Báo cáo khoa học: "Vấn đề dính bám giữa thép và bê tông, biến dạng ngang của bê tông khi chịu nén, ổn định tổng thể và cục bộ của ống thép nhồi bê tông" ppsx

Vấn đề dính bám giữa thép v bê tông,
biến dạng ngang của bê tông khi chịu nén,
ổn định tổng thể v cục bộ của ống thép nhồi bê tông

ThS. Ngô thanh thuỷ
Bộ môn Cầu hầm
Liên Bộ môn công trình Cơ sở II
Trờng Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Khả năng chịu lực của ống thép nhồi bê tông phụ thuộc rất nhiều yếu tố, trong
đó dính bám giữa ống thép v lõi bê tông, ống thép ngăn chặn biến dạng ngang của bê tông khi
chịu nén v ổn định cục bộ của ống thép l những đặc trng riêng biệt của loại vật liệu ny.
Gần đây, có nhiều nghiên cứu về vấn đề dính bám v biến dạng ngang của bê tông, tuy nhiên
các kết quả nghiên cứu còn phân tán, cha thống nhất đợc mức độ ảnh hởng của những yếu
tố ny tới khả năng chịu lực. Do đó, hầu hết các quy trình về ống thép nhồi bê tông đều quy
định dùng những giá trị cận dới an ton hoặc bỏ qua ảnh hởng tích cực của những hiện tợng
ny. Đặc biệt, vấn đề ổn định cục bộ của ống thép cho tới nay vẫn cha có những nghiên cứu
thoả đáng. Các quy trình nh AISC 2005 (Mỹ) hay AJC (Nhật) đều quy định giá trị giới hạn cho
tỷ số D/t, nhằm mục đích đạt đợc cờng độ giới hạn trớc khi xảy ra mất ổn định cục bộ, điều
ny gây lãng phí vật liệu thép, đặc biệt l với ống thép có đờng kính D lớn.
Nh vậy cần có thêm những nghiên cứu về vấn đề ny, nhằm tiết kiệm vật liệu thép đồng
thời nâng cao tính kinh tế v mở rộng phạm vi ứng dụng của loại vật liệu ny trong xây dựng
Summary: Loading capacity of Concrete Filled Steel Tubes (CFTs) depends on many
parameters, of which bond, confinement, and local buckling are important chareteristics. Many
researches recently focus on bond and confinement; however, there is great difference in
these results. Thus, many Codes for CFTs require the use of the lower bound values or neglect
the good effects of these factors. Meanwhile, local buckling of steel tubes are not fully
understood. CFTs Codes, such as AISC 2005 (USA) and AJC (Japan), limit the value of D/t in
order to reach the design strength before local buckling. This leads to waste of steel, especially
large value of D being used. Further studies on these issues are needed to provide economic

way of using steel material as well as promote the use of CFTs in the field of construction.

CB
A

i. giới thiệu chung
Trong hai thập kỷ trở lại đây, ống thép
nhồi bê tông đợc ứng dụng rộng rãi trong xây
dựng, đặc biệt là nhà cửa, tại các nớc nh
Mỹ, Nhật, Trung Quốc. Loại vật liệu này có u
điểm lớn là phát huy đợc u điểm của cả
thép và bê tông. Thép phát huy đợc khả
năng chịu uốn cắt, xoắn và cả chịu nén; bê
tông phát huy đợc khả năng chịu nén. Đồng
thời, sự tơng tác giữa hai vật liệu cũng nâng
cao khả năng chịu lực của loại vật liệu này.
Lõi bê tông hạn chế mất ổn định cục bộ của

ống thép; trong khi đó ống thép hạn chế biến
dạng ngang của bê tông, làm tăng cờng độ
chịu nén và độ dẻo của bê tông, ống thép
nhồi bê tông thể hiện tính dẻo rất tốt, do đó rất
thích hợp với kết cấu chịu tải trọng động đất.
Khả năng chịu lực của ống thép nhồi bê
tông không những phụ thuộc vào đặc trng
hình học, cờng độ vật liệu và ổn định tổng
thể mà còn phụ thuộc dính bám giữa thép và
bê tông, sự hạn chế biến dạng ngang của ống
thép đối với bê tông khi chịu nén và ổn định
cục bộ của ống thép.

ii. vấn đề dính bám giữa thép v
bê tông

- Quan hệ giữa dính bám và trợt dới tác
dụng của tải trọng trùng phục đi theo một
đờng cong tơng tự nh quan hệ giữa ứng
suất và biến dạng của thép.
CB
A

