THUYẾT TRÌNH NHÓM CFST ống thép nhồi bê tông kết cấu thép 1

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.01 MB, 65 trang )

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

BỘ XÂY DỰNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC TP.HCM
KHOA XÂY DỰNG

TIỂU LUẬN

KẾT CẤU THÉP 1
Đề tài: Tìm hiểu KẾT CẤU ỐNG THÉP
NHỒI BÊTÔNG (CFST)
(Concrete-Filled Steel Tube)

Nhóm SV thực hiện:
Nhóm 2

Giáo viên hướng dẫn:
Trần Văn Phúc

63

TP.HCM ngày 31 tháng 10 năm 2018

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC

NHÓM 2

LỜI MỞ ĐẦU
Do tình hình xã hội phát triển ngày nhanh, những đòi hỏi của con người ngày
càng cao, những công trình cao tầng, siêu cao tầng, những cây cầu vượt nhịp cần
được ra đời. Vì những yêu cầu đó, con người đã nghiên cứu ra nhiều phương án
thiết kế mới, những công nghệ mới, nhằm đáp ứng cho nhu cầu của xã hội.
Hiện nay, các công trình nhà cao tầng được sử nhiều trên thế giới, trong đó có
Việt Nam nhưng vẫn chưa được phổ biến. Việc sử dụng kết cấu hợp lý sẽ đem lại
hiệu quả cao về mặt kết cấu cũng như khả năng khai thác cho công trình.
Kết cấu cột ống thép nhồi bêtông (CFST) được sử dụng phổ biến trong kết cấu
nhà cửa ở nhiều nước trên thế giới và tiến đến thay thế cho cột bêtông cốt thép

truyền thống vì những tính năng vượt trội về mặt kỹ thuật như có độ cứng lớn,
cường độ cao, độ dẻo, khả năng phân tán năng lượng tốt và chống cháy cao. Về
mặt công nghệ cột ống thép nhồi bêtông dễ thi công, không cần hệ thống coffa nên
rút ngắn được thời gian thi công xây dựng công trình, đặc biệt loại cột này sẽ phát
huy hiệu quả trong thi công tầng hầm bằng phương pháp top – down. Do đó kết
cấu cột ống thép nhồi bêtông là giải pháp thích hợp cho việc thay thế cột bêtông
cốt thép truyền thống trong kết cấu nhà cao tầng.
Trong bài thuyết trình này, nhóm xin phép được phép trình bày và giới thiệu các
vấn đề cơ bản về kết cấu ông thép nhồi bêtông.
Và chúng ta có 4 phần cần quan tâm :
- Đầu tiên, chúng ta tiềm hiểu về các khái niệm cơ bản, ưu nhược điểm của kết
cấu.

- Thứ hai, chúng ta sẽ tìm hiều về tính chất liên kết của bêtông và thép
- Thứ ba, sẽ tìm hiểu về trạng thái ứng suất.
- Cuối cùng sẽ tìm hiểu về cách tính toán kết cấu ông thép nhồi bêtông theo tiêu
chuẩn VN và EC4
63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

CHƯƠNG I
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

I. Đặc điểm chung.
1.1.Khái niệm và đặc điểm:
Hệ thống kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông(Concrete-Filled teel Tube- viết tắt
tiếng anh là CFTS) là một hệ thống gồm các cấu kiện chịu lực chính là các ống thép được
nhồi đặc bằng bê tông cường độ cao hoặc trung bình.
Hệ thống kết cấu ống thép nhồi bê tông có nhiều ưu thế:độ cứng,cường độ,khả năng
chống biến dạng và khả năng chống cháy.Việc nhồi bê tông vào ống thép đã nâng cao độ
bền chống ăn mòn mặt trong của ống thép,làm giảm độ mảnh của cấu kiện, làm tăng độ
ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả năng chống móp,méo của vỏ ống thép khi
bị va đập.

1.2.Cấu tạo:

Kết cấu ống thép nhồi bê tông là một cấu kiện liên hợp bao gồm ống thép vỏ và bê
tông lõi cùng làm việc chung.

63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

 Ưu điểm:
- Độ bền của lõi bê tông tăng khoảng 2 lần so với bê tông thường.
- Bê tông không bị co ngót lại mà nó trương nở ra

- Sau 2-3 ngày thì không xuất hiện thêm vết nứt
- Không cần ván khuôn khi thi công
- Chịu va đập tốt,không có cốt thép dọc và cốt thép đai
 Nhược điểm:
- Tiết kiệm một khối lượng đơn vị thép tương đối lớn nhưng giá thành trên một đơn vị
thép lại rất cao
- Bê tông phải có độ sụt cao
- Công nghệ thi công mặc dù không phức tạp lắm tuy nhiên trong quá trình đổ bê tông
đòi hỏi chất lượng bê tông phải đồng đều, công nghệ phải chuẩn xác
II.Đặc điểm chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông:
- Ống thép nhồi bê tông chỉ làm việc hiệu quả khi chịu nén. Khi chịu kéo khả năng
chịu lực của nó nhỏ hơn nhiều. Thuy nhiên trong một số trường hợp cũng có thể dùng

ống thép nhồi bê tông chịu kéo để chống gỉ cho bề mặt trong ống,tăng độ cứng chống uốn
hay tăng trọng lượng bản thân.
- Tăng khả năng chống biến dạng của ống thép do có sự liên kết với lõi bê tông
- Khả năng chịu nhiệt tốt
Trong thực tế thường có 2 cách lập sơ đồ chịu lực:
63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

