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

Kết cấu ống thép nhồi bê tông là một dạng kết cấu hỗn hợp gồm ống thép và lõi bê tông cùng làm việc. Bê tông được đổ trong lòng ống và quá trình đông cứng chặt bê tông trong ống thép sẽ tạo thành một kết cấu liên hợp chịu lực chung. Trong đó ống thép có tác dụng như là một vỏ bao ngoài bọc chặt bê tông. Ống thép có thể có nhiều dạng tiết diện, có thể tròn hoặc đa giác kín. Cường độ bê tông có thể mác trung bình hoặc mác cao.

Trang 1

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

Trang 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.

Trang 3

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 tắttiếng anh là CFTS) là một hệ thống gồm các cấu kiện chịu lực chính là các ống thép đượcnhồi 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 năngchống biến dạng và khả năng chống cháy.Việc nhồi bê tông vào ống thép đã nâng cao độbền chống ăn mòn mặt trong của ống thép,làm giảm độ mảnh của cấu kiện, làm tăng độổn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả năng chống móp,méo của vỏ ống thép khibị 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 bêtông lõi cùng làm việc chung

Trang 4

 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 vịthép 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 tôngđòi 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 năngchịu lực của nó nhỏ hơn nhiều Thuy nhiên trong một số trường hợp cũng có thể dùngống thép nhồi bê tông chịu kéo để chống gỉ cho bề mặt trong ống,tăng độ cứng chống uốn

Trang 5

+ Thứ nhất: sử dụng ống thép nhồi bê tông trong các sơ đồ kết cấu truyền thốngcủa công trình mà có những cấu kiện chịu nén là chủ yếu đó là cột, trụ, thanh biên cộtđiện, 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 doống 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 liênhợp, đó là một kết cấu chỉ chịu nén dọc trục.Cột liên hợp là phần tử thép có tác động liênhợp 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 trongcủa cột ống thép

- Các cột liên hợp ống thép nhồi bê tông áp dụng càng nhiều vì dạng cột này có lợi thếnhư: cường độ cao, tính mềm dẻo, khả năng chịu nhiệt lớn, giảm thời gian xây dựng tăngđộ 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)

Trang 6

-Giá thành tổng thể của công trình làm bằng kết cấu ống thép nhồi bê tông nói chungnhỏ 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 vậnchuyển và lắp ráp dễ dàng hơn

-Kết cấu ống thép nhồi bê tông kinh tế hơn so với kết cấu BTCT vì không cần vánkhuôn

-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 thìchỉ 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 hếtkhả năng chịu lực của thép còn BTCC thì thép được đặt giữa tiết diện nên không pháthuy 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 ốngthép nhồi bê tông giảm được 50%,trong khi đó việc thi công BTCC lại khó khăn hơnnhiều

c So sánh với kết cấu thép

-Cùng với một loại tiết diện tương đương chịu lực thì kết cấu ống thép nhồi bê tôngcó 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 mặttrong, làm giảm độ mảnh của cấu kiện, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống, tăngkhả năng chống biến dạng của vỏ

-Diện tích bề mặt ngoài của kết cấu ống thép nhồi bê tông chỉ nhỏ bằng khoảng mộtnửa so với kết cấu thép có cùng khả năng chịu lực, do đó chi phí về sơn phủ và bảodưỡng cũng ít hơn

Trang 7

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

1 Bê tông:

2 Thép:

Trang 8

VI Khả năng áp dụng:

Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng và công nghiệp, loại kết cấu áp dụng rất nhiều vớinhững công trình có nhịp lớn lên đến hàng trăm mét,đáp ứng được yêu cầu về chịu lựccao-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 phồKobe(Nhật Bản) để chống lại động đất,tòa nhà thí nghiệm của Viện Nghiên cứu khoa họcthành 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 xâydựng 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 pháttriển nhanh chóng của cấu trúc ống thép nhồi bê tông là do tính chất cơ học tốt và hiệusuất xây dựng của nó

