Mô phỏng cột ngắn ống thép nhồi bê tông cường độ cao chịu tải trọng nén đúng tâm

Nội dung text: Mô phỏng cột ngắn ống thép nhồi bê tông cường độ cao chịu tải trọng nén đúng tâm

1. KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG MÔ PHỎNG CỘT NGẮN ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CHỊU TẢI TRỌNG NÉN ĐÚNG TÂM ThS. PHAN ĐÌNH HÀO, KS. TRỊNH HỮU HIỆP Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Khả năng chịu lực cực hạn (chịu nén) giam giữ bên trong với lớp bê tông bảo vệ bên của cột ống thép nhồi bê tông (gọi tắt, theo Tiếng ngoài. Vì vậy, nguy cơ nứt vỡ sớm của lớp bê tông bảo vệ khi cột làm việc sẽ tăng cao. Trên cơ sở đó, Anh, là CFST) phụ thuộc chủ yếu vào đặc tính của cột ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel các vật liệu cấu thành. Ngoài ra, ứng xử của cột còn Tube - CFST) là một giải pháp thay thế hiệu quả phụ thuộc vào hiệu ứng giam giữ của ống thép tác cho các cột bê tông cốt thép truyền thống. Ở các dụng lên lõi bê tông và đặc tính hình học của ống quốc gia phát triển như Hoa Kỳ, Anh, Úc, Nhật Bản, như tiết diện ngang hay tỷ số của bề rộng cột với Trung Quốc, Thụy Điển, việc sử dụng cột CFST chiều dày của ống thép. Nghiên cứu này sử dụng trong hệ kết cấu đã tăng lên đáng kể, đặc biệt là các phần mềm ABAQUS để phân tích sự ảnh hưởng vùng thường xảy ra động đất. Các cột CFST có khả năng chống động đất tốt nhờ các tính năng ưu việt của cường độ bê tông đến khả năng chịu lực của như có cường độ nén lớn và độ dẻo cao cũng như cột CFST dưới tác dụng của tải trọng nén dọc trục. khả năng tiêu tán năng lượng rất tốt. Nhằm nâng cao kiến thức liên quan đến ứng xử cơ 1.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng kết cấu CFST học của cột CFST và việc sử dụng hiệu quả bê tông Cột CFST được nghiên cứu và ứng dụng trong cường độ cao, các mô hình phần tử hữu hạn phi việc xây dựng nhà cao tầng và cầu vượt nhịp tại tuyến ba chiều đã được xây dựng và thực hiện quá một số quốc gia tiên tiến trên Thế giới như đã đề trình phân tích số cho cột ngắn CFST. Nghiên cứu cập ở trên. Do vậy, cột CFST có tiết diện vuông và được thực hiện với ba trường hợp đặt tải khác nhau, tròn đã được phân tích mô hình và thí nghiệm về bao gồm tải trọng chỉ tác dụng lên lõi bê tông, tải cường độ chịu lực, khả năng ổn định cục bộ của trọng chỉ tác dụng lên ống thép và tải trọng tác dụng ống thép, ứng xử chịu uốn, bởi một số tác giả đồng thời lên cả lõi bê tông và ống thép. Kết quả như: Ge và Usami (1992, 1994); Uy (1998); Han khảo sát cho thấy trường hợp cột CFST nén lên (2004); Fujimoto và cộng sự (2004); Yu và cộng sự phần lõi bê tông có sức chịu nén tối đa lớn nhất, (2007); Han và cộng sự (2008). Trong các nghiên hơn nữa khả năng chịu tải của các cột cũng tăng khi cứu trên, phần lớn được thực hiện bằng phương pháp thí nghiệm các mẫu thử và phân tích kết quả tăng cường độ chịu nén của bê tông nhồi. ứng xử thu được từ thí nghiệm. Các nghiên cứu Từ khóa: Cột ống thép nhồi bê tông (CFST); dựa trên mô phỏng số còn hạn chế về số lượng và cường độ chịu nén tối đa; bê tông cường độ cao; việc phân tích vẫn chưa sâu sắc do tính chất phức hiệu ứng giam giữ; ứng xử cơ học; tải trọng nén tạp của loại kết cấu liên hợp này. đúng tâm; mất ổn định cục bộ. Tại Việt Nam, có một số nghiên cứu về lý thuyết và mô hình tính toán dùng để phân tích ứng xử phi 