Mô phỏng ứng xử liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC Học viên: HỒ VĂN NHƯỢNG Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD& CN Mã số: 8580201 Khóa: K34 Trư

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HỒ VĂN NHƯỢNG

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI

BÊ TÔNG VỚI DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KĨ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH

DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng – Năm 2019

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HỒ VĂN NHƯỢNG

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI

BÊ TÔNG VỚI DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

Chuyên ngành: Kĩ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại lớp cao học K34.XDD, Khoa xây dựng dân dụng và công nghiệp, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng, dưới sự giảng dạy của các thầy giáo trong khoa, sự giúp đỡ tận tình của Ban chủ nhiệm Khoa và các thầy cô trong Khoa, sự cố vấn và hướng dẫn nhiệt tình của Thầy giáo hướng dẫn khoa học, cộng với sự nỗ lực của bản thân, tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với

đề tài: “Mô phỏng ứng xử liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước”

Tôi xin chân thành cảm ơn các cấp lãnh đạo Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng, Khoa xây dựng dân dụng và công nghiệp và các thầy cô giáo cùng tập thể cán bộ công nhân viên trong trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu tại trường

Tôi đặc biệt cảm ơn thầy giáo TS Đào Ngọc Thế Lực – Người đã có công lớn trong việc hướng dẫn khoa học, tận tình chỉ bảo tôi giúp tôi hoàn thành tốt luận văn này

Tác giả luận văn

HỒ VĂN NHƯỢNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

HỒ VĂN NHƯỢNG

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM

BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

Học viên: HỒ VĂN NHƯỢNG Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD& CN

Mã số: 8580201 Khóa: K34 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Trong các công trình nhà cao tầng, kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) ngày

càng được sử dụng rộng rãi bởi những ưu điểm vượt trội so với cột bê tông cốt thép (BTCT) truyền thống Do đó, sự kết hợp giữa cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước hay sàn phẳng BTCT sẽ tạo ra các hệ kết cấu có tính ứng dụng cao cho nhà cao tầng Trong trường hợp nhà

có nhịp khung lớn mà kết cấu sàn phẳng không đáp ứng được độ cứng ngang cho công trình thì giải pháp sàn có dầm bẹt được xem là hiệu quả (tăng độ cứng ngang và hạn chế tăng chiều cao tầng so với dầm cao) Tuy nhiên, việc liên kết giữa cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước khá phức tạp, các nghiên cứu về liên kết mới chỉ dừng lại ở việc đề xuất liên kết và tiến hành thí nghiệm đánh giá độ tin cậy của liên kết Luận văn này trình bày quá trình mô phỏng liên kết giữa cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước sử dụng phần mềm ABAQUS Kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả thí nghiệm với mục đích kiểm chứng sự chính xác của việc mô phỏng liên kết sử dụng ABAQUS

Từ khóa – Cột ống thép nhồi bê tông; CFST; dầm bẹt BTCT; dầm bê tông ứng lực trước;

liên kết; mô phỏng ABAQUS

MODELING CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMN WITH

REINFORCED CONCRETE BAND BEAM CONNECTIONS USING ABAQUS

SOFTWARE Abstract - In the high rise buildings, concrete filled steel tube (CFST) column structure are

more widely used due to the advantages compared to the traditional reinforced concrete column Therefore, the combination of CFST column with prestressed concrete beam or reinforced concrete plate slab will create highly effective structural systems for high rise buildings In cases where the buildings have a large frame span but the plate slab structure does not provide enough horizontal stiffness for the building, the band beam solution is considered effective (increasing the horizontal stiffness and reducing the height of the floor compared to the beam high) However, the connection between the CFST column and the prestressed concrete beams is quite complex, most of current studies only foccus on proposing connection and carrying out the test This thesis presents the simulation of CFST column and prestressed concrete beam connecction using ABAQUS software The simulation results are then compared with the results of the experiment with the aim of verifying the accuracy of the simulation using ABAQUS

Keywords – Concrete filled steel tube column; CFST; prestressed concrete beam;

connection; simulation; ABAQUS

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài: 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Kết quả dự kiến 2

6 Bố cục đề tài 2

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG, DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC, LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI HỆ DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ CỘT CFST 3

1.1.1 Cấu tạo cột CFST 3

1.1.2 Đặc điểm chịu lực của cột CFST 4

1.1.3 Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông 7

1.1.4 Các lĩnh vực áp dụng cột CFST 8

1.2 TỔNG QUAN VỀ HỆ KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC 10

1.2.1 Kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước 10

1.2.2 Cần thiết sử dụng bê tông ứng lực trước 10

1.2.3 Nguyên lý làm việc 11

1.2.4 Bê tông ứng lực trước căng trước 12

1.2.5 Bê tông ứng lực trước căng sau 13

1.3 LIÊN KẾT CỘT CFST VỚI DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP 13

1.3.1 Nghiên cứu của Nie (2008) [1] và Bai (2008) [2] 14

1.3.2 Nghiên cứu của Qing Jun Chen (2015) [3] 15

1.3.3 Nghiên cứu của H.Y Yu (2013)[5] 16

1.4 CÁC NGHIÊN CỨU VỀ MÔ PHỎNG LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI DẦM BT ƯLT 18

1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 18

CHƯƠNG 2 - MÔ PHỎNG LIÊN KẾT GIỮA CỘT THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC BẰNG PHẦN MỀM ABAQUS 19

2.1 MÔ TẢ LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI DẦM BT ƯLT 19

2.2 MÔ PHỎNG LIÊN KẾT BẰNG ABAQUS 20

2.2.1 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS 20

2.2.2 Xây dựng mô hình hình học cho liên kết 21

2.2.3 Mô hình vật liệu trong ABAQUS 21

2.2.4 Tương tác giữa các phần tử 27

2.3 CÁC BƯỚC MÔ HÌNH HÓA TRÊN PHẦN MỀM ABAQUS 29

2.3.1 Xây dựng cấu kiện: Từ module chọn Part 29

2.3.2 Khai báo đặc trưng vật liệu: Từ module chọn Property 33

2.3.3 Lắp ghép cấu kiện: Từ module chọn Assembly 39

2.3.4 Các bước phân tích: Từ module chọn Step 41

2.3.5 Tương tác giữa các cấu kiện: Từ module chọn Interaction 42

2.3.6 Định nghĩa tải trọng và điều kiện biên: Từ module chọn Load 48

2.3.7 Chia lưới cho cấu kiện trong mô hình: Từ module chọn Mesh 51

2.3.8 Công tác phân tích: Từ module chọn Job 54

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 54

CHƯƠNG 3 - PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 55

3.1 MÔ TẢ THÍ NGHIỆM 55

3.1.1 Chế tạo mẫu thí nghiệm 55

3.1.2 Tiến hành đổ bê tông mẫu: 56

3.1.3 Thí nghiệm xác định cường độ vật liệu: 57

3.1.4 Thiết bị thí nghiệm 59

3.1.5 Thiết lập, bố trí thi nghiệm 60

3.2 SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM 63

3.2.1 So sánh đường cong tải trọng- chuyển vị tại đầu dầm 63

3.2.2 So sánh ứng xử của dầm khi làm việc 63 3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CFST : Ống thép nhồi bê tông

BTCT : Bê tông cốt thép

BT ƯLT : Bê tông ứng lực trước

PPPTHH : Phương pháp phần tử hữu hạn

PTVPTP : Phương trình vi phân từng phần

f'c : Cường độ chịu nén của bê tông

fy : Cường độ chịu kéo của cốt thép

Ec : Môđun đàn hồi của bê tông

Es : Môđun đàn hồi của cốt thép

d : chiều cao làm việc của dầm

a : Chiều cao vùng nén bê tông

tw : Chiều dày tấm thép

hw : Chiều cao tấm thép

S : Mô men tĩnh của một nữa tiết diện chữ nhật tấm thép

Ix : Mô men quán tính đối với trục x của tiết diện chữ nhật tấm thép

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Lựa chọn phần tử mô phỏng 21

Bảng 2.2 Thông số mô hình phá hoại dẻo 23

Bảng 2.3 Tương tác giữa các cấu kiện trong mô hình 29

Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm bê tông 58

Bảng 3.2 Kết quả thí nghiệm cốt thép 58

Bảng 3.3 So sánh ứng xử mô hình thí nghiệm với mô hình ABAQUS 64

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Cột ống thép nhồi bê tông CFST 3