Là một cấu trúc hỗn hợp mới nổi, ống thép bê tông (CFST) chủ yếu được sử dụng chocác thành viên nén với ứng suất trục tương đối thấp và lực lệch tâm và được sử dụng rộngrãi trong các kết cấu khung (như nhà xưởng và nhà cao tầng) Sự phát triển nhanh chóngcủa 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

Trang 9

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 (NhậtBản) để chống lại động đất,tòa nhà thí nghiệm của Viện Nghiên cứu khoa học thành phốOlinoe(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 tháiGuiyang - Tháp 201 (2011), tp Quế Dương, Trung Quốc; Canton tower (2010), QuảngChâu, Trung Quốc,…

Trang 10

Tháp Poly Diamond Lantern (2016), Bắc Kinh, Trung Quốc Dử dụng cấu trúc ốngtrong 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, TrungQuốc là tòa nhà cao nhất thế giới sử dụng các cột ống thép đầy bê tông Nó có 76 tầngvới bốn tầng hầm, mỗi tầng hầm có diện tích 9653m 2 Cấu trúc chính là cao 291,6m vớimột tính năng mái bổ sung cho tổng chiều cao 361m

Trang 11

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

Trang 12

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 LakeDistrict, thành phố Guiyang, Trung Quốc, diện tích 500.000 mét vuông với tổng diện tíchgần 1.000.000 mét vuông, được thiết kế và hoàn thành bởi AUBE trong ba năm Là trụ sởcủa Tập đoàn Phát triển Đô thị Zhongtian, tháp 201 nằm ở độ cao chỉ huy của khu phứchợp kiến trúc và hội nghị quốc tế sinh thái Guiyang Với tổng chiều cao là 201m, đây làtrung tâm thị giác của Công viên Sinh thái Tự nhiên Hồ Guanshan và toàn bộ Thành phốHội nghị và Triển lãm với diện tích gần 5.000.000 mét vuông

Trang 13

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 việcchung, cần hiểu về trạng thái của mỗi loại vật liệu riêng biệt cũng như sự tương tác giữahai loại vật liệu đó trong cấu kiện Cột ống thép nhồi bêtông chủ yếu được thiết kế đổchịu lực nén Nhưng luôn luôn tồn tại các mômen do đặt tải lệch tâm lên cột, do các hiệuứng thứ cấp và các mômen đặt tại đầu cấu kiện Tuy nhiên, mục đích bố trí cấu tạo chủyếu là cho bêtông chịu lực nén và cho ống thép thực hiện vai trò cùng chịu nén theohướng dọc và vai trò làm vỏ thép bao ngoài lõi bêtông Trortg các phần sau sẽ phân tíchvề trạng thái cơ học của bêtông và thép, liên quan tới chức năng của chúng trong cột liênhợp Cuối cùng sẽ thảo luận về cơ cấu truyền ứng suất cắt tại bề mặt giữa lõi bêtông vàống 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 mOttrục và theo nhiéu trục Bốtổng là một hỗn hưp các thành phần vật liệu, nó lã một thổkhống đống nhất bao gổm hỗn hợp hó xi mãng, nước, không khí lố rổng, đươc kết hơptrong một cấp phối vói các hạt có các kích cỡ khác nhau Tuy vậy trong tính toán ket ( hìthường già thiết rằng bêtông là vật liệu đổng nhất và trạng thái cơ hoe thường được biểudiẻn 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 Uyban BIchiu Àu - CEB 228 (1995)

Trang 14

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 độnén, fco, độ nghiêng ban đầu tương ứng với mô đun đàn hồi tăng và phần tuyến tính cũngkéo dài với các vị trí ứng suất cao hơn Hơn nữa, ứng biến cơ bản, εco tương ứng lúc ứngsuất đạt cực đại, tăng theo mức độ tăng cường độ nén Ngày nay ở nước ngoài cũng nhưở Việt Nam đã có thể chế tạo bê tông với cường độ cao hơn 45 MPa Bộ GTVT đã banhành Tiêu chuẩn ngành về hướng dẫn chế tạo bêtông cấp 60-80 MPa Trong tài liệuFIP/CEB (1990), đã định nghĩa Bê tông cường độ cao là loại có cường độ tương ứngkhoảng 60 MPa - 130MPa Còn ở Việt Nam, theo cách gọi thông thường thì cấp bê tông40MPa (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 theocường độ chịu nén Như vậy thì tại sao trạng thái ban đầu trở thành tuyến tính hơn và pháhủy giòn nhiều hơn khi cường độ tăng Điều này có thể giải thích bởi cấu tạo hỗn hợp tựnhiên của bêtông Môđun đàn hồi của cốt liệu và hồ ximăng đã hoá cứng có khả năng ảnhhưởng đến trạng thái cơ học của bêtông; (xem Neville -1997) Khi cốt liệu và hồ ximăngđã hoá cứng chịu các tải trọng riêng biệt, cả hai loại vật liệu này đều thể hiên các quan hệ