+ Thứ nhất: sử dụng ống thép nhồi bê tông trong các sơ đồ kết cấu truyền thống

của công trình mà có những cấu kiện chịu nén là chủ yếu đó là cột, trụ, thanh biên cột
điện, các thanh chịu nén của giàn và vòm.
+ Thứ hai: lập các sơ đồ kết cấu mới mà trong đó các tải trọng tính toán chủ yếu do
ống thép nhồi bê tông chịu.
III. Kết cấu ống thép liên hợp:
- Các kết cấu ống thép liên hợp trong xây dựng dân dụng thường là kết cấu cột liên
hợp, đó là một kết cấu chỉ chịu nén dọc trục.Cột liên hợp là phần tử thép có tác động liên
hợp với phần tử bê tông nên cả thép và bê tông đều kháng lại lực nén.

- Việc sử dụng cột ống thép nhồi bê tông là sử dụng bê tông để chống lại gỉ bên trong
của cột ống thép.
- Các cột liên hợp ống thép nhồi bê tông áp dụng càng nhiều vì dạng cột này có lợi thế

như: cường độ cao, tính mềm dẻo, khả năng chịu nhiệt lớn, giảm thời gian xây dựng tăng
độ an toàn và sử dụng các loại kiểu liên kết đơn giản
IV. So sánh kết cấu ống thép nhồi bê tông với các kết cấu khác:
a. So sánh với kết cấu bê tông cốt thép thông thường(BTCT)

63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

- Giá thành tổng thể của công trình làm bằng kết cấu ống thép nhồi bê tông nói chung

nhỏ hơn nhiều so với giá thành của công trình tương tự làm bằng kết cấu BTCT
- Khối lượng kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn so với kết cấu BTCT do đó vận
chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn
- Kết cấu ống thép nhồi bê tông kinh tế hơn so với kết cấu BTCT vì không cần ván
khuôn.
- Có tính dẻo hơn BTCT nên khả năng kháng chấn công trình nó sẽ tốt hơn
- Việc duy tư bảo dưỡng đơn giản vì nếu hỏng lớp sơn chống gỉ mặt ngoài vỏ thép thì
chỉ cần sơn bảo vệ lại
- Chịu tải trọng nhịp lớn hơn BTCT.
b. So sánh với kết cấu bê tông cốt cứng(BTCC)
- Trong kết cấu ống thép nhồi bê tông,thép được bố trí ở ngoài nên phát huy được hết
khả năng chịu lực của thép còn BTCC thì thép được đặt giữa tiết diện nên không phát

huy hết khả năng chịu lực, bê tông dễ bị nứt.
- So sánh cùng điều kiện tải trọng và cùng tiết diện bê tông thì sử dụng kết cấu ống
thép nhồi bê tông giảm được 50%,trong khi đó việc thi công BTCC lại khó khăn hơn
nhiều
c. So sánh với kết cấu thép
- Cùng với một loại tiết diện tương đương chịu lực thì kết cấu ống thép nhồi bê tông
có độ ổn định tốt hơn, giá thành nhỏ hơn so với kết cấu thép.
- Việc nhồi bê tông vào ống thép đã nâng cao được độ bền ăn mòn, chống gỉ mặt
trong, làm giảm độ mảnh của cấu kiện, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống, tăng
khả năng chống biến dạng của vỏ
- Diện tích bề mặt ngoài của kết cấu ống thép nhồi bê tông chỉ nhỏ bằng khoảng một
nửa so với kết cấu thép có cùng khả năng chịu lực, do đó chi phí về sơn phủ và bảo

dưỡng cũng ít hơn.

63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

V. Vật liệu của kết cấu ống thép nhồi bê tông:
1. Bê tông:

2. Thép:

63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

VI. Khả năng áp dụng:
Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp, loại kết cấu áp dụng rất nhiều với
những công trình có nhịp lớn lên đến hàng trăm mét,đáp ứng được yêu cầu về chịu lực
cao-độ cứng lớn vừa đáp ứng được trọng lượng bản thân kết cấu nhẹ
Ví dụ: tòa nhà được xây dựng bằng kết cấu ống thép nhồi bê tông ở thành phồ

Kobe(Nhật Bản) để chống lại động đất,tòa nhà thí nghiệm của Viện Nghiên cứu khoa học
thành phố Olinoe(Pháp) sử dụng ống thép nhồi bê tông D=216mm.
Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp, ngành công nghiệp thép trong xây
dựng đang là xu hướng toàn cầu. Là một cấu trúc hỗn hợp mới, ống thép bê tông (CFST)
chủ yếu được sử dụng cho các kết cấu khung như nhà xưởng và nhà cao tầng. Sự phát
triển nhanh chóng của cấu trúc ống thép nhồi bê tông là do tính chất cơ học tốt và hiệu
suất xây dựng của nó.
Là một cấu trúc hỗn hợp mới nổi, ống thép bê tông (CFST) chủ yếu được sử dụng cho
các thành viên nén với ứng suất trục tương đối thấp và lực lệch tâm và được sử dụng rộng
rãi trong các kết cấu khung (như nhà xưởng và nhà cao tầng). Sự phát triển nhanh chóng
của cấu trúc ống thép đầy bê tông là do tính chất cơ học tốt và hiệu suất xây dựng của nó,
được thể hiện trong các khía cạnh sau:

Khả năng chịu lực cao, độ dẻo tốt, hiệu suất địa chấn tuyệt vời truyền thống

Cầu Đông Trù là cầu vòm ống thép nhồi bê tông đi liền với dự án đường 5 kéo dài. Cầu nối từ xã
Đông Hội, huyện Đông Anh sang phường Ngọc Thụy, quận Long Biên (Hà Nội) và cách cầu Đuống cũ
khoảng 4,5km.
63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

Một số ví dụ điển hình đã sử dụng loại kết cấu này như:

Tòa nhà được xây dựng bằng kết cấu ống thép nhồi bê tông ở thành phố Kobe (Nhật
Bản) để chống lại động đất,tòa nhà thí nghiệm của Viện Nghiên cứu khoa học thành phố
Olinoe(Pháp) sử dụng ống thép nhồi bê tông D=216mm. Tháp Poly Diamond Lantern ,
Bắc Kinh, Trung Quốc (2016); Trung tâm Triển lãm và Hội nghị Quốc tế Sinh thái
Guiyang - Tháp 201 (2011), tp Quế Dương, Trung Quốc; Canton tower (2010), Quảng
Châu, Trung Quốc,….

63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

Tháp Poly Diamond Lantern (2016), Bắc Kinh, Trung Quốc. Dử dụng cấu trúc ống
trong ống, khung ngoài là ống thép nhồi bê tông, cột BTCT làm khung ống bên trong.

SEG Plaza , xây dựng năm 2000. Tại Thâm Quyến, TQ.

Tại thời điểm xây dựng, trung tâm thương mại SEG Plaza ở Thâm Quyến, Trung
Quốc là tòa nhà cao nhất thế giới sử dụng các cột ống thép đầy bê tông . Nó có 76 tầng
với bốn tầng hầm, mỗi tầng hầm có diện tích 9653m 2 . Cấu trúc chính là cao 291,6m với
một tính năng mái bổ sung cho tổng chiều cao 361m.
Các ống bê tông đầy được sử dụng như các cột bên ngoài của khung cũng như bên
trong là tường cắt bê tông. Đường kính của các cột được sử dụng trong tòa nhà dao động

từ 900mm đến 1600mm. Họ đã được đưa đến các trang web trong chiều dài của ba tầng
và bê tông được đổ từ trên cùng của cột. Các tải trọng thiết kế quan trọng cho tòa nhà
63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

SEG Plaza là tải trọng địa chấn và gió. Do đó, các kết nối cứng cáp giữa các dầm thép và
các ống bê tông được sử dụng.

63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2
Trung tâm Triển lãm và Hội nghị Quốc tế Sinh thái Guiyang - Tháp 201 (2011), tp Quế Dương, Trung
Quốc. Là tòa siêu cao tầng đầu tiên áp dụng khung cột ống thép nhồi bê tông - hệ thống treo thép, với
chiều cao 201 m.

Trung tâm Triển lãm và Hội nghị Quốc tế Sinh thái Guiyang, nằm ở Guanshan Lake
District, thành phố Guiyang, Trung Quốc, diện tích 500.000 mét vuông với tổng diện tích
gần 1.000.000 mét vuông, được thiết kế và hoàn thành bởi AUBE trong ba năm. Là trụ sở
của Tập đoàn Phát triển Đô thị Zhongtian, tháp 201 nằm ở độ cao chỉ huy của khu phức

hợp kiến trúc và hội nghị quốc tế sinh thái Guiyang. Với tổng chiều cao là 201m, đây là
trung tâm thị giác của Công viên Sinh thái Tự nhiên Hồ Guanshan và toàn bộ Thành phố
Hội nghị và Triển lãm với diện tích gần 5.000.000 mét vuông.

Canton tower (2010) Quảng Châu, Trung Quốc. Với chiều cao là 600m là tháp truyền hình cao nhất
Trung Quốc và cao thứ 3 Thế Giới. Dử dụng cấu trúc ống trong ống
63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

CHƯƠNG 2
TRẠNG THÁI CƠ HỌC, TÍNH CHẤT LIÊN KẾT
CỦA BÊTÔNG VÀ ỐNG THÉP
2.1. KHÁI QUÁT
Để hiểu trạng thái của một cấu kiện bao gồm các vật liệu khác nhau cùng làm việc
chung, cần hiểu về trạng thái của mỗi loại vật liệu riêng biệt cũng như sự tương tác giữa
hai loại vật liệu đó trong cấu kiện. Cột ống thép nhồi bêtông chủ yếu được thiết kế đổ
chịu lực nén. Nhưng luôn luôn tồn tại các mômen do đặt tải lệch tâm lên cột, do các hiệu
ứng thứ cấp và các mômen đặt tại đầu cấu kiện. Tuy nhiên, mục đích bố trí cấu tạo chủ
yếu là cho bêtông chịu lực nén và cho ống thép thực hiện vai trò cùng chịu nén theo
hướng dọc và vai trò làm vỏ thép bao ngoài lõi bêtông. Trortg các phần sau sẽ phân tích
về trạng thái cơ học của bêtông và thép, liên quan tới chức năng của chúng trong cột liên

hợp. Cuối cùng sẽ thảo luận về cơ cấu truyền ứng suất cắt tại bề mặt giữa lõi bêtông và
ống thép.
2.2. KHẢ NĂNG CHỊU NÉN CỦA BÊTÔNG
2.2.1. Nhận xét chung
Phần này sẽ đé cập đến trạng thái cơ học của betông trong khi chịu nén theo mOt
trục và theo nhiéu trục. Bốtổng là một hỗn hưp các thành phần vật liệu, nó lã một thổ
khống đống nhất bao gổm hỗn hợp hó xi mãng, nước, không khí lố rổng, đươc kết hơp
trong một cấp phối vói các hạt có các kích cỡ khác nhau. Tuy vậy trong tính toán ket ( hì
thường già thiết rằng bêtông là vật liệu đổng nhất và trạng thái cơ hoe thường được biểu
diẻn bẰng quan hệ ứng suất - biến dạng cổ điển Hình 2.1 cho thây quan hè ứng suât nén biến dạng tương ứng với betông có cấp từ C12 đên c 100 được tính theo thống tin cùa Uy
ban BIchiu Àu - CEB 228 (1995).

