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng có xu hướng

đi xuống càng nhanh. Trong đó, ξo có giá trị là 4,5 đối với CFST tiết diện vuông theo đề xuất của Han và cộng sự [24]. Đường cong ứng suất – biến dạng kết thúc tại điểm có biến dạng giới hạn tương ứng với ứng suất có giá

trị bằng 0,85σo dựa theo đề xuất Sadeghi và Nouban [25].

   

3, 01,34 1 . 2

 

Trong công thức (3.9), α là hàm lượng thép, As và Ac lần lượt là diện tích mặt cắt

ngang của ống thép và lõi bê tông, fy là giới hạn chảy của thép và, fck là cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông.

</div>Trang 39<div class="page_container" data-page="39">

Cơ sở lý thuyết 20

Hình 3.2: Mơ hình vật liệu bê tơng chịu kéo [26]

Hình 3.2 thể hiện mơ hình vật liệu bê tông khi chịu kéo được đề xuất bởi Massicotte [26]. Bê tơng chịu kéo được mơ hình hóa như vật liệu giịn đàn hồi tuyến tính với sự hóa mềm biến dạng (strain softening). Khi xảy ra hiện tượng hóa mềm biến dạng, đường cong ứng suất - biến dạng của vật liệu có xu hướng giảm sau khi đạt ứng suất cực đại. Mối quan hệ ứng suất – biến dạng giả định rằng sự làm mềm biến dạng xảy ra sau khi nứt làm ứng suất trở về 0 với tổng biến dạng gấp khoảng 16

lần biến dạng ở vết nứt đầu tiên (εcr). Dữ liệu đầu vào bao gồm cường độ chịu kéo

giới hạn (fct max) của bê tông được xác định bởi công thức (3.10), biến dạng tại vết nứt

đầu tiên (εcr) được xác định bởi công thức (3.11), và đường cong hóa mềm biến dạng. max0.7

fE

</div>Trang 40<div class="page_container" data-page="40">

tại đó ứng suất bằng giới hạn chảy (fy). Nhánh thứ nhất có hệ số góc là mô-đun đàn

hồi Es. Nhánh thứ hai biểu diễn sự lý tưởng hóa về sự tái bền, có hệ số góc 0,01Es. Về mặt tốn học, quan hệ ứng suất - biến dạng có thể biểu diễn bởi cơng thức (3.12).

3.2. Tương tác giữa ống thép và lõi bê tông

Trong kết cấu CFST, sự tương tác giữa ống thép và lõi bê tông rất quan trọng đối với ứng xử của cấu kiện này. Kết cấu CFST kết hợp các ưu điểm của cả bê tông và thép để tạo ra một hệ thống liên hợp có cường độ, độ cứng và độ dẻo được tăng cường so với các kết cấu bê tông cốt thép hoặc thép thông thường. Bê tông lõi và ống thép tương tác với nhau thông qua hiệu ứng kháng nở hông và cơ chế truyền tải.

Hiệu ứng kháng nở hông (Confinement effect) liên quan đến việc áp dụng khả năng kiềm chế bên ngoài cho kết cấu của vật liệu giúp tăng cường các tính chất cơ học và hiệu suất làm việc của cấu kiện. Trong hiệu ứng này, một phần tử bổ sung được sử dụng để hạn chế sự giãn nở theo chiều ngang hoặc biến dạng của vật liệu dưới tác dụng của tải trọng. Trong kết cấu CFST, hiệu ứng kháng nở hông của ống

</div>