Trang 15

phát triển tăng dần của các vết nứt trong bê tông đã chịu ảnh hưởng lớn bởi sự khác nhauvề 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 thấyhầu hết là ứng xử tuyến tính, và các vết nứt dính bám trước đó đã bị gây ra bởi sự giãn nờvà co ngót và do nhiệt độ không phát triển đáng kể (xem hình 2.3a) Do bản chất khôngđồng nhất và không đẳng hướng của hỗn hợp bêtông, sự phân bố ứng suất một trục đã tácđộng tới các kết quả của một mẫu thử bêtông không đều, như vậy xuất hiện trạng tháiứng suất cục bộ nhiều trục Độ cứng các cốt liệu riêng lẻ gây ra hiện tượng tập trung ứngsuất, 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 sinhcác ứng suất kéo bên (xem hình 2.4) Khi ứng suất đạt mức xấp xỉ 40% ứng suât lớn nhấtsẽ 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 tácđộng đến đỉnh và đáy của cốt liệu Lúc này quan hệ ứng suất - biến dạng đã bắt đầu thểhiện 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 dínhbám 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 thànhvết nứt là một sự tổ hợp của một dạng trượt và dạng khe nứt, lan truyền các vết nứt dướitác dụng cắt dọc và kéo bên ứng xử ở trạng thái này có khả năng là phi tuyến Khi ứng

Trang 16

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

Trang 17

Ứng suất gây biến đổi thể tích εvol nhỏ nhất được gọi là ứng suất tới hạn.Phía trướcứng suất đỉnh,quá trình nứt gồm các vi vết nứt phân bố.Các vết nứt này ổn định,chúng chỉphát triển khi ứng suất nén tăng.Quanh ứng suất đỉnh,sự truyền vi vết nứt bắt đầu tới khuvực riêng lẻ và bắt đầu tạo thành những vết nứt lớn Chúng ổn định, nên nếu khi đó giảmứng suất thì sẽ hạn chế phát triển nứt Trong một thí nghiệm kiềm chế biến dạng,vết nứtnày phát triển do làm mém và sự dinh ví các biến dạng, mà cụ thể là toàn bộ các biếndạng tập trung vào vết nứt, trong khi phần liên kết của mẫu thử bêtông thể hiện sự giảmbiến dạng sau khi dỡ tải Các biến dạng bên tăng mạnh mẽ dẫn đến thể tích của mẫu thửtăng Điều đó dã cho thấy rằng, dạng phá hoại trong tinh huống nen th hầu hết thường làtổ 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 giảmkhả năng phá hoại của bê tông Trong bê tông cường độ cao(sau này được viết tắt làHSC),modun đàn hồi cao hơn bởi vì trạng thái rổ thấp hơn cùa hổ ximang đa hóacứng.Cốt liệu nhỏ hơn thường tạo ra một tổng diện tích bề mặt lớn hơn ,và do đó tổng lực

Trang 18

dính bám cao hơn Ngoài ra vì cường độ dính bám giữa hồ ximang đã hóa cứng và cốtliệu trong HSC là cao hơn, cho nên sẽ làm chậm lại hoặc có thể loại trừ được sự phá hoạidính bám Vi vậy, bề mặt vi vết nứt trong HSC sẽ được giảm, và nguyên nhân của vânđề này gồm hai phần: trạng thái nguyên khối hơn sẽ giảm bớt nguồn vết nứt, và cường đôdính bám tăng cao hơn sức kháng.