Hình 1.2 Cột ống thép nhồi bê tông CFST tiết diện rỗng 4

Hình 1.3 Các dạng cột CFST 6

Hình 1.4 Cầu được xây dựng bằng kết cấu CFST 9

Hình 1.5 Các toà nhà có sử dụng kết cấu CFST 9

Hình 1.6 Bê tông ứng lực trước 12

Hình 1.7 Sơ đồ phương pháp căng trước 13

Hình 1.8 Sơ đồ phương pháp căng sau 13

Hình 1.9 Hình dạng liên kết đề xuất bởi Nie and Bai 14

Hình 1.10 Thí nghiệm xác định khả năng chịu lực dọc của liên kết 14

Hình 1.11 Thí nghiệm xác định khả năng chịu động đất đối với cột giữa 15

Hình 1.12 Thí nghiệm xác định khả năng chịu động đất đối với cột biên 15

Hình 1.13 Hệ thống dầm xuyên qua kết nối 16

Hình 1.14 Thí nghiệm mẫu nguyên hình và kiểm tra riêng vùng liên kết 16

Hình 1.15 Cấu tạo của liên kết và thí nghiệm kiểm tra 17

Hình 1.16 Hình dạng phá hoại tại liên kết và tại dầm vòng 17

Hình 1.17 Hình dạng vết nứt khi bị phá hoại tại vùng liên kết và dầm vòng 17

Hình 2.1 Chọn kích thước dầm 19

Hình 2.2 Chi tiết liên kết đề xuất 20

Hình 2.3 Quan hệ ứng suất –biến dạng khi chịu kéo của bê tông 22

Hình 2.4 Quan hệ ứng suất –biến dạng khi chịu nén của bê tông 23

Hình 2.5 Quan hệ ứng suất nén- biến dạng nén vỡ 24

Hình 2.6 Quan hệ biến dạng nén vỡ và hệ số phá hủy do nén 24

Hình 2.7 Quan hệ ứng suất kéo - biến dạng nứt 24

Hình 2.8 Quan hệ biến dạng nứt và hệ số phá hoại do kéo 25

Hình 2.9 Quan hệ ứng suất –biến dạng khái quát hóa của cốt thép 25

Hình 2.10 Quan hệ ứng suất –biến dạng trong mô hình thép đàn dẻo lý tưởng 26

Hình 2.11 Quan hệ ứng suất–biến dạng trong mô hình thép cải tiến đàn dẻo lý tưởng 26 Hình 2.12 Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng cốt thép thanh 27

Hình 2.13 Create Part cấu kiện dầm bê tông………30

Hình 2.14 Add Dimension 30

Hình 2.15 Edit Base Extrusion……… ………30

Hình 2.16 Edit Base Extrusion 30

Hình 2.17 Edit Cut Extrusion……….30

Hình 2.18 Đục lỗ dầm bê tông 30

Hình 2.19 Cấu kiện lõi bê tông cột 31

Hình 2.21 Cấu kiện thép H 200x200 31

Hình 2.22 Cửa sổ thép đai dầm 220………32

Hình 2.23 Cửa sổ thép đai dầm 550 32

Hình 2.24 Đai dầm 220………32

Hình 2.25 Đai dầm 550 32

Hình 2.26 Khai báo ống cáp……… 33

Hình 2.27 Cửa sổ ống cáp 33

Hình 2.28 Kính thước ống cáp 33

Hình 2.29 Thông số mô hình dẻo CDP 34

Hình 2.30 Nhập đường cong chịu nén 34

Hình 2.31 Nhập đường cong chịu kéo 34

Hình 2.32 Đường cong tham số phá hủy kéo, nén 35

Hình 2.33 Thông số hệ ứng suất - biến dạng của cốt thép chịu lực 35

Hình 2.34 Thông số hệ ứng suất - biến dạng của cốt thép đai 36

Hình 2.35 Thông số hệ ứng suất - biến dạng của cốt thép tấm 36

Hình 2.36 Thay đổi độ dài do tăng nhiệt độ 36

Hình 2.37 Khai báo cáp ƯLT 37

Hình 2.38 Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt dầm bê tông 38

Hình 2.39 Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cốt thép dọc lớp trên 38

Hình 2.40 Cửa sổ định nghĩa thuộc tính các cấu kiện 39

Hình 2.41 Cửa sổ gán thuộc tính cho cấu kiện dầm bê tông 39

Hình 2.42 Cửa sổ Create Instance 40

Hình 2.43 Mô hình lắp ghép hoàn chỉnh 40

Hình 2.44 Edit Step 41

Hình 2.45 CreateField………41

Hình 2.46 Edit Field Output Request 41

Hình 2.47 Create History………42

Hình 2.48 Edit History Output Request 42

Hình 2.49 Khai báo Tangential Behavior………43

Hình 2.50 Khai báo Tangential Behavior … 43

Hình 2.51 Khái báo Cohesive Behavior………43

Hình 2.52 Khai báo Damage 43

Hình 2.53 Khai báo Evolution………44

Hình 2.54 Khai báo Thermal Conductance 44

Hình 2.55 Khai báo Damage………44

Hình 2.56 Khai báo Evolution 44

Hình 2.57 Cửa sổ Tangential Behavior 45

Hình 2.58 Cửa sổ Normal Behavior 45

Hình 2.59 Cửa sổ Create Interaction 45

Hình 2.60 Cửa sổ Edit Interaction 46

Hình 2.61 Ràng buộc nhúng cốt thép 47

Hình 2.62 Ràng buộc “Tie” giữa ống thép với các thép H 200x200 chịu cắt 47

Hình 2.63 Ràng buộc “Tie” giữa các tấm thép đặt lực và dầm bê tông 48

Hình 2.64 Các bước khai báo điều kiện biên 49

Hình 2.65 Cửa sổ khai báo điều kiện biên đối xứng 50

Hình 2.66 Cửa sổ khai báo điều kiện ngàm chân cột 50

Hình 2.67 Cửa sổ khai báo tải nhiệt (ΔT) 50

Hình 2.68 Cửa sổ khai báo gia tải 51

Hình 2.69 Chia khối 52

Hình 2.70 Mô hình sau khi chia lưới 53

Hình 2.71 Cửa sổ Job Manager 54

Hình 3.1 Cấu tạo liên kết và bố trí cốt thép dầm thí nghiệm 55

Hình 3.2 Chi tiết liên kết 56

Hình 3.3 Đổ bê tông cho mẫu thí nghiệm 56

Hình 3.4 Mẫu thí nghiệm sau khi hoàn thành công tác đổ bê tông 57

Hình 3.5 Công tác lấy mẫu bê tông 57

Hình 3.6 Thí nghiệm mẫu bê tông 150x300mm 57

Hình 3.7 Thí nghiệm cường độ cốt thép 58

Hình 3.8 Cảm biến đo biến dạng (strain gauges) 59

Hình 3.9 Cảm biến đo chuyển vị LVDT 59

Hình 3.10 Máy bơm dầu dùng cho thí nghiệm 60

Hình 3.11 Kích thủy lực 60

Hình 3.12 Hệ thống thu các dữ liệu từ cảm biến 60

Hình 3.13 Bố trí thí nghiệm 61

Hình 3.14 Mẫu thí nghiệm đã phá hoại 62

Hình 3.15 Đồ thị tải trọng – chuyển vị 62

Hình 3.16 Đường cong quan hệ tải trọng- chuyển vị đầu dầm 63

Hình 3.17 Vết nứt xuất hiện ở cấp tải 300 kN 64

MỞ ĐẦU

Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) ngày càng được sử dụng rộng rãi làm kết cấu chịu lực trong các công trình xây dựng như cầu, nhà cao tầng… do có nhiều ưu điểm vượt trội so với kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) thông thường như khả năng chịu lực cao, độ dẻo của kết cấu lớn… Ngoài ra, khả năng thi công nhanh, không tốn kém các chi phí và thời gian cho công tác ván khuôn cũng là một ưu điểm vượt trội của loại kết cấu này