63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

Hình 2.1.Quan hệ ứng suất - hiến dạng của bêtông với các cường độ khác nhau.
Các quan hê ứng suất - biến dạng là phi tuyến. Tuy nhiên, với việc tăng cường độ
nén, fco, độ nghiêng ban đầu tương ứng với mô đun đàn hồi tăng và phần tuyến tính cũng
kéo dài với các vị trí ứng suất cao hơn. Hơn nữa, ứng biến cơ bản, ε co tương ứng lúc ứng
suất đạt cực đại, tăng theo mức độ tăng cường độ nén. Ngày nay ở nước ngoài cũng như
ở Việt Nam đã có thể chế tạo bê tông với cường độ cao hơn 45 MPa. Bộ GTVT đã ban

hành Tiêu chuẩn ngành về hướng dẫn chế tạo bêtông cấp 60-80 MPa. Trong tài liệu
FIP/CEB (1990), đã định nghĩa Bê tông cường độ cao là loại có cường độ tương ứng
khoảng 60 MPa - 130MPa. Còn ở Việt Nam, theo cách gọi thông thường thì cấp bê tông
40MPa (mẫu trụ 15 x 30 cm) đã được gọi là BT cường độ cao.
2.2.2. Cơ cấu phá hủy trong bêtông
Biểu đổ hình 2-1 đã cho thấy rằng trạng thái phi tuyến của bêtông thay đổi theo
cường độ chịu nén. Như vậy thì tại sao trạng thái ban đầu trở thành tuyến tính hơn và phá
hủy giòn nhiều hơn khi cường độ tăng. Điều này có thể giải thích bởi cấu tạo hỗn hợp tự
nhiên của bêtông. Môđun đàn hồi của cốt liệu và hồ ximăng đã hoá cứng có khả năng ảnh
hưởng đến trạng thái cơ học của bêtông; (xem Neville -1997). Khi cốt liệu và hồ ximăng
đã hoá cứng chịu các tải trọng riêng biệt, cả hai loại vật liệu này đều thể hiên các quan hệ
ứng suất biến dạng hầu như là tuyến tính. Mặc dù vậy, bêtông bao gồm kết hợp hai thành

phần nói trên đã thể hiện một quan hệ ứng suất biến dạng phi tuyến rõ hơn. Ngoài ra, sự

63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

phát triển tăng dần của các vết nứt trong bê tông đã chịu ảnh hưởng lớn bởi sự khác nhau
về môđun đàn hồi của cốt liệu và của hồ ximãng đã hoá cứng.

Hình 2.2. Biểu đồ quan hệ ứng suất-biến dạng cho beetong hình trụ chịu nén một trục

Trong giai đoạn thứ nhất của quá trình đặt tải, quan hệ ứng suất - biến dạng cho thấy
hầu hết là ứng xử tuyến tính, và các vết nứt dính bám trước đó đã bị gây ra bởi sự giãn nờ
và co ngót và do nhiệt độ không phát triển đáng kể (xem hình 2.3a). Do bản chất không
đồng nhất và không đẳng hướng của hỗn hợp bêtông, sự phân bố ứng suất một trục đã tác
động tới các kết quả của một mẫu thử bêtông không đều, như vậy xuất hiện trạng thái
ứng suất cục bộ nhiều trục. Độ cứng các cốt liệu riêng lẻ gây ra hiện tượng tập trung ứng
suất, và lực nén bên trong chủ yếu được truyền từ cốt liệu này đến cốt liệu khác. Vì vậy,
trong khi nén các biến dạng bên của hỗn hợp bêtông mềm hơn các cốt liệu đó sẽ phát sinh
các ứng suất kéo bên (xem hình 2.4). Khi ứng suất đạt mức xấp xỉ 40% ứng suât lớn nhất
sẽ làm các vết nứt dính bám tồn tại phía trước bề mặt bắt đầu phát triển quanh cốt liệu
(xem hình 2.3b). Hơn nữa, do khác nhau về biến dạng bên, xuất hiện ứng suất cắt tác
động đến đỉnh và đáy của cốt liệu. Lúc này quan hệ ứng suất - biến dạng đã bắt đầu thể

hiện ứng xử phi tuyến của bê tông.
Khi ứng suất đạt mức từ 80 đến 90% ứng suất giới hạn lớn nhất, các vết nứt dính
bám bắt đầu xuất hiện để truyền vào trong chất độn ximăng, chủ yếu là dạng song song,
hoặc với một độ nghiêng vừa phải, theo hướng chịu nén (xem hình 2.3c). Sự hình thành
vết nứt là một sự tổ hợp của một dạng trượt và dạng khe nứt, lan truyền các vết nứt dưới
tác dụng cắt dọc và kéo bên. ứng xử ở trạng thái này có khả năng là phi tuyến. Khi ứng
63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

suất tăng thêm nữa, các vết nứt liên tục phát triển và dần dần nối liền với nhau tạo thành
đường nứt dài hơn (xem hình 2.3d). Do mở rộng vết nứt, tăng biến dạng bẽn mà hướng
thay đổi thể tích được đảo ngược lại, dẫn đến sự mở rộng trong thể tích quanh ứng suất
đỉnh

(xem

hình

2.2).