1. Đặt vấn đề tuyến kết cấu CFST (Phan Đình Hào và cộng sự, 1.1 Xu hướng phát triển của xây dựng hiện đại 2012); đánh giá khả năng chịu tải của cột CFST Nhu cầu xây dựng nhà cao tầng ở Việt Nam (Chu Thị Bình, 2011); nghiên cứu thực nghiệm nén đang gia tăng mạnh mẽ. Việc tăng cường độ chịu cột ngắn CFST tiết diện tròn mẫu lớn (Ngô Hữu nén của bê tông cho phép cột có tiết diện nhỏ hơn Cường và cộng sự, 2016) nghiên cứu gia cường và cho phép sử dụng nhiều không gian sàn hơn. chống trượt giữa lõi bê tông và bề mặt ống thép đối Tuy nhiên, khi sử dụng bê tông cường độ cao cho với cột mảnh CFST chịu nén lệch tâm (Lê Xuân các cột có kích thước nhỏ hơn thì có thể xảy ra sự Dũng và Phạm Mỹ, 2016). Tuy nhiên, các nghiên phá hoại dòn. Đối với cột bê tông cốt thép truyền cứu trên vẫn còn rời rạc, đồng thời việc ứng dụng thống, để ngăn chặn sự phá hoại dòn cũng như tăng độ dẻo cho cột, khoảng cách giữa các cốt thép loại kết cấu này ở nước ta chưa được triển khai đai thường được giảm xuống. Nói cách khác, số rộng rãi. Hơn nữa, đến nay chưa có Tiêu chuẩn Việt lượng thép đai sử dụng cho cột tăng lên và điều này Nam dành cho việc thiết kế và thi công kết cấu sẽ tạo ra một mặt trụ tự nhiên tách biệt lõi bê tông bị CFST. Vì vậy, việc nghiên cứu sâu hơn về khả năng Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 17
2. KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG chịu lực của cột CFST là thực sự cần thiết, đặc biệt tính chất cơ học của các vật liệu thành phần, sự làm là trong trường hợp sử dụng bê tông cường độ cao. việc tương tác giữa ống thép và lõi bê tông cũng 1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu như sự gia tăng cường độ chịu nén của bê tông do hiệu ứng giam giữ cần được quan tâm đúng mức Mục đích chính của bài báo là phân tích và đánh trong quá trình mô phỏng. giá khả năng chịu tải trọng nén đúng tâm của cột CFST khi sử dụng bê tông cường độ cao lần lượt là 2.1.2 Mô hình hóa phần tử hữu hạn 65, 75 và 85 MPa. Đồng thời, nghiên cứu cũng khảo Ống thép, lõi bê tông và các tấm gia tải là những sát về sự phân phối lực dọc giữa lõi bê tông và ống vật thể tách biệt có sự tương tác với nhau trong quá thép khi chịu tải trọng nén đúng tâm; đánh giá sự trình làm việc. Để mô phỏng chính xác ứng xử thực gia tăng cường độ chịu nén của lõi bê tông do hiệu tế của cột liên hợp CFST, các thành phần của cột ứng giam giữ được tạo ra bởi ống thép. phải được mô hình với những loại phần tử phù hợp. 2. Nội dung nghiên cứu Một mô hình PTHH 3 chiều dựa trên các phần tử khối được thành lập. Bề mặt tiếp xúc chung giữa 2.1 Mô hình hóa phần tử hữu hạn ống thép, lõi bê tông và tấm tải được mô phỏng 2.1.1 Yêu cầu của việc mô phỏng bằng cách áp dụng tương tác bề mặt dựa trên mô Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn (PTHH) hình ma sát Coulomb. Để mô hình ống thép, phần bằng phần mềm Abaqus nhằm để mô phỏng sự làm tử khối 8 nút (C3D8) với đầy đủ các điểm tích hợp việc của cột ống thép nhồi bê tông dưới tác dụng được sử dụng. Trong khi đó, lõi bê tông sử dụng của tải trọng nén. Từ kết quả phân tích số, các đồng thời phần tử khối 8 nút và 6 nút (C3D6) với việc thông tin chi tiết về sự phân bố của ứng suất và giảm số điểm tích hợp (hình 1 và hình 2). Đối với biến dạng trong cột sẽ được cung cấp giúp tăng các tấm gia tải, phần tử cứng 4 nút (R3D4) được sử cường sự hiểu