Trong các công trình nhà cao tầng, kết cấu sàn phẳng BTCT mang lại nhiều hiệu quả do giảm chiều cao tầng mà vẫn đảm bảo khoảng thông thủy sử dụng Tuy nhiên, đối với các công trình có kích thước nhịp lớn việc sử dụng kết cấu sàn phẳng bê tông ứng lực trước không còn hiệu quả, đồng thời không đáp ứng được yêu cầu độ cứng ngang cho sàn thì việc sử dụng sàn phẳng BTCT kết hợp dầm bê tông ứng lực trước là hợp lý

Vì nó thỏa mãn được yêu cầu về kiến trúc và kết cấu

Hệ kết cấu chịu lực dùng kết cấu cột ống thép nhồi bê tông kết hợp với dầm bê tông ứng lực trước đang trở thành một xu hướng mới trong nhà cao tầng hiện nay Tuy nhiên, những nghiên cứu về hệ kết cấu này còn hạn chế, đặc biệt là giải quyết liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước chưa được hiểu rõ và cần

có nhiều nghiên cứu hơn nữa để phân tích loại liên kết này

Việc liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước khá phức tạp, rất ít các nghiên cứu về kiểu liên kết cột CFST- dầm bê tông ứng lực trước Do đó, cần thực hiện nghiên cứu mô phỏng liên kết để khảo sát cụ thể về ứng xử của liên kết (trạng thái ứng suất và cơ chế phá hoại), mức độ ảnh hưởng của các chi tiết cấu tạo đến

sự làm việc của liên kết Do đó, việc khảo sát liên kết giữa dầm bê tông ứng lực trước với cột ống thép nhồi bê tông là cần thiết nhằm cung cấp một cơ sở lý luận chi tiết về ứng xử của liên kết giúp người thiết kế hiểu rõ bản chất làm việc để cấu tạo chi tiết liên

kết hợp lý, và đó là lý do để thực hiện luận văn với đề tài: “Mô phỏng ứng xử liên kết

cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước”

- Nghiên cứu tổng quan về cột CFST, dầm bê tông ứng lực trước, liên kết giữa cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình theo phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm mô phỏng kết cấu ABAQUS)

- Thực hiện mô hình mô phỏng (lấy các liên kết đã được thí nghiệm) để khảo sát

sự làm việc của liên kết, cụ thể là khảo sát cơ chế phá hoại, trạng thái ứng suất - biến dạng, ảnh hưởng các yếu tố cấu tạo đến cường độ của liên kết Từ đó rút ra các nhận xét giữa mô hình thí nghiệm và mô hình mô phỏng

- Đối tượng nghiên cứu: Cột giữa CFST và dầm bê tông ứng lực trước

- Phạm vi nghiên cứu: Mối liên kết cột giữa CFST và dầm bê tông ứng lực trước

- Nghiên cứu tổng quan;

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết mô hình mô phỏng số (Phần mềm ABAQUS);

- Mô hình liên kết, khảo sát liên kết

- Mô phỏng liên kết đã có kết quả thí nghiệm bằng ABAQUS

- Mô tả được trạng thái ứng xử của liên kết (tải trọng và chuyển vị)

- Xây dựng quy trình mô phỏng liên kết giữa cột CFST với dầm dầm bê tông ứng lực trước bằng phần mềm ABAQUS

Mở đầu:

1 Tính cấp thiết của đề tài

2 Mục tiêu đề tài

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4 Phương pháp nghiên cứu

Chương 1: Tổng quan về kết cấu cột CFST, kết cấu dầm bê tông ứng lực trước và

mối liên kết giữa cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước

Chương 2: Mô phỏng liên kết bằng phần mềm ABAQUS

Chương 3: Khảo sát liên kết, đánh giá kết quả mô phỏng

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG, DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC, LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI

BÊ TÔNG VỚI HỆ DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC

1.1.1 Cấu tạo cột CFST

Hệ thống kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông (Concrete -Filled Steel Tube - viết tắt tiếng Anh là CFST) là một hệ thống mà cấu kiện chịu lực chính là ống thép (steel tube) được nhồi đặc bằng bê tông (concrete) cường độ cao hoặc trung bình Thông thường dùng ống tròn, nhưng các ống vuông cũng có thể được áp dụng Hệ thống kết cấu CFST có nhiều ưu điểm về: độ cứng, cường độ, khả năng chống biến dạng, và khả năng chống cháy Nói chung, loại kết cấu này có thể nghiên cứu áp dụng cho rất nhiều loại công trình xây dựng nhà, xưởng và cầu

Hình 1.1 Cột ống thép nhồi bê tông CFST

Kết cấu CFST có nhiều ưu thế:

- Độ bền của lõi bê tông (có lớp vỏ thép với chức năng như lớp áo bọc chặt bên ngoài) đã được tăng khoảng 2 lần so với độ bền của bê tông thông thường

- Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng đúng ra là có sự co ngót nhưng cũng đã có sự trương nở của bê tông trong ống và sự trương nở đó được duy trì trong nhiều năm tạo thuận lợi cho sự làm việc của bê tông Nhiều thí nghiệm đã chứng tỏ trị số biến dạng co ngót theo chiều dọc của mẫu bị cách ly là rất nhỏ, vào khoảng e = (2 - 3).10-5 Đó là ưu điểm của kết cấu ống thép được nhồi bê tông so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường

Ngoài kết cấu ống thép mặt cắt đặc như trên còn có loại ống thép tròn nhồi bê tông mặt cắt rỗng với 2 lớp vỏ thép bọc mặt ngoài và mặt trong, kẹp giữa là lớp lõi bê tông

Hình 1.2 Cột ống thép nhồi bê tông CFST tiết diện rỗng

Cách sắp xếp đan xen các lớp vật liệu thép và bê tông như vậy sẽ tạo ra cơ cấu chịu lực chung giữa lõi bê tông và vỏ thép nhờ hiệu ứng nở hông của bê tông khi chịu nén

Sự cách ly của bê tông với môi trường xung quanh tạo ra những điều kiện tốt hơn cho

sự làm việc của bê tông khi chịu tải trọng Nhiều thí nghiệm so sánh 2 loại kết cấu đã cho thấy rằng tải trọng càng tác dụng dài hạn thì càng gây ra sự phá hoại trong bê tông không bị cách ly lớn hơn nhiều so với bê tông bị cách ly Trong bê tông không được cách ly thì các vết nứt nhỏ ngày càng nhiều, còn trong bê tông được cách ly khi chịu ứng suất ở mức độ nhỏ tương tự như trong bê tông không được cách ly thì chỉ sau 2 đến

3 ngày đầu sẽ hoàn toàn không bị nứt thêm nữa Trong các mẫu bê tông không được cách ly thì tính phi tuyến của biến dạng từ biến có thể quan sát được trong vòng 20 đến

30 ngày, trong bê tông được cách ly thì tính phi tuyến này sẽ mất đi trong vòng 2 đến 7 ngày đầu (với điều kiện chúng chịu ứng suất như nhau)

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 (biến dạng) của vỏ ống thép khi bị va đập [7]

1.1.2 Đặc điểm chịu lực của cột CFST

Khác với ống thép thường, 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 Về mặt này ống thép nhồi

bê tông tương tự kết cấu bê tông cốt thép Do đó trong một hệ thống kết cấu chịu lực nên dùng ống thép nhồi bê tông chỉ cho các cấu kiện chịu nén Về nguyên tắc không nên dùng kết cấu ống thép nhồi bê tông làm cấu kiện chịu kéo Tuy nhiên trong một số trường hợp cũng có thể dùng ống thép nhồi bê tông làm cấu kiện chịu kéo vì các lý do đặc biệt như: để chống rỉ cho bề mặt trong ống, để tăng độ cứng chống uốn hay tăng trọng lượng bản thân

Trong thực tế thường có 2 cách lập sơ đồ chịu lực:

- 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 các 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

Diện tích bề mặt ngoài của kết cấu ống thép nhồi bê tông chỉ nhỏ bằng khoảng một nửa so với của kết cấu thép cán có cùng khả năng chịu lực, do đó chi phí về sơn phủ và bảo dưỡng cũng ít hơn Trên bề mặt của ống hình trụ sẽ đọng lại rất ít bụi và chất bẩn vì vậy kết cấu ống thép nhồi bê tông có độ bền chống gỉ cao