63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

Ứng suất gây biến đổi thể tích εvol nhỏ nhất được gọi là ứng suất tới hạn.Phía trước
ứng suất đỉnh,quá trình nứt gồm các vi vết nứt phân bố.Các vết nứt này ổn định,chúng chỉ
phát triển khi ứng suất nén tăng.Quanh ứng suất đỉnh,sự truyền vi vết nứt bắt đầu tới khu
vực riêng lẻ và bắt đầu tạo thành những vết nứt lớn. Chúng ổn định, nên nếu khi đó giảm
ứng suất thì sẽ hạn chế phát triển nứt. Trong một thí nghiệm kiềm chế biến dạng,vết nứt
này phát triển do làm mém và sự dinh ví các biến dạng, mà cụ thể là toàn bộ các biến
dạng tập trung vào vết nứt, trong khi phần liên kết của mẫu thử bêtông thể hiện sự giảm

biến dạng sau khi dỡ tải. Các biến dạng bên tăng mạnh mẽ dẫn đến thể tích của mẫu thử
tăng. Điều đó dã cho thấy rằng, dạng phá hoại trong tinh huống nen th hầu hết thường là
tổ hợp của phá hoại do cắt và kéo.
Như vậy, khi cấp cường dộ bêtông tăng sẽ dẫn đến tăng tính đổng nhất và làm giảm
khả năng phá hoại của bê tông. Trong bê tông cường độ cao(sau này được viết tắt là
HSC),modun đàn hồi cao hơn bởi vì trạng thái rổ thấp hơn cùa hổ ximang đa hóa
cứng.Cốt liệu nhỏ hơn thường tạo ra một tổng diện tích bề mặt lớn hơn ,và do đó tổng lực

63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC

NHÓM 2

dính bám cao hơn. Ngoài ra vì cường độ dính bám giữa hồ ximang đã hóa cứng và cốt
liệu trong HSC là cao hơn, cho nên sẽ làm chậm lại hoặc có thể loại trừ được sự phá hoại
dính bám. Vi vậy, bề mặt vi vết nứt trong HSC sẽ được giảm, và nguyên nhân của vân
đề này gồm hai phần: trạng thái nguyên khối hơn sẽ giảm bớt nguồn vết nứt, và cường đô
dính bám tăng cao hơn sức kháng.
Vì vây, độ đồng nhất cao hơn của bêtông cường độ cao (HSC) sẽ dẫn đến kết quả là
sự hình thành ít vết nứt hơn trong bêtông cường độ thấp. Phần tuyến tính trên biêu đô
trạng thái ứng suất - biến dạng sẽ kéo dài hơn và trị số ứng suất tới hạn cũng dược tăng
lên. Tuy nhiên, ngay sau khi đã đat đên ứng suất tới hạn, se xuât hiẹn vet nưt lơn hơn va
mẫu thử trở thành không bền; hư hỏng xảy ra sau đó một cách đột ngột. Trong bê tong

cường độ thường (NSC) thì cốt liệu tác động như bộ hãm vết nứt, và các vết nứt băt buộc
phát triển quanh cốt liệu (xem hình 2.3d).
2.3 TRẠNG THAI CƠ HỌC CỦA KẾT CÂU THÉP .
2.3.1. Nhận xét chung
Như đã đề cập trong phần trước, nhiệm vu đầu tiên của phần thép trong câu kiện lên
hợp thường là chịu ứng suất kéo (như dầm, bản). Tuy nhiên trong cột liên hợp băng thép
hình thì thép cùng chịu tải trọng nén với bêtông do chúng dính bám nhau. Hơn nữa, do sự
biến dạng bên của lõi bêtông khi bị nén dọc trục, ống thép sẽ vừa bị nén dọc trục vừa bị
kéo bên hông tức là ở trong trạng thái ứng suất 2 trục.
2.3.2. Đặc tính cơ học trong kéo và nén

63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

Cấu kiện thép thường được làm từ các loại thép kết cấu. Để giải thích đặc tính cơ học
của thép kết cấu, thí nghiệm phù hợp nhất là thí nghiệm kéo mẫu thép dưới tải trọng tĩnh.
Quan hệ ứng suất - biến dạng cho trường hợp kéo mẫu thử bằng thép được thể hiện
trông hình 2.10. Ban đấu, quan hệ ứng suất - biến dạng là tuyến tính với môđun đàn hổi E
tương ứng với thép có cường độ phá huỳ xắp xì 2000 MPa. Nếu ứng suất còn trong phạm
vi đàn hổi, thép bao bên ngoài hoàn toàn không đặt tải. Trạng thái đàn hổi tuyến tính liên
tục xảy ra khi đã đạt đến cựờng độ chảy f y, ứng với biến dạng chày €ay. Sự biến dạng sau