biết tốt hơn về ứng xử cơ học của dụng như trên hình 3. Việc chia lưới ống thép và lõi loại kết cấu liên hợp này. Yêu cầu đặt ra là mô hình bê tông được thực hiện một cách khá đơn giản PTHH cần được xây dựng sao cho mô phỏng sự nhưng cần phải đảm bảo độ chính xác của lời giải làm việc của cột một cách thực tế nhất. Đặc biệt, khi phân tích (hình 4). Face 2 Face 5 8 7 Face SPOS Face 6 4 3 Face 2 Face 5 n 4 3 Face 4 4 6 6 5 Face 3 5 Face 4 Z 1 1 2 Y 1 2 3 Face 3 Face 1 Face 1 X 8-node element 2 Face SNEG Hình 1. Phần tử C3D8 Hình 2. Phần tử C3D6 Hình 3. Phần tử R3D4 Hình 4. Chia lưới ống thép và lõi bê tông 18 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016
3. KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 2.1.3 Mô hình vật liệu hệ giữa ứng suất và biến dạng đầy đủ thu được từ a. Vật liệu bê tông các thí nghiệm kéo đơn trục trên các mẫu được sử dụng trong quá trình phân tích mô hình PTHH. Hệ Mô hình phá hoại dẻo, Damage Plasticity Model, số Poisson của thép trong miền biến dạng đàn hồi trong phần mềm Abaqus được sử dụng để mô được lấy là  = 0.3. phỏng ứng xử của bê tông trong cột liên hợp CFST. a Mô hình này có khả năng dự đoán cả ứng xử nén 2.2 Tính chất của các loại vật liệu và kéo của bê tông dưới áp lực giam giữ. Đường 2.2.1 Bê tông cong quan hệ giữa ứng suất và biến dạng khi nén đơn trục của bê tông sử dụng cho việc phân tích là Tất cả các mẫu được đúc theo phương thẳng kết quả thu được từ các thí nghiệm nén mẫu hình đứng với bê tông cùng một mẻ trộn để đảm bảo trụ tiêu chuẩn với bê tông được trộn từ cùng một tính đồng nhất về chất lượng của bê tông giữa mẻ cho các cột. Trong các thí nghiệm này, mối quan các cột. Các thí nghiệm về vật liệu của bê tông hệ ứng suất biến dạng chỉ được ghi đến ứng suất được thực hiện để xác định cường độ chịu nén ở lớn nhất (Ultimate Strength), do vậy phần còn lại tuổi 28 ngày, bao gồm các mẫu bê tông được đúc của mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng được thành mẫu hình trụ và mẫu hình lập phương, theo lấy tương ứng với một đường thẳng chỉ với độ dốc Tiêu chuẩn Thụy Điển [18]. Đối với các mẫu hình nhỏ. Mô hình độ cứng kéo được sử dụng để xác trụ có đường kính D = 150 mm, chiều cao H = định các thuộc tính nứt và sau nứt của bê tông. Mô 300 mm thì cường độ chịu nén của mẫu là fc,cyl = hình này giả định rằng ứng suất trực tiếp qua một 65 MPa, mô đun đàn hồi là Ec = 38.5 GPa. Đối vết nứt giảm dần về không khi vết nứt mở ra. Hệ số với các mẫu hình lập phương 150x150x150 mm, Poisson của bê tông trong miền biến dạng đàn hồi cường độ chịu nén của mẫu là fc,cube = 79.4 MPa. Năng lượng khi xảy ra nứt của bê tông, GF = 157 được lấy là c = 0.2. N/m, được xác định là năng lượng yêu cầu để mở b. Vật liệu thép ra một đơn vị diện tích của bề mặt vết nứt, theo Một mô hình đàn hồi dẻo với tiêu chí chảy dẻo RILEM (1985). Đây là một thuộc tính của vật liệu Von-Mises liên quan đến quy tắc dòng chảy và biến và không phụ thuộc vào kích thước của kết cấu. dạng cứng đẳng hướng được sử dụng để mô tả Các kết quả về đặc tính của bê tông được thể ứng xử cơ bản của ống thép (HKS 1997). Mối quan hiện như ở bảng 1 và hình 5. Bảng 1. Đặc tính vật liệu bê tông [18] Khối lượng riêng Cường độ chịu nén (MPa) Mô đun (kg/m3) đàn hồi (MPa) 65 38500 2400 75 40800 85 43332 Hình 5. Đường cong ứng suất - biến dạng của bê tông [18] Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 19
4. KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 2.2.2 Ống thép điểm bắt đầu hóa cứng là εah = 0.029, biến dạng Các thí nghiệm kéo mẫu thép được tiến hành tương ứng với ứng suất bền là εau = 0.136, mô đun theo Tiêu chuẩn Thụy Điển [18]. Tính chất trung đàn hồi là Ea = 206 GPa. Đường cong quan hệ ứng bình của 5 mẫu kéo bao gồm: ứng suất chảy fy = suất - biến dạng khi kéo của ống thép được thể hiện 433 MPa, ứng suất bền fu = 568 MPa, biến dạng tại như trên hình 6. Hình 6. Đường cong ứng suất - biến dạng của ống thép [18] 2.2.3 Tính toán sức chịu tải tối đa của cột theo - Pc,cal - sức kháng dẻo danh nghĩa của tiết diện Eurocode 4 bê tông. Giả thiết xảy ra sự tương tác đầy đủ giữa ống Pc,cal = fc,cylAc (3) thép và lõi bê tông, khi đó sức chịu tải tối đa của cột - fy - ứng suất chảy của ống thép, thu được từ CFST có thể được tính toán theo Tiêu chuẩn kết quả của các thí nghiệm vật liệu; Eurocode 4 (EC4) như sau: - fc,cyl - cường độ chịu nén của mẫu bê tông hình Pu,cal = Pa,cal + Pc,cal (1) trụ, thu được từ các thí nghiệm vật liệu; trong đó: - Aa, Ac lần lượt là diện tích mặt cắt ngang của - Pa,cal - sức kháng dẻo danh nghĩa của tiết diện ống thép và lõi bê tông. ống thép. Sức kháng dẻo danh nghĩa của tiết diện ống Pa,cal= fyAa (2) thép: 2 2 3 Pa, cal f y A a 433 (159 149.4) 10 1007( kN ) 4 Sức kháng dẻo danh nghĩa của tiết diện bê tông: 2 3 Pc,, cal f c cyl A c 65 149.4 10 1139( kN ) 4 Sức chịu tải tối đa của cột theo EC4: P P P 1007 1139 2146( kN ) ucal,,, acal ccal Bảng 2. Sức chịu tải của các cột CFST theo EC4 Cường độ bê tông (MPa) Sức chịu tải tính toán (kN) 65 75 85 Pa,cal 1007 1007 1007 Pc,cal 1139 1315 1490 Pu,cal 2146 2322 2497 20 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016
5. KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 2.3 Các dạng cột được mô phỏng trường hợp được nghiên cứu nêu trên. Do đó, toàn bộ các trường hợp đặt tải trọng được tóm tắt như 2.3.1 Các trường hợp đặt tải trọng sau: Điều kiện chịu tải cơ bản là cột chịu lực nén - SES: cột ống thép thuần túy, tải trọng tác đúng tâm, phần ống thép và lõi bê tông chịu tải dụng lên ống thép rỗng; đồng thời. Tuy nhiên, với mục đích phân tích, đánh giá ứng xử cơ học khác nhau của các cột CFST và - SFC: cột CFST, tải trọng chỉ tác dụng lên hiệu ứng giam giữ của ống thép đối với lõi bê tông, phần lõi bê tông; mô hình được xây dựng thêm dành cho hai điều - SFS: cột CFST, tải trọng chỉ tác dụng lên kiện tải trọng khác là tải trọng chỉ áp dụng lên riêng phần ống thép; phần lõi bê tông và tải trọng chỉ áp dụng lên riêng - SFE: cột CFST, tải trọng tác dụng lên toàn phần ống thép. Để áp dụng tải cho hai trường hợp bộ tiết diện ống thép và lõi bê tông. nén trên phần lõi bê tông và nén trên phần ống thép 2.3.2 Đặc trưng hình học của các cột CFST thì trong khoảng 10 mm cuối cùng ở đầu cột không được đổ đầy bê tông. Ngoài ra, trường hợp đặt tải Cột có chiều cao 650 mm, tiết diện ngang có trọng nén đúng tâm lên ống thép rỗng cũng được đường kính ngoài là 159 mm và chiều dày ống thép thực hiện để lấy kết quả làm tham chiếu cho các là 4.8 mm (hình 7). Trong đó: Hình 7. Các trường hợp tải trọng tác dụng a. Tải trọng tác dụng chỉ trên phần lõi bê tông; sát Coulomb theo hướng tiếp tuyến với bề mặt tiếp b. Tải trọng tác dụng chỉ trên phần ống thép; xúc. Với