Dính bám giữa ống thép và lõi bê tông là
một vấn đề quan trọng, ảnh hởng lớn đến
đặc tính chịu lực của loại vật liệu này. Tuy
nhiên, cho đến nay vẫn cha có bằng chứng
khoa học xác đáng về ảnh hởng của dính
bám đến khả năng chịu lực của ống thép nhồi
bê tông.
Theo nghiên cứu của Okamoto và Maeno
(1988) thì dính bám không có ảnh hởng đáng
kể đến khả năng chịu uốn của cột ống thép
nhồi bê tông. Tuy nhiên ngời ta vẫn nghi ngờ
về mức độ chính xác của kết luận này với lý
do số lợng mẫu thí nghiệm của nghiên cứu
này cha đủ lớn. Trong khi đó, Itoh và
Matsamura (1991) cho rằng khả năng chịu
uốn tăng lên khi dính bám giữa thép và bê
tông tăng lên. Theo Sam, Qie vàRizkalla
(2004), tính dẻo của cột tăng lên khi cờng độ
dính bám tăng lên. Cờng độ dính bám của
ống thép tròn lớn hơn hình chữ nhật và giảm

đi khi D/t tăng (Roeder, 1998).
Một nghiên cứu khác của Shakir Khalil
(1993) tập trung vào vấn đề tính toán lực dính
bám và cờng độ neo đã đa tới một số kết
luận nh sau:
- Bình quân cờng độ dính bám của thép
và bê tông là 0.8 N/mm
2
; lớn hơn nhiều so với
quy trình Anh (British Standards, 1979), giá trị
này là 0.4 N/mm
2
.
- Với những mẫu có dùng neo chống cắt,
đờng cong phá hoại hầu nh không có sự
khác biệt giữa tăng tải liên tục và tăng tải theo
từng cấp.
Chiều dài
phân bố
3.5D
Chiều dài
phân bố
0.5D
f
2

f
2

a. Trạng thái cân b. Trạng thái trớc

bằng giới hạn giới hạn
Hình 1. Sự phân bố ứng suất dính bám
Một nghiên cứu khác của giáo s Roeder
và cộng sự đa đến một số kết luận nh sau:
- ở trạng thái giới hạn, ứng suất dính bám
f
2
phân bố đều xung quanh đờng kính và
dọc theo chiều dài 3.5 D:
f
2
= 2.109 - 0.026(D/t) (1)
- ở trạng thái chịu tải trớc TTGH, ứng
suất dính bám phân bố theo hình tam giác dọc
theo chiều dài 0.5D
- Lực dọc trục đợc chuyển từ thép qua

bê tông và ngợc lại thông qua ứng suất dính
bám hoặc neo chống cắt.
- Co ngót của bê tông là một yếu tố rất
bất lợi cho ứng suất dính bám.
Nh vậy, qua các nghiên cứu đã có, có
thể khẳng định rằng dính bám có ảnh hởng
đến khả năng chịu tải cũng nh tính dẻo của
ống thép nhồi bê tông. Tuy nhiên các nghiên
cứu này cha thống nhất đợc với nhau về
cờng độ và sự phân bố lực dính bám khi
truyền lực cũng nh mức độ ảnh hởng của
nó đến khả năng chịu tải. Do đó các quy trình
chỉ đa ra giá trị an toàn ở cận dới cho cờng

độ dính bám khi tính toán sự truyền lực giữa
thép và bê tông; còn khi tính toán khả năng
chịu tải thì cha xét tới dính bám.
CB
A

Quy trình AISC của Mỹ đề nghị dùng
cờng độ dính bám 0.6MPa. Sự truyền tải
trọng từ bê tông sang thép hoặc ngợc lại,
nếu không dùng neo thì chỉ thông qua chiều
dài dính bám bằng 2D (một chiều D trên điểm
truyền lực và một chiều dài D dới điểm
truyền lực). Mặt khác cũng cha có bằng
chứng khoa học về sự trợt giữa thép và bê
tông. Do đó, AISC chỉ cho phép tính toán sự
truyền trải trọng dựa vào dính bám hoặc neo
mà không xét đồng thời.
iii. vấn đề ống thép ngăn chặn
biến dạng ngang của bê tông