khi bắt đầu tới cường độ chảy, khiến cho diện tích mặt cắt ngang bị giảm nhiều (biến
dạng teo tóp lại) điểu này lại là nguyên nhân tăng ứng suất thép cho đến lúc phá hoại cuối
cùng tại e Tuy nhiên phần trước cùa quan hệ ứng suất - biến dạng là có phẩn làm sai lạc
trạng thái vật liêu. Các biến dạng ban đầu đã ghi được là không thể hiện biến dạng cục bộ
trong phạm vi thắt hẹp của mảu thử, nhưng giá trị trung bình của biến dạng được tính
bằng cách chia tổng chiều dài sau cùng của mẫu thử cho chiều dài ban đầu của nó.
Các đặc tính ứng suất - biến dạng của mặt cắt thép chịu nén một trục trong phạm vi
đàn hồi, giống như trường hợp chịu nén. ứng suất đàn hổi và mồ đun đàn hổi đã xác định
từ thí nghiêm cường độ kéo đã được chấp nhận giống như trong thí nghiệm nén. Ngược
lại với trường hợp thí nghiệm kéo, diện tích thép tăng lên dưới tác dụng của lực nén trong
thí nghiệm nén và sẽ không đạt đến đúng cường độ tới hạn của vật liệu thép. Tuy nhiên,
một mặt cắt thép chịu nén thường chịu ảnh hưởng của hiệu ứng uốn dọc hoặc bị mất ổn

định do nén dọc nên khả năng chịu nén thực tiễn của cấu kiện sẽ bị giảm đi.
Như đã nói ở trên, diện tích thép của mẫu thử thí nghiệm giảm hoặc tăng tương ứng
trong khi thí nghiệm đặt tải kéo và nén tương ứng. Giá trị tuyệt đối của tỉ số biến dạng
ngang với biến dạng dọc khi chịu tải trọng dọc trục được định nghĩa là hệ số Poisson, và
Trong phạm vi đàn hồi lý tưởng, hệ số Poisson cho kết cấu thép khoảng chừng 0.3, khi
phạm vi đàn hồi khoảng 0.5.
Khả năng của thép chịu các biến dạng lớn trong phạm vi sau đàn hổi mà không có sự
giảm đáng kể về cường độ đã được đại diện bằng tính mềm của thép. Điều này chắc chắn
là một trong hầu hết đặc tính quan trọng của thép kết cấu. Tính dễ uốn của các loại thép
là khác nhau, và thép cường độ cao thường có tính dễ uốn thấp hơn so với thép cường độ
thường. Một vài loại thép cường độ cao không thể hiện rõ ràng trị số ứng suất đàn hổi và
trạng thái bình ổn không dẻo trong quan hệ ứng suất - biến dạng. Với các loại thép mà

63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

không có trạng thái bình ổn dẻo hoàn toàn xác định, giới hạn chảy đã được định nghĩa là
trị số ứng suất tương ứng với mức độ biến dạng thường xuyên cỡ 0,2% sau khi dỡ tải.
Nói chung, ứng suất đàn hồi cao hơn, nhỏ hơn là trạng thái bình ổn dẻo và do vậv tính dễ
uốn giảm. Sự thiếu tính dẻo làm một kết cấu thép dễ bị hỏng nhiều hơn với sự có mặt của
ứng suất dư và cũng tăng sự rủi rp của phá hoại giòn.
Sau đây nhắc lại một số điểm khác nhau giữa thép thường và thép cường độ cao:

Đối với thép thường, biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng qua thí nghiệm được thể
hiện trên hình sau:
Trong biểu đổ có thể phân rõ ra 4 đoạn:
- đàn hồi (elastic)
- dẻo (plastic)
- phát triển đến cực hạn hay còn gọi là tái bền (strain hardning)
- dãn đến phá huỷ (necking and failure)

Nhưng đối vói thép cường độ cao, biểu đồ có đặc điêm khác như hình sau:

63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

Với các đặc điểm dê nhận biết: có giới hạn đàn hồi, không xác định rõ giới hạn chảy.
Với các đặc điểm dể nhận biết: có giới hạn đàn hồi, không xác định rõ giới hạn chảy.
Vì vậy đối với thép cường độ cao thì quy ưóc là trị số ứng suất tương ứng với mức
độ biến dạng 0,2% được coi là giới hạn chảy.
2.3.3. Tổ hợp trạng thái ứng suất
Khi mà một phần thép kết cấu được đưa vào kết cấu để tham gia chịu lực, quan niệm

về trạng thái 1 trục cần được mở rộng để xét bao gồm được các điều kiên nhiều trục của

ứng suất và biến dạng. Trạng thái ứng suất 3 trục thường không được xét trong thiết kế,
nhưng trạng thái 3 trục là hoàn toàn phổ biến và làm ảnh hưởng đến trạng thái làm việc
của thép. Thép là vật liệu đồng chất và đẳng hướng nên có thể coi là trong mọi hướng thì
ứng suất chính ơ1, ơ2 có thể dược tính toán trong phạm vi đàn hồi căn cứ vào trị số biến
dạng cùa thép £1 và £2 nhờ định luật Hook với trường hợp ứng suất phẳng 2 hướng, như:
Tiêu chuẩn giới hạn định rõ các giới hạn đàn hồi của một vật liệu dưới tổ hợp các
trạng thái ứng suất. Như đã thấy ở trên, giới hạn đàn hồi trong trường hợp kéo và nén một
trục là ứng suất đàn hồi fy. Nói chung, giới hạn đàn hồi hoặc ứng suất đàn hôi là một hàm
của trạng thái ứng suất, và trong kỹ thuật thường chấp nhận tiêu chuân dẻo cho một tổ
hợp trạng thái ứng suất cho các kim loại là Tiêu chuẩn năng lượng oằn cực đại mang tên
Von Mises; (xem Crisfield -1994). Tiêu chuẩn Von Mises cho trạng thái ứng suất 3 trục
đã được miêu tả bằng sự liên kết của hình trụ tròn với mặt phẳng toạ độ ơ3 = 0.