việc sử dụng các mô hình này, các bề mặt có thể tách biệt và trượt tương đối với nhau cũng c. Tải trọng tác dụng lên cả phần lõi bê tông và như là truyền áp lực tiếp xúc và ứng suất cắt giữa ống thép; lõi bê tông và ống thép. d. Tiết diện ngang của các cột CFST. Trong các hình thức cơ bản của mô hình ma sát 2.4 Sự tương tác giữa ống thép và lõi bê tông Coulomb, hai bề mặt tiếp xúc có thể cùng chịu ứng Trong quá trình mô phỏng các cột CFST, sự suất cắt trên bề mặt chung của chúng đến một tương tác giữa ống thép và lõi bê tông cần được cường độ nhất định trước khi chúng bắt đầu trượt tương đối với nhau. Mô hình ma sát Coulomb định xem xét. Sử dụng các tiếp xúc bề mặt để khai báo nghĩa ứng suất cắt quan trọng này là τcrit mà tại đó cho sự tương tác giữa bề mặt trong của ống thép và sự trượt giữa các bề mặt bắt đầu. Ứng suất cắt bề mặt ngoài của lõi bê tông. quan trọng Tcrit được định nghĩa như là một phần Khi bề mặt trong của ống thép và lõi bê tông tiếp của áp lực tiếp xúc p giữa các bề mặt. xúc với nhau dưới tác dụng của tải trọng nén, chúng crit  p (4) truyền lực cắt và các lực theo phương vuông góc trong đó: μ là hệ số ma sát giữa lõi bê tông và trên bề mặt chung của chúng. Độ ôm chặt giữa ống ống thép. Theo Baltay và Gjelsvik (1990), hệ số ma thép và lõi bê tông được mô phỏng dựa trên sự sát giữa bê tông và thép có giá trị từ 0.2 đến 0.6. Ở tương tác bề mặt với mô hình tiếp xúc pressure- đây, hệ số ma sát được lấy bằng 0.2 đối với tất cả overclosure theo phương vuông góc và mô hình ma các trường hợp phân tích mô hình PTHH. Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 21
6. KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG Khi bề mặt bê tông và ống thép tiếp xúc với nhau tương tác giữa tấm gia tải và các bề mặt cột trong thì áp lực tiếp xúc được truyền giữa chúng. Ngược phần mềm Abaqus được sử dụng để mô hình sự lại, áp lực tiếp xúc sẽ giảm về giá trị không (0) khi làm việc đúng với thực tế. các bề mặt tách biệt với nhau. 2.5.2 Cách áp dụng tải trọng 2.5 Điều kiện biên và cách áp dụng tải trọng Trong nghiên cứu này, mục tiêu cần đạt được là 2.5.1 Điều kiện biên theo dõi đến cuối cùng các ứng xử cơ học của cột Hình 8 cho thấy hai tấm gia tải được sử dụng tại nên tải trọng được áp dụng theo phương pháp gia các đầu cột trong quá trình thí nghiệm nén. Trong tải bằng cách tăng dần chuyển vị tại nút trung tâm mô hình PTHH, sử dụng phần tử tấm cứng để mô của tấm tải phía trên. Nhằm đạt mục tiêu phân phối hình cho các tấm gia tải này. Trong cả thí nghiệm và đều tải trọng lên đầu cột, tất cả các nút khác ở trên mô hình PTHH, tải trọng được áp dụng cho các cột bề mặt của tấm gia tải buộc phải có sự tịnh tiến thông qua tấm gia tải phía trên. Do đó, tấm gia tải thẳng đứng giống như nút trung tâm. Ngoài ra, phía trên được ngăn cản chuyển vị theo 5 bậc tự phương pháp Newton-Raphson đã được ứng dụng do, chỉ cho phép sự dịch chuyển theo phương dọc để tìm sự cân bằng trong mỗi cấp gia tải. trục cột. Trong khi đó, tấm gia tải phía dưới được 3. Kết quả nghiên cứu và khảo sát ngăn cản chuyển vị theo cả 6 bậc tự do. 3.1 Quan hệ lực và chuyển vị dọc trục của các Trong các thí nghiệm, sự tiếp xúc trực tiếp giữa cột CFST các tấm gia tải và các bề mặt của cột được thực Kết quả mô phỏng thu được có thể xem trên hiện để thu được các kết quả chính xác. Do đó, sự hình 