Vì vây, độ đồng nhất cao hơn của bêtông cường độ cao (HSC) sẽ dẫn đến kết quả làsự hình thành ít vết nứt hơn trong bêtông cường độ thấp Phần tuyến tính trên biêu đôtrạng thái ứng suất - biến dạng sẽ kéo dài hơn và trị số ứng suất tới hạn cũng dược tănglên Tuy nhiên, ngay sau khi đã đat đên ứng suất tới hạn, se xuât hiẹn vet nưt lơn hơn vamẫu thử trở thành không bền; hư hỏng xảy ra sau đó một cách đột ngột Trong bê tongcường độ thường (NSC) thì cốt liệu tác động như bộ hãm vết nứt, và các vết nứt băt buộcphát 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 lênhợp thường là chịu ứng suất kéo (như dầm, bản) Tuy nhiên trong cột liên hợp băng théphình thì thép cùng chịu tải trọng nén với bêtông do chúng dính bám nhau Hơn nữa, do sựbiến dạng bên của lõi bêtông khi bị nén dọc trục, ống thép sẽ vừa bị nén dọc trục vừa bịkéo bên hông tức là ở trong trạng thái ứng suất 2 trục

2.3.2 Đặc tính cơ học trong kéo và nén

Trang 19

Cấu kiện thép thường được làm từ các loại thép kết cấu Để giải thích đặc tính cơ họccủa 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 hiệntrông hình 2.10 Ban đấu, quan hệ ứng suất - biến dạng là tuyến tính với môđun đàn hổi Etương 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 liêntục xảy ra khi đã đạt đến cựờng độ chảy fy, ứng với biến dạng chày €ay Sự biến dạng saukhi bắt đầu tới cường độ chảy, khiến cho diện tích mặt cắt ngang bị giảm nhiều (biếndạng teo tóp lại) điểu này lại là nguyên nhân tăng ứng suất thép cho đến lúc phá hoại cuốicùng tại e Tuy nhiên phần trước cùa quan hệ ứng suất - biến dạng là có phẩn làm sai lạctrạng thái vật liêu Các biến dạng ban đầu đã ghi được là không thể hiện biến dạng cục bộtrong phạm vi thắt hẹp của mảu thử, nhưng giá trị trung bình của biến dạng được tínhbằng 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 viđàn 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 Ngượclại với trường hợp thí nghiệm kéo, diện tích thép tăng lên dưới tác dụng của lực nén trongthí 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 ổnđịnh 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 ứngtrong khi thí nghiệm đặt tải kéo và nén tương ứng Giá trị tuyệt đối của tỉ số biến dạngngang với biến dạng dọc khi chịu tải trọng dọc trục được định nghĩa là hệ số Poisson, vàTrong phạm vi đàn hồi lý tưởng, hệ số Poisson cho kết cấu thép khoảng chừng 0.3, khiphạm vi đàn hồi khoảng 0.5

Khả năng của thép chịu các biến dạng lớn trong phạm vi sau đàn hổi mà không có sựgiảm đáng kể về cường độ đã được đại diện bằng tính mềm của thép Điều này chắc chắnlà một trong hầu hết đặc tính quan trọng của thép kết cấu Tính dễ uốn của các loại théplà khác nhau, và thép cường độ cao thường có tính dễ uốn thấp hơn so với thép cường độthường Một vài loại thép cường độ cao không thể hiện rõ ràng trị số ứng suất đàn hổi vàtrạng thái bình ổn không dẻo trong quan hệ ứng suất - biến dạng Với các loại thép mà

Trang 20

không có trạng thái bình ổn dẻo hoàn toàn xác định, giới hạn chảy đã được định nghĩa làtrị 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 dễuốn giảm Sự thiếu tính dẻo làm một kết cấu thép dễ bị hỏng nhiều hơn với sự có mặt củaứng 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 thểhiện 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:

Trang 21

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 mứcđộ 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 củaứng 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 việccủa thép Thép là vật liệu đồng chất và đẳng hướng nên có thể coi là trong mọi hướng thìứng suất chính ơ1, ơ2 có thể dược tính toán trong phạm vi đàn hồi căn cứ vào trị số biếndạng 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 cáctrạng thái ứng suất Như đã thấy ở trên, giới hạn đàn hồi trong trường hợp kéo và nén mộttrục là ứng suất đàn hồi fy Nói chung, giới hạn đàn hồi hoặc ứng suất đàn hôi là một hàmcủa trạng thái ứng suất, và trong kỹ thuật thường chấp nhận tiêu chuân dẻo cho một tổhợp trạng thái ứng suất cho các kim loại là Tiêu chuẩn năng lượng oằn cực đại mang tênVon Mises; (xem Crisfield -1994) Tiêu chuẩn Von Mises cho trạng thái ứng suất 3 trụcđã được miêu tả bằng sự liên kết của hình trụ tròn với mặt phẳng toạ độ ơ3 = 0

Ơ12 - Ơ1 Ơ2 + Ơ2 = Ơ0

(2.8)

Trang 22

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 làhoá cứng biến dạng đẳng hướng, mà các biện pháp đó bề mặt dẻo phát triển đều bênngoài sự xoắn vặn và sự dịch chuyển như dòng dẻo xuất hiện, như đã thấy trong hình2.11 Hoá cứng đẳng hướng tác dụng chủ yếu với đặt tải đều đều; cho tuần hoàn vànghịch 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 đànhổi ơ0 trong phương trình 2.8 với một ứng suất thay đổi ơ0 (£ps), vì vậy ứng suất đàn hồilà một dạng của biến dạng dẻo tưorng đương; (xem Crisfild -1994) Quan hệ giữa Ơ0 và

£ps có thế được lây từ quan hệ ứng suất - dẻo cho kéo một trục

Trang 23

chế tiếp theo có thể đươc coi như cùng kiểu hiện tượng, và sức kháng cắt bởi hai cơ chếnày có thế được tăng thêm Nếu dính bám tự nhiên là khổng đù để thực hiện được yêucầu của sức kháng cắt nó có thể sử dụng các thiết bị liên kết chống cắt cơ học Trạng tháitruyén lực cắt trong mặt phân cách giữa bétông và thép trong cột liên hợp hầu hết thườngdựa 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 hình2.12a) Đây thường là dính bám cơ học Đó là cơ chế truyền lực đứt gãy giòn đàn hồi làtác động chủ yếu ở giai đoạn đặt tải sớm khi quan hệ các biến dạng là rất nhỏ, và cócường độ lớn nhất vào khoảng 0.1 MPa Kennedy (1984) đã cho thấy rằng sự phân bốcủa nó tới truyền các ứng suất cắt có thể đã không chú ý cho cột liên hợp, bời vì ứng suấtdính bám đã vượt quá tại một giá trị thấp hơn 0.0 lmm Hơn nữa, co ngót của lõi bêtôngcó hiộu ứng bất lợi trên sự phát triển của ứng suất dính bám Theo Reoder (1999), sư pháttriển của dính bám phụ thuộc vào sự kết hợp của co ngót và bán kính biến dạng của ốngthép do áp lực từ bêtồng trướt khi đổ Để đạt được hiệu ứng đấy dù của sư dính bám áplưc tiếp tục tồn tại ở bé mặt phân cách sau khi co ngót hết Tuy nhiên, quy định các áp lựccao này, mà không chắc chắn xuất hiện trong hầu hết các diều kiện thực tế; co ngót sẽ chiphối 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 tớiđộ xù xì bề mặt của ống thcp Cơ chế chuyền lực cắt này do bởi cơ chế đan xen giữabêtông và bề mặt không đồng đểu của thép Tuy nhiên, cơ cấu sẽ chỉ có ý nghĩa khi hai bềmặt được nối cùng nhau, mặt khác, đây là một xu hướng cho hai bề mặt tách rời nhau vàthắng dể dàng cái khác khi một biến dạng cắt được áp dụng Bời vì ống thép bọc kín lõibêtông trong cột CFST, sư chia cắt đã ngăn cản và sự kiềm chế bị động bời ống, thép sẽ