Do kết cấu là các thanh hình trụ tròn nên cải thiện được tính chất khí động học và tính ổn định Độ cứng chống xoắn của các thanh loại ống tròn này cao hơn nhiều so với thanh mặt cắt hở Các ống thép nhồi bê tông không cần sơn phủ, mạ kim loại hoặc bịt kín mặt trong của ống

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 bê tông cốt thép hoặc kết cấu thép thông thường

Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn so với kết cấu bê tông cốt thép do đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn Kết cấu ống thép nhồi bê tông kinh tế hơn so với kết cấu bê tông cốt thép vì không cần ván khuôn, giá vòm, đai kẹp và các chi tiết đặt sẵn, nó có sức chịu đựng tốt hơn, ít hư hỏng do va đập Do không có cốt chịu lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tông với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỷ lệ nước/xi măng có thể lấy nhỏ hơn) và sẽ dễ dàng đạt chất lượng bê tông cao hơn

Ống thép sản xuất bằng thép cán uốn tròn rồi được hàn nối theo dọc ống thường

có độ chính xác cao về bề dày, đường kính, độ ovan và do đó thoả mãn các điều kiện lắp dựng và khai thác Loại ống thép hàn xoắn có thể được chế tạo bằng cách uốn các tấm thép hẹp theo đường xoắn ốc rồi hàn lại dọc theo đường nối xoắn ốc là kinh tế nhất (loại ống này đã đựơc dùng làm cọc ống cho cầu Bính ở Hải Phòng)

Nói chung đặc điểm cơ bản của loại kết cấu ống thép nhồi bê tông có thể được tổng kết như sau:

+ Mặt cắt ngang của cột trong hệ thống kết cấu ống thép nhồi bê tông có thể được giảm do tăng cường độ vật liệu

+ Các nguyên nhân dao động kết cấu do động đất và gió có thể được giảm do nó được tăng cường độ cứng hơn kết cấu thép thông thường

+ Ảnh hưởng của sự cố cháy có thể được giảm hoặc bỏ qua do hiệu ứng của bê tông nhồi đặc trong ống thép

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 Nhưng trong thực tế, các cột không chỉ chịu nén mà còn chịu uốn do lực nén đặt lệch tâm Tiêu chuẩn chung của cột liên hợp là phần tử thép có tác động liên hợp với phần tử bê tông, vì vậy cả hai phần tử thép và bê tông đều tham gia kháng lại lực nén Cột liên hợp gồm các thành phần kết cấu thép ở bên trong được bọc bằng bê tông ở bên ngoài đã tận dụng hiệu quả về mặt cường độ của

2 loại vật liệu và đồng thời còn tạo thành các kết cấu kiện có tính kháng cháy cao Chính

vì vậy, các kiểu cột liên hợp đã phát triển sớm trong thế kỷ 20 như một cách thức bảo

vệ chống cháy Bê tông bọc bên ngoài thép, tạo ra lớp vỏ bảo vệ chống cháy bên ngoài

cho lõi thép Một vài kiểu cột liên hợp với các dạng mặt cắt ngang khác nhau như ở

Hình 1.3

a) Cột CFST thông thường

b) Cột CFST được tăng cường thép ở lõi bê tông

c) Cột CFST được bọc bê tông Hình 1.3 Các dạng cột CFST

Nhược điểm của các kêt cấu bê tông thông thường là cần thiết phải có bộ ván khuôn hoàn chỉnh trong quá trình thi công Kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFST) có lớp vỏ ống thép bọc bê tông do đó không cần thiết phải có ván khuôn vì chính bản thân ống thép đã làm nhiệm vụ ván khuôn trong suốt quá trình đổ bê tông Cột CFST có khả năng áp dụng được với nhiều trạng thái kết cấu Tuỳ theo cách bố trí thép và bê tông trong mặt cắt ngang sẽ tạo ra được độ cứng cần thiết của mặt cắt Vỏ thép có tác dụng chịu kéo và chịu mô men uốn của cột

Độ cứng của cột CFST rất lớn bởi vì vật liệu thép được bố trí ở xa trục trọng tâm nhất, ở vị trí đó nó cũng góp phần làm tăng mô men quán tính của mặt cắt Các dạng lõi

bê tông lý tưởng có tác dụng chống lại tải trọng nén và cản trở trạng thái oằn cục bộ của ống thép Như vậy, nên sử dụng các cột CFST tại những vị trí phải chịu tải trọng nén lớn Sự giãn nở bị động ở thành bên đã được tạo ra bởi ống thép cũng làm cải thiện cường độ, tính mềm dẻo và biến dạng của bê tông Khác hẳn với cột bê tông cốt thép và cột liên hợp có bê tông bọc bên ngoài thép với cốt thép ngang, trong kết cấu CFST vỏ ống thép ngăn cản nứt và của lõi bê tông và sự tập trung cốt thép nhỏ trong các vùng liên kết

Các cột liên hợp CFST ngày càng được áp dụng nhiều trên thế giới Dạng cột này

có nhiều lợi thế như cường độ cao, tính mềm dẻo, và khả năng chịu nhiệt lớn, giảm thời gian xây dựng, tăng độ an toàn, và sử dụng các kiểu liên kết đơn giản được tiêu chuẩn hoá Ngày nay, các tiến bộ công nghệ đã cho phép sản xuất bê tông cường độ chịu nén cao nên cho phép thiết kế cột mảnh hơn, cho phép có được các sàn rộng hơn

Các kết quả nghiên cứu kết hợp các thí nghiệm và phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) đối với các cột CFST cho thấy có thể sử dụng bê tông cường độ cao và vẫn đạt được một trạng thái kết cấu mềm dẻo Tuy nhiên, ống thép dày hơn là cần thiết cho bê tông cường độ cao nếu mục đích là đảm bảo tính mềm dẻo Hiệu ứng tăng cường độ bê tông do sự trương nở là rõ ràng nhất đối với cột ngắn chịu tải trọng lệch tâm Để đảm bảo tác động liên hợp giữa thép với bê tông, (ngoài việc lợi dụng cường độ dính bám tự nhiên khi tải trọng được tác dụng chỉ với ống thép hoặc chỉ với lõi bê tông) cần phải thiết kế bổ sung các neo liên kết Vì vậy, cường độ dính bám sẽ kém quan trọng hơn Điều này cần lưu ý đặc biệt khi sử dụng bê tông cường độ cao được nhồi vào trong ống thép

1.1.3 Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông

a Ưu điểm

Độ bền của lõi bê tông (lớp vỏ thép với chức năng như lớp áo bọc chặt bên ngoài)

đã được tăng khoảng 2 lần so với độ bền của bê tông thường [7];

Cách sắp xếp vật liệu trên trên mặt cắt ngang làm tối ưu cường độ và độ cứng của cấu kiện Cốt thép được phân bố ở chu vi ngoài cùng của tiết diện nên phát huy hiệu quả làm việc cao nhất khi chịu mô men uốn Bê tông tạo một lõi lý tưởng để chống lại tải trọng nén trong quá trình làm việc, trì hoãn và chống lại sự bất ổn định cục bộ của ống thép đặc biệt các cấu kiện có tiết diện hình vuông hoặc chữ nhật [6] Ngoài ra, ống thép cản trở biến dạng nở hông của lõi bê tông làm tăng cường độ chịu nén và độ dẻo dai đối với cấu kiện CFST;

Việc nhồi bê tông vào trong ống thép làm nâng cao độ chống ăn mòn bên trong

ống thép, làm giảm độ mảnh, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả năng chống móp méo của vỏ ống thép khi va đập [7];

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 bê tông cốt thép hay kết cấu thép thông thường Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn so với kết cấu bê tông do đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn đồng thời làm giảm tải trọng xuống móng Kết cấu ống thép nhồi bê tông kinh tế hơn so với kết cấu bê tông cốt thép vì không cần ván khuôn, giá vòm, đai kẹp và các chi tiết đặt sẵn, nó có sức chịu đựng tốt hơn ít hư hỏng do va đập Do không có cốt chịu lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tông với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỉ lệ N/X có thể lấy nhỏ hơn) và sẽ dễ dàng đạt chất lượng bê tông cao hơn [7],[6]

b Nhược điểm

Một cấu kiện CFST bao gồm hai vật liệu với sự khác nhau về đường cong ứng suất-biến dạng và ứng xử cũng có sự khác biệt rõ rệt Sự tương tác giữa hai vật liệu này đặt ra một bài toán khó trong việc xác định thuộc tính kết hợp như mô men quán tính, môdul đàn hồi;