8-10 như bên dưới. Hình 8. Quan hệ lực - chuyển vị Hình 9. Quan hệ lực - chuyển vị Hình 10. Quan hệ lực - chuyển vị dọc trục tại đỉnh các cột CFST dọc trục tại đỉnh các cột CFST dọc trục tại đỉnh các cột CFST với bê tông nhồi 65 MPa với bê tông nhồi 75 MPa với bê tông nhồi 85 MPa 3.2 Khả năng chịu lực của các cột CFST Bảng 3. Sức chịu tải tối đa của các cột CFST theo mô hình PTHH (kN) Trường hợp tải Cường độ bê tông (MPa) 65 75 85 SES 1008 1008 1008 SFC 2914 3159 3280 SFS 994-2692 994-2951 994-3065 SFE 2334 2580 2688 22 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016
7. KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 3.3 Các dạng phá hoại của cột CFST - 65 MPa- PTHH a. Cột SES b. Cột SFC c. Cột SFS d. Cột SFE Hình 11. Biến dạng của cột SES và cột SFC Hình 12. Biến dạng của cột SFS và cột SFE 3.4 Ứng suất trong ống thép và lõi bê tông của các cột CFST - 65 MPa – PTHH a. Ứng suất pháp b. Ứng suất tiếp a. Ứng suất pháp b. Ứng suất tiếp Hình 13. Ứng suất pháp và ứng suất tiếp Hình 14. Ứng suất pháp và ứng suất tiếp trong ống thép của cột SES trong lõi bê tông cột SFC a. Ứng suất pháp b. Ứng suất tiếp a. Ứng suất pháp b. Ứng suất tiếp Hình 15. Ứng suất pháp và ứng suất tiếp Hình 16. Ứng suất pháp và ứng suất tiếp trong lõi bê tông cột SFS trong lõi bê tông cột SFE 3.5 Sự phân phối lực dọc trục trong lõi bê tông và ống thép (tiết diện giữa cột CFST - 65 MPa - PTHH) Hình 17. Phân phối lực dọc trục trong lõi bê tông Hình 18. Phân phối lực dọc trục trong lõi bê tông và ống thép tại tiết diện giữa cột SFE và ống thép tại tiết diện giữa cột SFC Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 23
8. KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG 4. Phân tích kết quả mô phỏng 4.1 So sánh các kết quả mô phỏng với các kết quả thực nghiệm đã có và tính toán lý thuyết Kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả thí nghiệm của Johansson và Gylltoft [18] được thể hiện ở bảng 4. Bảng 4. So sánh kết quả mô phỏng với thực nghiệm [18] và tính toán lý thuyết theo EC4 Loại cột, Cường độ Pmax Pu,cal PFEA Pmax PFEA PFEA trường hợp bê tông thí nghiệm theo EC4 mô phỏng tải (MPa) [18] (kN) (kN) (kN) Pu, cal Pmax Pu, cal SES - 920 - 1008 - 1.1 - SFC 65 2220 2138 2914 1.03 1.31 1.36 SFS 65 950 2138 994-2692 0.44 1.05-2.83 0.46-1.25 SFE 65 2150 2138 2334 1 1.09 1.09 SFC 75 - 2322 3159 - - 1.36 SFS 75 - 2322 994-2951 - - 0.43-1.27 SFE 75 - 2322 2580 - - 1.11 SFC 85 - 2497 3280 - - 1.31 SFS 85 - 2497 994-3065 - - 0.40-1.23 SFE 85 - 2497 2688 - - 1.08 Từ bảng 4, các số liệu cho thấy sự thống nhất nén của bê tông theo các cấp độ làm tăng đáng kể cao giữa kết quả thu được trong thí nghiệm và phân khả năng chịu lực của các cột CFST. tích PTHH đối với các cột CFST có cường độ bê Trong giai đoạn đàn hồi, cột SFE có ứng xử tông 65 MPa, bao gồm SES, SFS và SFE với tỉ số cứng hơn so với cột SFC. Đối với cột SFE, lõi bê lực nén lần lượt là: 1.1, 1.05 và 1.09. Tuy nhiên, kết tông và ống thép được tiếp nhận tải đồng thời nên quả mô phỏng cho trường hợp cột SFC chưa đạt tải trọng được phân phối ngay từ đầu cho cả ống được sự thống nhất cao với kết quả từ các thí thép và lõi bê tông. Trong khi đó, cột SFC cho thấy nghiệm (tỉ số lực nén: 1.31). Nguyên nhân có thể là lõi bê tông chịu hầu như toàn bộ tải trọng trong giai do mô hình vật liệu sử dụng cho bê tông chưa được đoạn