Ơ 1 2 - Ơ 1 Ơ2 + Ơ 2 2 = Ơ 0 2
(2.8)
63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

Hình 2.11. Đường cong oằn han đầu Von Mises dưới điều kiện ứng suất chính và ứng
suất phẳng và dường cong oằn tiếp theo cho hoá cứng đẳng hướng.
Với trạng thái dẻo hoàn toàn, ứng suất đàn hồi trong phương trình 2.8 vẫn không đổi.

Tuy nhiên, hoá cứng đưa ra cho hầu hết thép kết cấu và quy tắc hóa cứng dơn giàn nhất là
hoá cứng biến dạng đẳng hướng, mà các biện pháp đó bề mặt dẻo phát triển đều bên
ngoài sự xoắn vặn và sự dịch chuyển như dòng dẻo xuất hiện, như đã thấy trong hình
2.11. Hoá cứng đẳng hướng tác dụng chủ yếu với đặt tải đều đều; cho tuần hoàn và
nghịch đảo, kiểu đặt tải, nguyên tắc hoá cứng động học là thích hợp hơn; (xem Chen
-1982). Hóa cứng biến dạng dẳng hướng có thể được giới thiệu bởi thay đổi ứng suất đàn
hổi ơ0 trong phương trình 2.8 với một ứng suất thay đổi ơ 0 (£ps), vì vậy ứng suất đàn hồi
là một dạng của biến dạng dẻo tưorng đương; (xem Crisfild -1994). Quan hệ giữa Ơ 0 và
£ps có thế được lây từ quan hệ ứng suất - dẻo cho kéo một trục.
2.4. LIÊN KẾT GIỮA BÊTÔNG VÀ ỔNG THÉP
2.4.1. Nhận xét chung
Cơ chế mà ứng suất cắt có thể được chuyển đổi qua bề mặt phân cách giữa ống thép

và lỗi bêtông là sự.dính bám, liên kết mặt phân cách cài lẫn nhau (interface interlocking)
và ma sát; (xem hình 2.12). ba cơ chế này thường được nhắc đến như dính bám tự nhiên.
Các tác động dính bám khác nhau từ hai cơ chế khác trong khi bề mặt chung cài vào nhau
và ma sát phụ thuộc vào đăc trưng cơ học tại bề mặt và có liền quan rất chặt chẽ. Hai cơ
63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

chế tiếp theo có thể đươc coi như cùng kiểu hiện tượng, và sức kháng cắt bởi hai cơ chế
này có thế được tăng thêm. Nếu dính bám tự nhiên là khổng đù để thực hiện được yêu

cầu của sức kháng cắt nó có thể sử dụng các thiết bị liên kết chống cắt cơ học. Trạng thái
truyén lực cắt trong mặt phân cách giữa bétông và thép trong cột liên hợp hầu hết thường
dựa trên quan hệ tải trọng- trượt đã đạt được từ các thí nghiêm.

2.4.2. Sự dính bám
Dính bám bên trong đã được tạo ra bởi sự dính bám giữa thép và bêtông; (xem hình
2.12a). Đây thường là dính bám cơ học. Đó là cơ chế truyền lực đứt gãy giòn đàn hồi là
tác động chủ yếu ở giai đoạn đặt tải sớm khi quan hệ các biến dạng là rất nhỏ, và có
cường độ lớn nhất vào khoảng 0.1 MPa. Kennedy (1984) đã cho thấy rằng sự phân bố
của nó tới truyền các ứng suất cắt có thể đã không chú ý cho cột liên hợp, bời vì ứng suất
dính bám đã vượt quá tại một giá trị thấp hơn 0.0 lmm. Hơn nữa, co ngót của lõi bêtông
có hiộu ứng bất lợi trên sự phát triển của ứng suất dính bám. Theo Reoder (1999), sư phát

triển của dính bám phụ thuộc vào sự kết hợp của co ngót và bán kính biến dạng của ống
thép do áp lực từ bêtồng trướt khi đổ. Để đạt được hiệu ứng đấy dù của sư dính bám áp
lưc tiếp tục tồn tại ở bé mặt phân cách sau khi co ngót hết. Tuy nhiên, quy định các áp lực
cao này, mà không chắc chắn xuất hiện trong hầu hết các diều kiện thực tế; co ngót sẽ chi
phối và sự dính bám sẽ dược giảm dáng kể.
2.4.3. Liên kết mặt phần cách cài lẫn vào nhau
Mặt phân cách đan xen (khớp) vào nhau hoặc “vi khớp” (microlocking) liên quan tới
độ xù xì bề mặt của ống thcp. Cơ chế chuyền lực cắt này do bởi cơ chế đan xen giữa
bêtông và bề mặt không đồng đểu của thép. Tuy nhiên, cơ cấu sẽ chỉ có ý nghĩa khi hai bề
mặt được nối cùng nhau, mặt khác, đây là một xu hướng cho hai bề mặt tách rời nhau và
thắng dể dàng cái khác khi một biến dạng cắt được áp dụng. Bời vì ống thép bọc kín lõi
bêtông trong cột CFST, sư chia cắt đã ngăn cản và sự kiềm chế bị động bời ống, thép sẽ