Cơ chế phá hoại cấu kiện phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng, chiều dài, đường kính, chiều dày ống thép, cường độ thép và cường độ bê tông cùng với các thông

số về sự kết dính giữa hai mặt tiếp xúc của vật liệu thép và bê tông, sự giam hãm của bê tông ứng suất dư, hiện tượng từ biến, sự co ngót và các dạng tải trọng làm phức tạp thêm

sự phân tích và thiết kế đối với cấu kiện CFST [6];

Một hạn chế nữa ảnh hưởng đến việc sử dụng rộng rãi loại kết cấu này đó là cấu tạo liên kết giữa cột CFST và sàn bê tông cốt thép, dầm bê tông cốt thép hay dầm thép Các ứng xử, cơ chế làm việc, trạng thái phá hoại liên kết chưa được hiểu rõ do đó gây

ra không ít những khó khăn cho tính toán thiết kế cấu tạo liên kết;

Hiện nay, các hạn chế tồn tại của loại kết cấu CFST tiếp tục được nghiên cứu để dần hoàn thiện các yêu cầu về mặt cấu tạo, lý thuyết tính toán cũng như nhận thức sâu hơn về ứng xử của loại kết cấu này

thuỷ lớn và điều kiện địa chất phức tạp đang đòi hỏi phải sử dụng các loại nhịp lớn khẩu

độ hàng trăm mét Với các kích thước như vậy, cấu kiện sẽ nặng và trở thành một nguyên nhân làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu, làm tăng chi phí xây dựng cũng như tạo thêm nhiều phức tạp cho việc vận chuyển, lắp ráp, thi công kết cấu Với việc sử dụng kết cấu CFST cho cấu kiện chịu lực nén chính như vòm chính của cầu vòm, thanh mạ cong trong cầu dàn, hệ móng cọc của kết cấu trụ, thân trụ sẽ đáp ứng được yêu cầu về chịu lực cao, độ cứng lớn vừa đáp ứng được việc giảm trọng lượng bản thân kết cấu

Cầu Đông Trù Cầu Rạch Chiếc 2

Hình 1.4 Cầu được xây dựng bằng kết cấu CFST

Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, loại kết cấu này được áp dụng khá nhiều cho cấu kiện chịu lực chính như hệ móng cọc, các cột đỡ của toà nhà cao tầng Các công trình nhà ở tại thành phố Kobe được xây dựng nhằm chống lại những tác động lớn từ động đất và kết cấu CFST đáp ứng được điều này

Hình 1.5 Các toà nhà có sử dụng kết cấu CFST

Trong lĩnh vực xây dựng dầu khí, năm 1989 tại 2 dàn khoan dầu ở biển Đen và biển Azov của Liên Xô đã sử dụng cấu kiện mặt cắt rỗng tổ hợp 3 loại vật liệu thép - bê tông làm các trụ đỡ chính của dàn khoan, nhờ đó giảm được 30% lượng thép so với dàn khoan bằng thép cùng loại; hơn nữa, phần rỗng còn được dùng để lắp các thiết bị công nghệ và cáp thông tin

1.2.1 Kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước

Kết cấu bê tông ứng lực trước còn gọi là kết cấu bê tông ứng suất trước, hay bê tông tiền áp, hoặc bê tông dự ứng lực là kết cấu bê tông cốt thép sử dụng sự kết hợp ứng lực căng rất cao của cốt thép ứng suất trước và sức chịu nén của bê tông để tạo nên trong kết cấu những biến dạng ngược với khi chịu tải, ở ngay trước khi chịu tải Nhờ đó những kết cấu bê tông này có khả năng chịu tải trọng lớn hơn kết cấu bê tông thông thường, hoặc vượt được những nhịp hay khẩu độ lớn hơn kết cấu bê tông cốt thép thông thường [8]

1.2.2 Cần thiết sử dụng bê tông ứng lực trước

Cần thiết và có thể dùng được thép cường độ cao: trong bê tông cốt thép thường, không dùng được thép cường độ cao, vì những khe nứt đầu tiên ở bê tông sẽ xuất hiện khi ứng xuất trong cốt thép chịu kéo quá mới chỉ đạt giá trị từ 200 đến 300 kG/cm2 Khi dùng thép cường độ cao ứng xuất trong cốt thép chịu kéo có thể đạt tới trị số 10000 đến

12000 kG/cm2 hoặc lớn hơn Điều đó làm xuất hiện các khe nứt rất lớn, vượt quá giá trị giới hạn cho phép Trong bê tông cốt thép ứng lực trước, do có thể khống chế sự xuất hiện khe nứt bằng lực căng trước của cốt thép nên cần thiết và có thể dùng được thép cường độ cao Kết quả là dùng ít thép hơn vào khoảng 10 ÷ 80%

Hiệu quả tiết kiệm thép thể hiện rõ nhất trong các cấu kiện có nhịp lớn, phải sử dụng nhiều cốt chịu kéo như dầm, giàn, thanh kéo của vòm, cột điện, tường bể chứa, Xilo (tiết kiệm 50 -80% thép) Trong các cấu kiện nhịp nhỏ, do cốt cấu tạo chiếm tỉ

lệ khá lớn nên tổng số thép tiết kiệm sẽ ít hơn (khoảng 15%)

Đồng thời cũng cần lưu ý rằng giá thành của thép tăng chậm hơn cường độ của nó

Do vậy dùng thép cường độ cao sẽ góp phần làm giảm giá thành công trình

Có khả năng chống nứt cao hơn (do đó khả năng chống thấm tốt hơn): dùng bê tông cốt thép ứng lực trước, người ta có thể tạo ra các cấu kiện không xuất hiện các khe nứt trong vùng bê tông chịu kéo, hoặc hạn chế sự phát triển bề rộng của khe nứt, khi chịu tải trọng sử dụng Do đó bê tông cốt thép ứng lực trước tỏ ra có nhiều ưu thế trong

các kết cấu đòi hỏi phải có khả năng chống thấm cao như ống dẫn có áp, bể chứa chất lỏng và chất khí

Có độ cứng lớn hơn (do đó có độ võng và biến dạng bé hơn): nhờ có độ cứng lớn, nên cấu kiện bê tông cốt thép ứng lực trước có kích thớc tiết diện ngang thanh mảnh hơn

so với cấu kiện bê tông cốt thép thường khi có cùng điều kiện chịu lực như nhau, vì vậy

có thể dùng trong kết cấu nhịp lớn

Ngoài các ưu điểm cơ bản trên, kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước còn có một

số ưu điểm khác như :

+ Nhờ có tính chống nứt và độ cứng tốt nên tính chống mỏi của kết cấu được nâng cao khi chịu tải trọng lặp đi lặp lại nhiều lần

+ Nhờ có ứng lực trước nên phạm vi sử dụng kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép và nửa lắp ghép được mở rộng ra rất nhiều Người ta có thể sử dụng biện pháp ứng lực trước để nối các mảnh rời của một kết cấu lại với nhau

1.2.3 Nguyên lý làm việc

Cốt thép trong bê tông, là cốt thép cường độ cao, được kéo căng ra bằng máy kéo ứng suất trước, đạt tới một giá trị ứng suất nhất định, được thiết kế trước, nằm trong giới hạn đàn hồi của nó, trước khi các kết cấu bê tông cốt thép này chịu tải Lực căng cốt thép này làm cho kết cấu bê tông biến dạng ngược với biến dạng do tải trọng gây ra sau này khi kết cấu làm việc Nhờ đó, kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước có thể chịu tải trọng lớn gần gấp đôi so với kết cấu này, khi không căng cốt thép ứng suất trước (Khi chịu tải trọng bình thường, biến dạng do tải trọng gây ra chỉ đủ để triệt tiêu biến dạng

do căng trước, kết cấu trở lại hình dạng ban đầu trước khi căng, giống như không hề chịu tải gì.)