Trang 24

bao gồm các lực-pháp tuyến qua măt phân cách khi bêtông cố gắng thắng dễ dàng xù xìtrong bổ mặt thép; (xem hình 2.12b) Vì vây, mặt phân cách đan xcn vào nhau là mộtphần 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 mặtphân cách đan xen vào nhau Sức kháng ứng suất ma sát phụ thuộc vào lực pháp tuyếntác động ngang mặt phân cách và hệ số ma sát là µ, mà quan hệ tới độ xù xì của bề mătthép và điểu kiện bề mặt; xem hình 2.12c Hộ số ma sát giữa thép và bêtông có thểkhoảng từ 0 khi mặt phân cách được bôi mỡ đến 0.6 khi bề mặt phân cách không đượcbôi mỡ

Baltay và Gjelsvik (1990) đã thực hiện các thí nghiêm để xác định hệ số ma sát giữabêtông và thép mềm (ít hàm lượng carbon) cho một phạm vi rộng của ứng suất pháp, từ7kPa đến gần 490MPa Hệ số ma sát trung bình đã cho thấy khoảng 0.47 Trong các thínghiệm đã được thực hiện bởi Olofsson và Holmgren (1992) tại Viện nghiên cứu và thínghiêm quốc gia Thuỵ Điển, một giá trị của hệ số ma sát đã được xác định là 0.6 Họ đãnghiên 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, hoặcđã bao gồm sự kiểm chế bị động do sự dịch chuyển Sức kháng cắt được kết hợp với lựcpháp tuyến tác động bên ngoài hoặc lực pháp tuyến bị động ngang qua mặt phân cáchthường theo như ma sát chủ động và ma sát bị động, tương ứng Trong cột CFST, ma sátchủ động bởi các tác dụng vấu do sự liên kết luân phiên, và ma sát bị động bởi các tácdụng 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 kínhtrong của ống

Trong các thì nghiệm đẩy, vi chốt đưa ra sức kháng ma sát bị động mà có thể một vàitải trọng được duy trì vượt tải trọng tới hạn được kết hợp vì vi chốt bề mặt Hiệu ứng dưnày đưa ra “cường độ dính bám” thiết kế trong EC4, và dựa trên các thí nghiệm đẩy đã

Trang 25

Để tăng dính bám giữa ống thép và lõi bêtông có thể hàn thêm vào trong ống các đinhneo 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 (hình2.13a), với các ống có đường kính nhỏ hơn bu lông có thể được gắn từ ngoài bằng cáchkhoan (hình 2.13b) Trong hình 2.13a, lực cắt dọc dược truyền bằng tác động chốt sẽ gâynên ứng suất tập trung cao khu vực bêtông phụ cận Theo đó cường độ nén cùa bêtongảnh hưởng đến dạng phá hoại, tải trọng kháng cắt lớn nhất của thiết bị liên kết có thể đạtđược khi vùng bêtông phụ cận bị hỏng theo hình 2.13b, các đinh liên két nhỏ hơn và dềbiến dạng hơn Chúng có thể chịu được các biến dạng lớn và chúng chỉ bị dứt rời ra khichúng bị đức ra ngoài từ bêtông hoặc bị cắt đứt dầu

CHƯƠNG 3 TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT CỦA ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

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

Trang 26

Nếu sức chịu tải bị giảm nhiều bởi momen thứ cấp (đã gây ra biến dạng cột), thì cột được coi là loại cột mảnh; nếu khác đi thì sẽ được coi là loại cột ngắn.