63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

bao gồm các lực-pháp tuyến qua măt phân cách khi bêtông cố gắng thắng dễ dàng xù xì
trong bổ mặt thép; (xem hình 2.12b). Vì vây, mặt phân cách đan xcn vào nhau là một
phần hiện tượng ma sát.
2 4.4. Ma sát
Lực cắt dọc có thể cũng được truyền bời ma sát, tác động chung với lực cắt bề mặt
phân cách đan xen vào nhau. Sức kháng ứng suất ma sát phụ thuộc vào lực pháp tuyến

tác động ngang mặt phân cách và hệ số ma sát là µ, mà quan hệ tới độ xù xì của bề măt
thép và điểu kiện bề mặt; xem hình 2.12c. Hộ số ma sát giữa thép và bêtông có thể
khoảng từ 0 khi mặt phân cách được bôi mỡ đến 0.6 khi bề mặt phân cách không được
bôi mỡ.
Baltay và Gjelsvik (1990) đã thực hiện các thí nghiêm để xác định hệ số ma sát giữa
bêtông và thép mềm (ít hàm lượng carbon) cho một phạm vi rộng của ứng suất pháp, từ
7kPa đến gần 490MPa. Hệ số ma sát trung bình đã cho thấy khoảng 0.47. Trong các thí
nghiệm đã được thực hiện bởi Olofsson và Holmgren (1992) tại Viện nghiên cứu và thí
nghiêm quốc gia Thuỵ Điển, một giá trị của hệ số ma sát đã được xác định là 0.6. Họ đã
nghiên cứu ảnh hưởng của lực pháp tuyến, bề mặt xù xì và tốc độ trượt.
Các ứng suất pháp có thể đã gây nên bởi các lực pháp tuyến tác động bên ngoài, hoặc
đã bao gồm sự kiểm chế bị động do sự dịch chuyển. Sức kháng cắt được kết hợp với lực

pháp tuyến tác động bên ngoài hoặc lực pháp tuyến bị động ngang qua mặt phân cách
thường theo như ma sát chủ động và ma sát bị động, tương ứng. Trong cột CFST, ma sát
chủ động bởi các tác dụng vấu do sự liên kết luân phiên, và ma sát bị động bởi các tác
dụng khoá do tính không đồng đều trong hình học của ống thép, được biết là các vi chốt.
Tính không đổng đều này xuất hiện do sai số trong chế tạo được kết hợp với đường kính
trong của ống.
Trong các thì nghiệm đẩy, vi chốt đưa ra sức kháng ma sát bị động mà có thể một vài
tải trọng được duy trì vượt tải trọng tới hạn được kết hợp vì vi chốt bề mặt. Hiệu ứng dư
này đưa ra “cường độ dính bám” thiết kế trong EC4, và dựa trên các thí nghiệm đẩy đã
thực hiện bởi Roik (1984). Tuy nhiên, truyền lực cắt đã gây ra bởi ma sát chủ dộng có thể
có độ lớn cao hơn cường độ dính bám thiết kế.
2.4.5. Các neo chống cắt theo nguyên lý cơ học

63

GVHD:TRẦN VĂN PHÚC
NHÓM 2

Để tăng dính bám giữa ống thép và lõi bêtông có thể hàn thêm vào trong ống các đinh
neo hoặc các thanh thép neo nhằm mục đích tăng cường khả năng dính bám. Tuy nhiên,
không phải tất cả các biện pháp này đều phù hợp trong sử dung các côt CFST. Viêc hàn
bu lông vào mặt trong ống thường được áp dụng cho các ống có đường kính lớn (hình
2.13a), với các ống có đường kính nhỏ hơn bu lông có thể được gắn từ ngoài bằng cách
khoan (hình 2.13b). Trong hình 2.13a, lực cắt dọc dược truyền bằng tác động chốt sẽ gây

nên ứng suất tập trung cao khu vực bêtông phụ cận. Theo đó cường độ nén cùa bêtong
ảnh hưởng đến dạng phá hoại, tải trọng kháng cắt lớn nhất của thiết bị liên kết có thể đạt
được khi vùng bêtông phụ cận bị hỏng. theo hình 2.13b, các đinh liên két nhỏ hơn và dề
biến dạng hơn. Chúng có thể chịu được các biến dạng lớn và chúng chỉ bị dứt rời ra khi
chúng bị đức ra ngoài từ bêtông hoặc bị cắt đứt dầu.

CHƯƠNG 3
TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
3.1 KHÁI QUÁT
Phân loại: Loại cột ngắn và loại cột mảnh. Được phân biệt bằng xác định tỉ số giữa
kích thước mặt cắt ngang và chiều dài, hoặc bằng các dạng phá hoại.
Sức chịu tải của cột ngắn: bị khống chế bởi cường độ (độ bền) mặt cắt của nó, khả

năng của mặt cắt ngang chịu tải trọng dọc trục và chịu momen phụ thuộc hoàn toàn vào
cường độ vật liệu của mặt cắt
Sức chịu tải của cột mảnh: bị chi phối một phần bởi cường độ của nó, vì sức chịu tải
phụ thuộc không chỉ vào đặc tính vật liệu mà còn phụ thuộc vào đặt trưng hình học của
toàn bộ cấu kiện.

63

THUYẾT TRÌNH NHÓM CFST ống thép nhồi bê tông kết cấu thép 1

Tài liệu liên quan

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về