Ở kết cấu bê tông cốt thép thông thường, thì cốt thép cùng với vật liệu bê tông chỉ thực sự làm việc (có ứng suất) khi có sự tác dụng của tải trọng Còn ở kết cấu ứng suất trước, trước khi đưa vào chịu tải thì kết cấu đã có trong nó một phần ứng suất ngược rồi Cốt lõi của việc kết cấu bê tông ứng suất trước có khả năng chịu tải rất lớn là nhờ việc tạo ra các biến dạng ngược với khi làm việc bình thường Việc sử dụng vật liệu cơ tính cao như: cốt thép cường độ cao, bê tông mác cao, chỉ là điều kiện phụ trợ để tăng khả năng chịu tải của kết cấu bê tông ứng suất trước

1- Kết cấu chịu lực phân bố đều,

2- Biến dạng của kết cấu bê tông cốt thép thường

3- Kéo căng cốt thép cường độ cao;

4- Buông cốt thép ứng lực trước

5- Biến dạng của bê tông cốt thép ứng lực trước;

6- Tải trọng tác dụng vào bê tông cốt thép ứng lực trước

Hình 1.6 Bê tông ứng lực trước

1.2.4 Bê tông ứng lực trước căng trước

Cốt thép ứng lực trước được kéo căng ra trước trên bệ khuôn đúc bê tông trước khi chế tạo kết cấu bê tông (như căng dây đàn) Sau đó kết cấu bê tông được đúc bình thường với cốt thép ứng lực trước như kết cấu bê tông cốt thép thông thường Đến khi bê tông đạt đến một giá trị cường độ nhất định để có thể giữ được ứng lực trước, thì tiến hành cắt cốt thép rời ra khỏi bệ căng Do tính đàn hồi cao của cốt thép, nó có xu hướng biến dạng co lại dọc theo trục của cốt thép Nhờ lực bám dính giữa bê tông và cốt thép ứng lực trước, biến dạng này được chuyển hóa thành biến dạng vồng ngược của kết cấu bê tông so với phương biến dạng khi kết cấu bê tông chịu tải trọng Phương pháp này tạo kết cấu ứng lực trước nhờ lực bám dính giữa bê tông và cốt thép, và được gọi là phương pháp căng trước vì cốt thép được căng trước cả khi kết cấu bê tông được hình thành và đạt tới cường độ thiết kế Phương pháp này, cần có một bệ căng cố định nên thích hợp cho việc chế tạo các kết cấu bê tông ứng lực trước đúc sẵn trong các nhà máy bê tông đúc sẵn

 Trước khi buông cốt thép ứng lực trước

 Sau khi buông cốt thép ứng lực trước

1- Cốt thép ứng lực trước; 2 - Bệ căng; 3- Ván khuôn;

4- Thiết bị kéo thép; 5- Thiết bị cố định thép

Hình 1.7 Sơ đồ phương pháp căng trước

1.2.5 Bê tông ứng lực trước căng sau

Phương pháp này thường sử dụng cho kết cấu bê tông đổ tại chỗ Trước hết đặt thép ứng lực trước và cốt thép thông thường rồi đổ bê tông Khi bê tông đạt đến cường

độ nhất định thì tiến hành căng cốt thép với ứng suất quy định Sau khi căng xong, cốt thép ứng lực trước được neo chặt vào đầu cấu kiện, thông qua các neo đó, cấu kiện sẽ

bị nén bằng lực đã dùng khi kéo căng cốt thép Trong phương pháp căng sau, kết cấu

bê tông cốt thép ứng lực trước được chia làm 2 loại:

1- Cốt thép ứng lực trước; 2 - Cấu kiện bê tông cốt thép;

3- ống rãnh; 4- Thiết bị kích; 5- Neo

Hình 1.8 Sơ đồ phương pháp căng sau

Trong khi người ta thường sử dụng hệ kết cấu khung gồm cột CFST và dầm thép hình, hệ kết cấu khung gồm có cột CFST và dầm bê tông cốt thép cũng bắt đầu được chú ý nghiên cứu và áp dụng Tuy nhiên việc thiết kế nút cho những loại khung đặc biệt giữa cột CFST và dầm bê tông ứng lực trước là một vấn đề thách thức

Hiện tại chưa có các nghiên cứu liên kết cột CFST và dầm ứng lực trước Nghiên cứu về khung gồm cột CFST và dầm bê tông ứng lực trước chưa được nghiên cứu phổ biến như khung gồm cột CFST với dầm thép hình Một số nghiên cứu gần đây của Nie

(2008) [1] và Bai (2008) [2], Qing Jun Chen (2015) [3], H.Y Yu (2013) [5] đã góp phần

làm sáng tỏ về loại liên kết này đồng thời cung cấp các dữ liệu quý giá làm nên tảng cho các nghiên cứu sâu hơn về loại liên kết này trong tương lai

1.3.1 Nghiên cứu của Nie (2008) [1] và Bai (2008) [2]

Nie (2008) [1] và Bai (2008) [2] đã phát triển một hệ thống liên kết gồm cột CFST

được bọc bên trong cột bê tông cốt thép và dầm bê tông cốt thép sẽ đi xuyên qua vị trí liên kết

Trong nghiên cứu này, tại vị trí liên kết cột - dầm do ống thép bị gián đoạn, một dầm vòng gia cường “ring-beam” bằng bê tông cốt thép đã được sử dụng nhằm mục đích cung cấp một hiệu ứng hạn chế nở hông cho vùng bê tông lõi Vì thế khả năng chịu lực dọc của cột tại vị trí liên kết được đảm bảo

Hình1.9 Hình dạng liên kết đề xuất bởi Nie and Bai

Để đánh giá sự hiệu quả và nghiên cứu ứng xử của liên kết Nie (2008) [1] và Bai

(2008) [2] đã tiến hành 2 thí nghiệm kiểm tra liên kết:

(1) Thí nghiệm xác định khả năng chịu lực nén dọc của liên kết Các tham số nghiên cứu là tỉ lệ thép dọc trong dầm vòng gia cường và diện tích mặt cắt ngang của dầm vòng gia cường, diện tích của cột, chiều dày của ống thép

(2)Thí nghiệm xác định khả năng chịu tải trọng động đất của liên kết Liên kết dầm

bê tông - cột CFST đối với cột tại vị trí giữa nhà và cột biên đã được tiến hành nghiên

cứu nhằm xác định ứng xử động đất và khả năng phân tán năng lượng của liên kết

Hình1.10 Thí nghiệm xác định khả năng chịu lực dọc của liên kết

Hình 1.11 Thí nghiệm xác định khả năng chịu động đất đối với cột giữa

Hình1.12 Thí nghiệm xác định khả năng chịu động đất đối với cột biên

1.3.2 Nghiên cứu của Qing Jun Chen (2015) [3]

Qing Jun Chen (2015) [3] đã giới thiệu một kiểu liên kết cột CFST với dầm bê tông cốt thép và liên kết này đã được áp dụng tại tầng hầm của một tòa nhà cao tầng ở Quảng Châu, Trung Quốc

Trong hệ thống này, ống thép bị gián đoạn tại vị trí liên kết dầm - cột, và thép dọc dầm sẽ xuyên qua vùng kết nối Dầm vòng “ring-beam” bằng bê tông cốt thép được sử dụng để bù đắp cho sự suy giảm khả năng chịu lực nén dọc do sự gián đoạn của ống thép

Qing Jun Chen (2014) [4] đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm và phân tích nghiên cứu cho ứng xử động đất của loại liên kết này Lợi ích của kiểu kết nối này khi ứng xử động đất đã được chứng minh trong các kiểm tra Tuy nhiên việc điều tra ứng xử của liên kết chịu ảnh hưởng của lực dọc cũng rất cần thiết Ví dụ như liên kết này đặt tại tầng hầm của một tòa nhà cao tầng, nó chịu một lực nén dọc rất lớn

Hình 1.13 Hệ thống dầm xuyên qua kết nối

Thí nghiệm của Qing Jun Chen (2015) [3] tập trung vào nghiên cứu ứng xử của kết nối dưới tác dụng của lực dọc trục Hai tập hợp mẫu đã được nghiên cứu Trong tập hợp mẫu đầu tiên gồm 5 mẫu với tỉ lệ nguyên hình dùng để kiểm tra chính xác khả năng chịu lực dọc của kiểu kết nối này Trong tập hợp mẫu thứ 2 bao gồm 27 mẫu với chỉ riêng vùng kết nối, để điều tra cường độ giới hạn của kết nối, xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết nối Một công thức để dự đoán cường độ chịu nén giới hạn của kết nối được đề xuất và được tiến hành so sánh với các dữ liệu thực nghiệm

Hình 1.14 Thí nghiệm mẫu nguyên hình và kiểm tra riêng vùng liên kết

1.3.3 Nghiên cứu của H.Y Yu (2013)[5]

Nhận thấy khả năng chịu lực của các liên kết dưới tác dụng của động đất là rất quan trọng cho toàn bộ công trình, với việc xem xét cơ chế "mạnh liên kết - yếu các

thành viên" H.Y Yu (2013) [5] đề xuất một loại liên kết mới nhằm mục đích tăng cường

khả năng chịu lực tại các vị trí quan trọng

Trong liên kết này, theo chiều dọc, liên kết gồm lớp bê tông cốt thép bên ngoài bọc cột CFST bên trong (RC_CFSTL), và theo chiều ngang, liên kết sử dụng dầm vòng bê

tông cốt thép “ring - beam” mở rộng tại cuối dầm khung để truyền ứng suất từ dầm khung vào cột và để neo cốt thép dầm khung

Liên kết có dạng chữ T (liên kết của cột biên trong khung), 5 kiểu tải trọng theo chu kì đã được tiến hành để kiểm tra sự an toàn của liên kết và thu thập các chế độ thất bại, sự phát triển vết nứt… dưới các tham số khảo sát khác nhau

Hình1.15 Cấu tạo của liên kết và thí nghiệm kiểm tra

Năm mẫu với tỉ lệ thu nhỏ 1/2,5 đã được thử nghiệm dưới tải trọng theo chu kì để khảo sát ứng xử địa chấn của các liên kết Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng tỷ lệ bán kính với bề rộng (tỷ lệ bán kính với bề rộng của dầm vòng) và tỷ lệ cốt thép (tỷ lệ của cốt thép của các thanh dọc của dầm vòng với thép của dầm khung) là các tham số có ảnh hưởng lớn nhất đến liên kết của dầm vòng

Hình 1.16 Hình dạng phá hoại tại liên kết và tại dầm vòng

Hình 1.17 Hình dạng vết nứt khi bị phá hoại tại vùng liên kết và dầm vòng

Có thể thấy, nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng rất phát triển để nghiên cứu ứng xử của cấu kiện CFST và cấu kiện dầm BT ƯLT Phương pháp này có nhiều ưu điểm như khả năng khảo sát ứng xử cấu kiện, tiết kiệm thời gian nghiên cứu, có thể ứng dụng trên nhiều cấu kiện, thay đổi thông số mô hình tương đối nhanh, có thể nghiên cứu trên cấu kiện có kích thước không thể thực nghiệm Tuy nhiên, các nghiên cứu về mô phỏng mới chỉ dừng lại ở nghiên cứu mô phỏng riêng lẻ kết cấu cột CFST hay kết cấu dầm BTCT, hoặc chỉ nghiên cứu liên kết giữa cột ống thép với sàn, dầm BT ƯLT chứ chưa có nghiên cứu về mô phỏng liên kết giữa cột CFST với dầm BT ƯLT Vì thế cần thiết để thực hiện mô phỏng ứng xử của liên kết giữa cột CFST với dầm BT ƯLT, nhằm hiểu rõ hơn bản chất sự làm việc của liên kết, khắc phục các hạn chế của mô hình thí nghiệm

Trong chương này đã thực hiện các vấn đề sau:

+ Tổng quan kết cấu liên hợp cột ống thép nhồi bê tông

+ Tổng quan về hệ kết cấu dầm bê tông ứng lực trước

+ Tổng quan về liên kết cột CFST với dầm bê tông

+ Tổng quan về liên kết giữa cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước

Qua tổng quan nhận thấy hầu hết các nghiên cứu về liên kết giữa cột ống thép nhồi

bê tông với dầm bê tông ứng lực trước đều dựa trên đề xuất cấu tạo liên kết và tiến hành trên thực nghiệm, chưa có nghiên cứu về mô phỏng số Các liên kết đề xuất đều đảm bảo các yêu cầu về khả năng chịu lực và độ cứng Tuy nhiên cấu tạo liên kết còn phức tạp, cơ chế làm việc chưa được hiểu rõ Do đó, việc nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng là cần thiết để khảo sát chi tiết hơn ứng xử của từng bộ phận trong liên kết

CHƯƠNG 2 - MÔ PHỎNG LIÊN KẾT GIỮA CỘT THÉP NHỒI

BÊ TÔNG VỚI DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC BẰNG

PHẦN MỀM ABAQUS

Chương 2 mô tả cấu tạo liên kết giữa cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước Sử dụng phần mềm Abaqus mô phỏng ứng xử liên kết giữa cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước

Cấu tạo liên kết: Căn cứ vào phân tích cơ chế truyền tải trọng và cơ chế phá hoại

do cắt trong liên kết giữa dầm - cột BT ứng lực trước, liên kết dầm bẹt BTCT với cột CFST được cấu tạo gồm: Mũ thép chịu cắt (shear-head), sử dụng thép chữ H hoặc chữ

I được hàn trực tiếp lên bề mặt bên ngoài của ống thép xem như một cái chốt (shear key) đảm bảo tính liên tục giữa sàn và cột CFST, làm tăng khả năng chịu cắt cho dầm Cánh dưới của thép hình mở rộng, xem như điểm tựa cho các thanh chống nghiêng bê tông làm việc, đảm bảo cơ chế truyền lực nén từ dầm vào cột Bên cạnh đó, cốt thép dầm được xiên qua cột thông qua các lổ khoan sẵn trên mặt cột nhằm nâng cao tính liên tục cho liên kết và khả năng chịu mô men của dầm

Để đảm bảo độ tin cậy và tính kết nối với công trình thực tế, mẫu thí nghiệm được chọn dựa trên việc phân tích một mặt bằng sàn có kích thước như Hình 2.1 Sử dụng phương án dầm bẹt, cột ống thép nhồi bê tông Kích thước dầm được chọn b×h=600×350(mm) Cột sử dụng ống thép hộp vuông 300×300×10(mm) Shear-head chọn thép hình tiết diện chữ H, với chiều cao tiết diện dầm h=350mm, chọn H200×200, đoạn vươn của shear-head lấy lv=250mm Shear-head được hàn vào mặt cột bằng đường hàn dọc theo chu vi tiết diện và lệch xuống phía dưới so với trục tiết diện như Hình 2.2

Hình 2.1 Chọn kích thước dầm

Hình 2.2 Chi tiết liên kết đề xuất

2.2.1 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS

Hiện nay ABAQUS là một bộ phần mềm lớn dùng để mô phỏng công trình,kết cấu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phạm vi giải quyết vấn đề của nó từ phân tích tuyến tính tương đối đơn giản đến vấn đề mô phỏng phi tuyến phức tạp ABAQUS có kho phần tử phong phú, có thể mô phỏng hình dạng bất kỳ Đồng thời kho mô hình vật liệu có thể mô phỏng đại đa số tính năng vật liệu kết cấu điển hình, trong đó bao gồm kim loại, cao su, vật liệu cao phân tử, vật liệu phúc hợp, bê tông cốt thép,… ABAQUS không chỉ giải quyết vấn đề trong phân tích kết cấu (ứng suất , chuyển vị) mà còn có khả năng mô phỏng và nghiên cứu vấn đề trong lĩnh vực khác như truyền dẫn nhiệt, phân tích âm thanh,điện tử, phân tích cơ học môi trường điện áp Vì vậy trong chương 2 của luận văn này sẽ sử dụng phần mềm ABAQUS để mô phỏng và phân tích sự làm việc của liên kết

300

Cét CFT (300x300)

(300x300)