3.2 CỘT NGẮN CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM

3.2.1 Khái quát chung

Trạng thái cơ học của các cột ngắn ống thép nhồi bê tông cũng phụ thuộc vào điều kiện chịu nén đúng tâm

Cột ngắn liên hợp thường phát huy được hết các hiệu quả cường độ mặt cắt ngang, vì vậy sự hư hỏng của cột này phụ thuộc vào cường độ chịu nén của bê tông và giới hạn chảy của thép

Tuy nhiên trong cột ngắn, lõi bêtông gây ra áp lực thành bên (áp lực nở hông) tác dụng lên ống thép, vậy nên mặt cắt của cột liên hợp chịu được tải trọng dọc trục lớn hơn

so với khi chỉ có riêng mặt cắt bêtông

Quan trọng nhất là trạng thái của bêtông được bọc bằng ống thép sẽ có ảnh hưởng đếntoàn bộ trạng thái làm việc của kết cấu

3.2.2 Sự kiềm chế bị động trong lõi bêtông

Xét ảnh hưởng của việc bố trí vỏ thép để chịu lực ngang trong cột BTCT Vỏ thép nàysẽ hạn chế sự giãn nở ngang của bêtông khi bêtông chịu nén, nghĩa là gây áp lực kiềm chế bị động trong lõi bêtông

Khi tải trọng nén tăng thêm, sự giãn nở của bêtông tăng và dẫn đến tăng áp lực kiềm chế Do đó áp lực kiềm chế bị động được quy định bởi vỏ thép là không cố định, nó phụ thuộc vào biến dạng bên của lõi bêtông dưới tác dụng của tải dọc trục và quan hệ ứng suất - biến dạng của ống thép kiềm chế khả năng biến dạng nở hông

Trang 27

Đối với cột bêtông cốt thép thông thường, khi cột chịu tải trọng nén đúng tâm, lớp bêtông bào vệ không bị kiềm chế và trở nên không hiệu quả sau khi nó đạt giới hạn chịu lực nén.

Để tránh hiện tượng phá hoại giòn có thể sử dụng loại be6tong cường độ cao (HSC) và đồng thời để đạt được tính mềm dẻo cao hơn thì có thể giảm khoảng cách giữa các cốt đai

Đối với loại cột thép liên hợp BTCT bao gồm mặt cắt ống thép rỗng được nhồi đặc be6tong thì ống thép kèm theo lõi bêtông và đôi khi còn có cả cốt thép dọc và cốt thép đặt tại thành bên Vì vậy, ứng suất tới hạn của be6tong đã chịu ảnh hưởng của sự kiềm chế bị động do ống thép gây ra nên không có tình trang bêtông bảo vệ bị nứt vỡ sớm.Theo thí nghiệm của Schneider (1998) thì mặt cắt tròn có mức độ kiềm chế lớn hơn sovới cột có mặt cắt chữ nhật

Trang 28

Từ phương trình cân bằng lực tác dụng trong một nửa ống có thế thành lập quan hệ giữa ứng suất kéo và áp lực kiềm chế trong lõi bêtông:

Ứng suất nén tới hạn, fcc , và biến dạng tương ứng, cc , của lõi bêtông bị kiềm chế bằng ống thép có thể được đánh giá bằng cách đưa phương trình 3.1 vào phương trình 2.4và 2.5 của phần 2.2.3 như là:

Trang 29

Do có sự khác nhau về đặc trưng giãn nở của hai loại vật liệu có ảnh hưởng lớn đến trạng thái cơ học của cột CSFT Hơn nữa, do tổ hợp của ứng suất nén dọc trục và ứng suất kéo bên, ống thép sẽ ở trong trạng thái ứng suất hai trục, theo tiêu chuẩn giới hạn Von Mises sẽ làm giảm ứng suất đàn hồi trong hướng chu vi Vì vậy, ứng suất kiềm chế trong lõi bêtông không thể được ước lượng sớm.

3.2.3 Ảnh hưởng của tải trọng tới trạng thái cơ học

Có 3 phương pháp đặt tải khác nhau:

 Đặt tải lên toàn bộ mặt cắt

 Đặt tải chỉ lên mặt bêtông

 Đặt tải chỉ lên mặt cắt thép

3.2.3.1 Trường hợp đặt tải trọng lên toàn bộ mặt cắt

Tức là khi thép và bêtông được đặt tải đồng thời (SFE)

Trang 30

Các dấu hiệu mà cường độ dính bám có ảnh hưởng không đáng kể đến trạng thái chịulực phù hợp với điều kiện đặt tải trọng nói trên