đầu. mô phỏng tốt cho trạng thái ứng suất ba trục của lõi Ứng xử của cột SFS, trong giai đoạn đàn hồi, là bê tông. Sự tăng cường độ chịu nén của bê tông tương tự với cột ống thép rỗng SES. Tuy nhiên, sau trong mô hình vật liệu là lớn hơn so với thực tế. khi ống thép chảy thì phần bê tông tham gia chịu lực, Ngoài ra, sự khác nhau giữa sơ đồ thí nghiệm [18] khả năng chịu lực của cột được phục hồi cho đến khi và mô hình PTHH cũng có thể dẫn đến sự khác bê tông đạt được cường độ tối đa. Trong quá trình nhau này. Cụ thể là, với thí nghiệm nén mẫu, tải gia tăng tải trọng, sự làm việc của cột SES và SFS trọng được áp dụng đúng tâm lên cả phần bê tông cho thấy sự khác nhau trong xu hướng mất ổn định ở hai đầu cột. Trong khi đó, với mô hình PTHH, tải cục bộ của ống thép. Trong đó, đối với cột SES, sự trọng được áp dụng đúng tâm lên phần bê tông ở mất ổn định cục bộ là ống thép biến dạng lõm vào một đầu cột, đầu còn lại được ngăn cản chuyển vị bên trong và bắt đầu tăng kích thước cùng với sự theo cả 6 bậc tự do. biến dạng thẳng đứng (hình 11a). Ngược lại, cột SFS 4.2 Ứng xử cơ học của các cột tương ứng cho thấy sự mất ổn định cục bộ của ống thép là biến Từ các đường cong quan hệ lực nén – chuyển vị dạng lồi ra bên ngoài do có sự ngăn cản bởi lõi bê dọc trục của các cột CFST trong phân tích mô hình tông từ bên trong. Do đó, sự mất ổn định cục bộ của PTHH (hình 8-10), có thể nhận xét rằng: khi tăng ống thép trong trường hợp này là cột bị biến dạng cường độ của bê tông, quy luật gia tăng lực – lượn sóng về phía bên ngoài (hình 12a). chuyển vị của các cột CFST là tương tự nhau cho Tải trọng do lõi bê tông chịu đối với hai trường cùng trường hợp gia tải. Việc tăng cường độ chịu hợp cột SFE và SFC đạt giá trị cao hơn so với sức 24 Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016
9. KẾT CẤU – CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG chịu tải danh nghĩa của bê tông tính theo Tiêu [5] Fujimoto, T., Mukai, A., Nishiyama, I. and Sakino, K. chuẩn Eurocode 4. Điều này cho thấy hiệu ứng (2004), Behavior of Eccentrically Loaded Concrete- giam giữ mà ống thép tác dụng lên lõi bê tông làm Filled Steel Tubular Columns. Journal of Structural tăng sức chịu tải của lõi bê tông và hiệu ứng này Engineering, 130(2): p. 203-212. được thể hiện rõ hơn đối với cột SFC. Đối với cột [6] Yu, Z. (2007), Experimental behavior of circular SFE, lõi bê tông đóng góp khoảng 60% (hình 17) concrete-filled steel tube stub columns. Journal of khả năng chịu lực của cột. Trong khi đó, lõi bê tông Constructional Steel Research, 63: p.165-174. của cột SFC đóng góp cao hơn cho khả năng chịu [7] Han, L.-H., Liu, W. and Yang, Y-F. (2008), Behaviour lực của cột, là khoảng 80% (hình 18). of concrete-filled steel tubular stub columns subjected to axially local compression. Journal of Constructional 5. Kết luận Steel Research, 64: p.377-387. Kết quả nghiên cứu từ phân tích mô hình PTHH [8] Chu Thị Bình (2011), Khả năng chịu tải của cột thép được so sánh với các kết quả tính toán theo EC4 và ống nhồi bê tông, Tạp chí Kết cấu và Công nghệ kết quả thí nghiệm của các tác giả khác [18] cho Xây dựng, tháng 6. phép rút ra một số kết luận sau: [9] Phan Đình Hào, Ngô Hữu Cường, Ngô Trường Lâm - Ứng xử cơ học và khả năng chịu lực cực hạn Vũ và Trần Hữu Huy (2012), Phân tích ứng xử phi (chịu nén) của cột CFST phụ thuộc vào cách gia tải tuyến kết cấu ống thép nhồi bê tông. Đề tài Nghiên được áp dụng khi nén lên cột. Trường hợp nén vào cứu Khoa học cấp Bộ - Mã số: B2010-TDA01-23- TRIG. Hoàn thành tháng 6. lõi bê tông cho kết quả cường độ chịu nén tối đa của cột lớn nhất so với hai cách đặt tải còn lại; [10] Ngo-Huu, C., Nguyen-Minh, L., Ho-Huu, C., Kamura, H., Nanba, T. and Nakagawa, K. (2016), - Cường độ chịu nén của bê tông nhồi có ảnh Experimental study of circular stub CFT columns hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực tối đa của under axial compression loads. Proceedings of các cột CFST, quan hệ giữa chúng là tỉ lệ thuận. EASEC-14, p. 994-1002. Đồng thời, quy luật của đường cong quan hệ lực [11] Lê Xuân Dũng và Phạm Mỹ (2016), Nghiên cứu ảnh nén – chuyển vị là tương tự nhau đối với các cột có hưởng trượt tương đối giữa ống thép và lõi bê tông cùng cách đặt tải khi thay đổi cường độ của bê tông đến khả năng chịu lực nén lệch tâm của cột ống nhồi; thép nhồi bê tông. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, - Hiệu ứng giam giữ của ống thép đối với lõi bê Đại học Đà Nẵng, số 1(98), trang: 15-21. tông tạo ra ứng suất nén ba trục và làm tăng cường [12] ABAQUS Documentation. Version 6.14-4. độ chịu nén của lõi bê tông một cách đáng kể. Cột [13] Eurocode 4. Design of composite steel and concrete CFST áp dụng tải trọng nén lên phần lõi bê tông có structure. Part 1.1, General rules and rules for hiệu ứng giam giữ tốt nhất; buildings. - Các số liệu về kết quả mô phỏng số của nghiên [14] Starossek, U., Falah, N. and Lohning, T. (2008), cứu này có thể sẽ cung cấp một phần cơ sở dữ liệu Numerical Analyses of the Force Transfer in cho việc phân tích nhằm góp phần xây dựng Tiêu Concrete-Filled Steel Tube Columns. The 4th chuẩn hay hướng dẫn tính toán và thiết kế kết cấu International Conference on Advances in Structural CFST ở nước ta trong tương lai gần. Engineering and Mechanics, (ASEM’08). TÀI LIỆU THAM KHẢO [15] HKS (1997). ABAQUS/Standard User’s Manual, version 5.7, Hibbit, Karlsson & Sorensen, Pawtucket, R.I. [1] Ge, H., and Usami, T. (1992), Strength of concrete-filled [16] RILEM 50-FMC Committee. (1985). “Determination thin-walled steel box columns- experiment. Journal of of the fracture energy of mortar and concrete by Structural Engineering, 118(11): p. 3036-3054. means of three-point bend tests on notched beams.” [2] Ge, H., and Usami, T. (1994), Strength analysis of Mater. Struct., 18(106), 285-290. concrete-filled thin-walled steel box columns. Journal [17] Baltay, P., and Gjelsvik, A. (1990). “Coefficient of of Constructional Steel Research, 30: p.259-281. friction for steel on concrete at high normal stress.” [3] Uy, B. (1998), Concrete-filled fabricated steel box J. Mater. Civ. Eng., 2(1), 46-49. columns for multi-storey buildings: behaviour and [18] Johansson, M., and Gylltoft, K. (2002), Mechanical design. Progress in Structural Engineering and Behavior of Circular Steel-Concrete Composite Stub Materials, 1(2): p. 150-158. Columns. Journal of Structural Engineering. Vol 128. [4] Han, L.-H. (2004), Flexural behaviour of concrete- No. 8, August 1, p.1073-1081. filled steel tubes. Journal of Constructional Steel Ngày nhận bài: 07/11/2016. Research, 60: p.313-337. Ngày nhận bài sửa lần cuối: 09/12/2016. Tạp chí KHCN Xây dựng – số 4/2016 25