2.2.2 Xây dựng mô hình hình học cho liên kết

Trong nghiên cứu này, phần tử C3D8R trong thư viện vật liệu của phần mềm ABAQUS được sử dụng để rời rạc mô hình Phần tử C3D8R là phần tử dạng khối 3 chiều, 8 nút tuyến tính Phần tử C3D8R được dùng mô phỏng phần tử dầm bê tông, lõi

bê tông cột, ống thép cột, các tấm thép chịu cắt và các tấm đệm thép vị trí đặt lực Các thanh cốt thép (cốt thép dọc và cốt thép đai) có thể được mô hình hóa bằng

mô hình dạng khối, dạng dầm hoặc dạng thanh Việc sử dụng mô hình phần tử dạng khối không được chọn trong nghiên cứu này do nó làm tăng khối lượng tính toán và có thể máy tính không thể xử lý được Hơn nửa, thanh cốt thép có độ uốn ngoài trục thanh khá nhỏ, vì vậy phần tử dạng thanh T3D2 được sử dụng để mô phỏng cốt thép chịu lực Trong nghiên cứu này lực chọn phần tử dạng thanh T3D2 để mô phỏng cốt thép Cụ thể hơn, lựa chọn phần tử dây (wire) trong ABAQUS để mô phỏng cho cốt thép chịu lực Các thanh thép này được nhúng vào trong bê tông, tăng độ cứng kết cấu với giả thiết bám dính bề mặt bê tông cốt thép là tuyệt đối Số liệu đầu vào của dạng phần tử này là diện tích mặt cắt ngang và không cần định nghĩa cụ thể tiết diện hình học của mặt cắt

Việc lựa chọn các loại phần tử trong mô hình mô phỏng được thể hiện trong Bảng 2.1

Bảng 2.1 Lựa chọn phần tử mô phỏng

2.2.3 Mô hình vật liệu trong ABAQUS

Trong luận văn này, tác giả sử dụng Mô hình phá hoại dẻo (Concrete Damaged Plasticity Model- CDP) để mô phỏng ứng xử của bê tông trong kết cấu

Mô hình phá hoại dẻo được biểu diễn qua hai loại phá hoại chính trong bê tông: vết nứt phát triển tại vùng kéo và vật liệu bị ép vỡ trong vùng nén Trong mô hình, ứng

xử nén dọc trục và kéo dọc trục bê tông là hai tính chất quan trọng trong mô hình phá hoại dẻo

• Quan hệ ứng suất - biến dạng trong miền kéo:

Định nghĩa quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông trong miền kéo qua các thông

số đầu vào mô hình: Mô đun đàn hồi (E0), ứng suất kéo(t), biến dạng vết nứt (t ck)

phụ thuộc cấp độ bền của bê tông Biến dạng vết nứt (t ck) được tính toán dựa vào tổng biến dạng theo công thức: t ck   t 0el t

  : biến dạng kéo trong miền đàn hồi của bê tông

- t: tổng biến dạng kéo của bê tông

Đường cong cơ bản quan hệ ứng suất và biến dạng của bê tông chịu kéo được minh

họa trong Hình 2.3

Hình 2.3 Quan hệ ứng suất –biến dạng khi chịu kéo của bê tông

Khi dỡ tải, ABAQUS tự động tính toán giá trị biến dạng dẻo do kéo của bê tông dựa vào quan hệ:

• Quan hệ ứng suất - biến dạng trong miền nén:

Định nghĩa quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông trong miền nén qua các thông

số đầu vào: Ứng suất nén(c), biến dạng do nén vỡ (c ch) được xác định dựa trên tổng biến dạng và biến dạng trong miền đàn hồi theo công thức: c ch   c  0el c

Với: - 0

0

c E



  : biến dạng nén trong miền đàn hồi của bê tông

- c : tổng biến dạng nén của bê tông

Đường cong cơ bản quan hệ ứng suất và biến dạng của bê tông chịu nén được minh

họa trong Hình 2.4

Hình 2.4 Quan hệ ứng suất –biến dạng khi chịu nén của bê tông

Khi dỡ tải, ABAQUS tự động tính toán giá trị biến dạng dẻo do nén của bê tông dựa vào quan hệ:

01

- Kc: tỷ số cường độ chịu kéo ngoài mặt phẳng làm việc so với cường độ chịu nén trong mặt phẳng làm việc

- ε : hệ số độ lệch tâm ngẫu nhiên của vật liệu

- b0

c0

σ

σ : tỷ số giữa cường độ chịu nén 2 trục với cường độ chịu nén 1 trục

- ψ : góc giản nở của vật liệu

- μ : độ nhớt của vật liệu

Dựa vào số liệu thí nghiệm được thực hiện bởi nhóm tác giả [1], có được các giá trị cường độ chịu nén, biến dạng tại thời điểm ứng suất đạt giá trị lớn nhất và sử dụng các công thức tính toán trong nghiên cứu của các tác giả [7] cho mô hình phá hoại dẻo

của bê tông, có thể xác định được các thông số đầu vào cho vật liệu bê tông dùng trong

mô phỏng như sau:

Quan hệ ứng suất nén, biến dạng nén vỡ:

Hình 2.5 Quan hệ ứng suất nén- biến dạng nén vỡ

Quan hệ biến dạng nén vỡ và hệ số phá hoại do nén:

Hình 2.6 Quan hệ biến dạng nén vỡ và hệ số phá hủy do nén

Quan hệ ứng suất kéo, biến dạng nứt:

Hình 2.7 Quan hệ ứng suất kéo - biến dạng nứt

Quan hệ biến dạng nứt và hệ số phá hoại do kéo:

Hình 2.8 Quan hệ biến dạng nứt và hệ số phá hoại do kéo

Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng điển hình của cốt thép gồm bốn giai đoạn

(Hình 2.9): tuyến tính (AB), chảy (BC), tái bền (CD) và hóa mềm (DE)

Hình 2.9 Quan hệ ứng suất –biến dạng khái quát hóa của cốt thép

Tuy vậy, trong tính toán cốt thép được coi là vật liệu đàn dẻo lý tưởng, giai đoạn tái bền và mềm hóa được bỏ qua Trong kết cấu BTCT cốt thép có dạng thanh hoặc lưới nên không cần quan tâm đến ứng xử ba chiều của cốt thép Để thuận tiện trong tính toán,

mô hình vật liệu của cốt thép được sử dụng theo quan hệ ứng suất – biến dạng một chiều Hiện nay có hai quan niệm về mô hình thép theo quan hệ ứng suất –biến dạng một chiều:

mô hình thép đàn dẻo lý tưởng, mô hình thép cải tiến đàn dẻo lý tưởng

• Mô hình vật liệu thép đàn dẻo lý tưởng:

Mô hình vật liệu thép đàn dẻo lý tuởng đuợc thiết lập dựa trên đuờng quan hệ ứng

suất – biến dạng của thép đuợc trình bày trong Hình 2.10 Quan hệ này đuợc xác định

dựa vào các thông số: mô đun đàn hồi của thép Es và giá trị giới hạn chảy của cốt thép

fy

Hình 2.10 Quan hệ ứng suất –biến dạng trong mô hình thép đàn dẻo lý tưởng

• Mô hình vật liệu thép cải tiến đàn dẻo lý tưởng:

Ứng xử của cấu kiện BTCT bị ảnh hưởng lớn khi cốt thép bị chảy Do quá trình chảy của thép làm tăng đột ngột biến dạng của kết cấu nên điều kiện hội tụ khó được đảm bảo trong quá trình tính toán Vì vậy sử dụng mô hình đàn dẻo sẽ đảm bảo được sự hội tự cho đến khi cấu kiện đạt cường độ tới hạn Giả thiết về biến dạng hóa cứng tuyến tính ngay khi cốt thép chảy không ảnh hưởng nhiều tới độ chính xác của kết quả, đồng thời độ dốc của nhánh hóa cứng cũng được xác định để đảm bảo năng lượng biến dạng của mô hình bằng với năng lượng biến dạng của quan hệ ứng suất – biến dạng của thép

từ thực nghiệm

Hình 2.11 Quan hệ ứng suất –biến dạng trong mô hình thép cải tiến đàn dẻo lý tưởng

Quan hệ ứng suất – biến dạng trong mô hình thép cải tiến đàn dẻo lý tưởng đuợc xác dịnh dựa vào các thông số: mô đun đàn hồi của thép Es , giá trị giới hạn chảy fy, giá trị giới hạn bền fu và biến dạng tại thời điểm cốt thép đạt giá trị giới hạn bền εu