Trong giai đoạn đặt tải trọng ban đầu (pha 1), mức độ giãn nở của bêtông nhỏ hơn củavỏ ống thép; trước đó, ống thép giãn nở nhanh hơn theo hướng bán kính so với giãn nở của lõi bêtông, vì thế vỏ thép không làm cản trở lõi bêtông Lúc này, các vi vết nứt trong lõi bêtông có thể được co rằng đã xuất hiện phân bố rải rác Tuy nhiên, khi tải trọng tang và ứng suất trong lõi bêtông tăng dần đến cường độ nén giới hạn, vi vết nứt bắt đầu

truyền tới các vị trí cục bộ và bắt đầu hình thành các vết nứt lớn

Tăng tải lên ở pha 2, ống thép cản trở lõi bêtông và ứng suất vòng trong ống thép (

ah

 >0) Tại trạng thái này và tiếp sau đó, lõi bêtông bị nén theo 3 trục và ống thép bị nén

theo hai trục Mục đích này là trước khi kìm hãm cường độ nén bêtông ( f co) đã đạt được,ống thép hầu hết không tác động cản trở trong lõi bêtông

Trang 31

Tải trọng tác dụng lên cột CFST có thể được tăng ngay cả khi vết nứt đã bắt đầu xuất hiện trong lõi bêtông (pha 2) Như trên hình 3.5 a và c, vết nứt phát triển chậm lại và trở nên ổn định, tải trọng có thể được tăng trong khi hình thành vùng cắt cục bộ (pha 2) Cùng với sự tăng dần các hư hỏng, sức kháng cơ học trong vùng cắt giảm đi Điều này

rõ rang chống lại việc tăng hiệu ứng kiềm hãm bị động của lõi bêtông; tại một điểm nào đó hư hỏng đến mức phạm vi rộng ra mà áp lực hiện tại là không đủ để ngăn cản vết nứt phát triển không ổn định, và đã đạt được đến cường độ lực nén lớn nhất (fcc) của lõi

bêtông

Với cùng chiều dày ống thép, các cột nhồi đặc với HSC cho thấy dạng trạng thái mềm

do phá hoại cắt và khi các cột nhồi đặc với NSC đã cho thấy trạng thái đông cứng trong khi ép lõi

Trang 32

Vì vậy, trạng thái sau điểm chảy của cột CFST bị ảnh hưởng nhiều bởi sự phá hoại của lõi bêtông, mà điều này lại phụ thuộc vào cường độ bêtông và mức độ giãn nở Các thí nghiệm đã cho thấy rằng nên phân loại hợp lý trạng thái sau điểm chảy thành 3 loại: trạng thái hóa mềm, trạng thái hoàn toàn đàn hồi và trạng thái đông cứng

Tóm lại, bêtông với cường độ nén cao tỏ ra có tác dụng kiềm chế nhỏ hơn so với

bêtông cường độ thấp Đó là vì, với cường độ nén tăng, sẽ ít các vi vết nứt, cũng ít co giãn bên nẹn các tác động kiềm chế được tạo ra bởi ống thép cũng kém đi

3.2.3.2 Trường hợp đặt tải chỉ tác dụng lên phần mặt cắt bêtông

Điều kiện đặt tải này có thể đưa ra hầu hết hiệu ứng sử dụng vật liệu Do sự thiếu dínhbám giữa bêtông và thép, chỉ có ứng suất kéo do chu vi ống xuất hiện; vì vậy, ống thép chỉ tác động như một ống bọc để tạo ra sự kiềm chế bên cho lõi bêtông Tuy nhiên, trong thực tế rất khó để đạt được, bởi vì ma sát và dính bám tại bề mặt thép- bêtông gây ra nén dọc vào ống thép mà ảnh hưởng trạng thái cơ học

Trong trạng thái ban đầu của tải trọng, lõi bêtông chịu hầu hết toàn bộ tải trọng Khi tổng tải trọng tăng dần lên, lõi bêtông co giãn trong hướng bên hông, áp lực tiếp xúc và ứng suất cắt do ma sát tại bề mặt tiếp xúc giữa ống thép và bêtông tăng; vì vậy, tải trọng

Định dạng
Số trang	65
Dung lượng	4,64 MB