ống thép ngăn chặn biến dạng ngang
của bê tông làm tăng cờng độ chịu nén, f
cc

và độ dẻo của bê tông. Cờng độ chịu nén f
cc

phụ thuộc vào hình dạng của mặt cắt tròn hay
chữ nhật, cờng độ của bê tông, độ mảnh của
thanh, tỷ số D/t và tình trạng chịu tải trọng của

thanh (nén thuần tuý, uốn thuần tuý hay nén
uốn). Theo nghiên cứu của Furlong (1967),
Schneider (1998) và nhiều nghiên cứu khác,
ứng suất nén ngang trong bê tông giảm nếu
dùng ống thép có mặt cắt chữ nhật (so với
mặt cắt tròn); giảm nếu dùng bê tông cờng
độ cao; giảm nếu độ mảnh của cột tăng và cả
trờng hợp ống thép nhồi bê tông chịu uốn
thuần tuý. Shams và Saadeghvaziri (1999) kết
luận rằng
cc
giảm khi tỷ số D/t tăng.


a
b


b
a

a. Bê tông không bị hạn chế biến dạng ngang
b. Bê tông bị hạn chế biến dạng ngang (lõi bê
tông trong ống thép)
Hình 2. Quan hệ giữa ứng suất v biến dạng
của bê tông
Nhóm nghiên cứu của Richard (1928) đề
nghị dùng ứng suất nén lớn nhất cho bê tông,

cc

, theo công thức:

cc
=
c
(1 + 4.1p/
c
) (2)
Năm 1972, Newmand đề nghị một công
thức phi tuyến:

cc
=
c
[1 + 3.7(p/
c
)
0.86
] (3)
Gần đây hơn, Shams và Saadeghvaziri
(1999) đa ra công thức tính ứng suất nén lớn
nhất cho bê tông, f
cc
nh sau:

cc
=
c
{1 + A/[1+(D/tB)

]} (4)
trong đó:

p - ứng suất nén ngang trong bê tông

c
- cờng độ chịu nén của bê tông
D - đờng kính ống thép
t - chiều dày ống thép
- hệ số hình dạng
A, B - hệ số phụ thuộc fc
Trong ba công thức (2), (3) và (4) thì
công thức (4) tiến bộ nhất. Trong khi công
thức (2) và (3) chỉ xét tới cờng độ bê tông
c

và ứng suất nén ngang (p) thì công thức (4)
không chỉ xét đến cờng độ bê tông f
c
mà còn
xét đến hình dạng mặt cắt ngang và tỷ số D/t.
ở giai đoạn đầu chịu tải, do hệ số nở
hông của thép (khoảng 0.3) lớn hơn hệ số nở
hông của bê tông (khoảng 0.15 - 0.20) nên
ứng suất nén ngang trong bê tông là đáng kể
và làm tăng cờng độ chịu nén của bê tông.
Quy trình AISC của Mỹ cho phép xét đến hiệu
ứng này đối với ống thép tròn nhồi bê tông
bằng cách dùng cờng độ chịu nén của bê
tông là 0.95

c
, thay vì 0.85
c
; còn đối với ống
thép chữ nhật nhồi bê tông thì không xét đến
hiệu ứng này.
CB
A

iv. Vấn đề mất ổn định tổng thể v
cục bộ của ống thép
ổn định tổng thể của thanh chịu nén ảnh
hởng trực tiếp đến khả năng chịu lực của
thanh. Đối với ống thép nhồi bê tông, hiệu ứng
này đợc xét thông qua:
P
e
, P
e
=
2
(EI
eff
)/(KL)
2
(5)
trong đó:
EI
eff
= E

s
I
s
+ E
s
I
sr
+ C
3
E
c
I
c
(6)
C
3
= 0.6 + 2A
s
/(A
s
+A
c
) < 0.9 (7)
Với:
E
c
- mô đun đàn hồi của bê tông
E
s
- mô đun đàn hồi của thép

I
c
- mô men quán tính của mặt cắt ngang
bê tông.
I
s
- mô men quán tính của mặt cắt ngang
ống thép.
I
sr
- mô men quán tính của các thanh
thép.
K - hệ số chiều dài có hiệu.
L - chiều dài tự do của thanh.
Nh vậy, độ cứng có hiệu EJ
eff
, đợc
dùng để tính độ cứng chịu nén của ống thép
nhồi bê tông. Độ cứng này bao gồm độ cứng
của ống thép, thanh thép, lõi bê tông và sự
tơng tác giữa hai vật liệu.
Đối với ổn định cục bộ của ống thép, cho
tới nay vẫn cha có những nghiên cứu đầy đủ
về những ảnh hởng của nó tới khả năng chịu
nén và uốn của ống thép nhồi bê tông. Do đó,
hiện nay các quy trình dùng các quy định ràng
buộc về thành phần % thép trong mặt cắt và
tỷ lệ D/t (hoặc b/t) để đảm bảo đạt cờng độ
tính toán trớc khi xuất hiện mất ổn định cục
bộ. Quy trình AISC quy định:

- Hàm lợng thép trong mặt cắt không
đợc ít hơn 1%.
- Với mặt cắt chữ nhật:
b/t < 2.26(E/F
y
)0.5; tỷ số b/t lớn hơn
chỉ đợc dùng khi thông qua thí nghiệm và
phân tích.

- Với mặt cắt tròn:
D/t < 0.15(E/F
y
); tỷ số b/t lớn hơn chỉ
đợc dùng khi thông qua thí nghiệm và phân
tích.
- Với mặt cắt tròn, thép có E = 210GPa,
F
CB
A


Nh vậy, qua các kết quả nghiên cứu
cũng nh các ứng dụng cụ thể trong các công
trình xây dựng tại các nớc Mỹ, Nhật và Trung
Quốc, ống thép nhồi bê tông đã tỏ rõ u thế
về khả năng chịu tải trọng lớn và tính dẻo dai,
đây là những đặc điểm quan trọng cho vật liệu
của các công trình chịu tải trọng động đất và
gió. Mặt khác tính kinh tế cũng là một đặc
điểm quan trọng thúc đẩy nhanh quá trình ứng

dụng loại vật liệu này trong xây dựng. Tuy
nhiên, cho tới nay cha có các nghiên cứu đầy
đủ về vấn đề dính bám giữa thép và bê tông,
vấn đề ống thép ngăn chặn biến dạng ngang
của bê tông, đặc biệt là vấn đề mất ổn định
cục bộ của ống thép. Đối với ống thép nhồi bê
tông có đờng kính lớn, nếu tuân theo những
hạn chế của quy trình sẽ dẫn tới lãng phí vật
liệu thép. Mong rằng trong tơng lai sẽ có
những nghiên cứu đầy đủ về các hiện tợng
này để ống thép nhồi bê tông đợc áp dụng
rộng rãi trong công trình cầu; góp phần nâng
cao độ tin cậy của công trình và tiết kiệm chi
phí xây dựng.
y
= 420MPa thì D/t < 75.
Trong thực tế tại Mỹ, tỷ số D/t thờng
dùng khoảng 100. Nh vậy, do cha có
nghiên cứu đầy đủ nên quy trình quy định
thiên về an toàn. Điều này gây ra lãng phí vật
liệu thép và lãng phí kinh phí thí nghiệm khi
dùng tỷ số D/t vợt giới hạn cho phép.
Có thể nói, vấn đề ổn định cục bộ của
ống thép đang rất cần những nghiên cứu mới
để cung cấp một phơng pháp hiệu quả,
chính xác và đơn giản để ứng dụng vào thiết
kế, đồng thời làm nổi bật các u điểm về kinh
tế cũng nh góp phần phổ biến sử dụng loại
vật liệu này.
v. Kết luận

Tài liệu tham khảo
[1]. American Institude of Steel construction,
Specification for Structural Steel Buildings, 2005.
[2]. Aval et al, Comprehensive Composite Inelastic
Fiber Element for Cyclic Analysis of Concrete Filled
Steel Tube Columns, Journal of Engineering
Mechanics, 2002.
[3]. Caner et al, Lateral Confinement Needed to
Suppress Softening of Concrete in Compression,
Journal of Engineering Mechanics, 2002.
[4]. Fam et al, Concrete Filled Steel Tubes
Subjected to Axial Compression and Lateral Loads,
Journal of Structural Engineering, 2004.
[5]. Hajjar, Concrete Filled Steel Tube Columns
under Earthquake Loads, Prog. Struct. Engng
Mater, 2000.
[6]. Heng-zhi et al, Numerical Analysis of Ultimate
Strength of Concrete Filled Steel Tubular Arch
Bridges, Journal of Zhejiang University Science,
2005.
[7]. Laura De Lorenzis, A CoMParative Study of
Models on Confinement of Concrete Cylinders with
FRP Composites, Devision of Building Technology,
Chalmers University of Technology, 2001.
[8] Roeder et al, Composite Action in Concrete
Filled Tubes, Journal of Structural Engineering,
1999