Ứng xử cột liên hợp ống thép nhồi bê tông chịu tải trọng dọc trục

Ngoài ra trong đề tài này còn đề xuất công thứctính toán khả năng chịu lực của cột ống thép nhồi bê tông trong đó chỉ phần bêtông chịu lực tác dụng, các dữ liệu thí nghiệm cũng được sử d

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

—–o∆o—–

Hồ Ngọc Vinh

ỨNG XỬ CỘT LIÊN HỢP ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày tháng năm sinh: 14 – 5 – 1983 Nơi sinh: TP Hồ Chí Minh Chuyên ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp MSHV: 11210256

Khoá 2011

1 TÊN ĐỀ TÀI:

Ứng xử cột liên hợp thép bê tông chịu tải dọc trục

2 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

 Khảo sát thực nghiệm biến dạng và khả năng làm việc của cột liên hợp thép bê tông chịu tải trọng dọc trục

 Đề xuất công thức thực nghiệm tính toán cột liên hợp thép bê tông chịu tải trọng dọc trục

 Xây dựng mô hình 3D phân tích ứng xử của cột bằng phần mềm ANSYS

3 NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19-8-2013

4 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20-6-2014

5 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS LÊ VĂN PHƯỚC NHÂN

TS BÙI ĐỨC VINH Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

Tp HCM, ngày ……… tháng ……… năm ………

TRƯỞNG KHOA CHUYÊN NGÀNH

Công trình được hoàn thành tại: trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

Cán bộ chấm nhận xét 1:

Cán bộ chấm nhận xét 2:

Luận văn được bảo vệ tại trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh ngày.31 tháng 8 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ gồm: 1

2

3

4

5

Lời cảm ơn

Tôi xin chân thành cám ơn thầy Lê Văn Phước Nhân và thầy Bùi Đức Vinh đãnhiệt tình, tận tâm giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong quá trình thực hiện luậnvăn Thầy đã chia sẻ cho tôi những kinh nghiệm quý báu, cách thức nghiên cứu,cách soạn thảo văn bản, cách trình bài văn bản khoa học để tôi có thể hoànthành tốt luận văn Tôi đã học được ở thầy Nhân và thầy Vinh phương pháplàm nghiên cứu khoa học, các kiến thức mà một người nghiên cứu cần phải có.Đồng thời tôi xin cám ơn quý thầy cô trong bộ môn Khoa kỹ thuật xây dựng đãtruyền cho tôi nhiều kiến thức chuyên ngành trong quá trình học tập tại trường.Tiếp theo tôi muốn gửi lời cám ơn đến tất cả anh em trong công ty Hoàng Vinh

đã giúp tôi rất nhiều trong quá trình làm thí nghiệm tại công ty

Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến những người đã giúp đỡtôi trong suốt thời gian qua Xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô bạn bè, nhữngngười đã giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập tại trường

Với những tình cảm đó, tôi tự hứa sẽ luôn cố gắng phấn đấu để xứng đáng vớitình cảm của mọi người dành cho mình

Hồ Ngọc Vinh

TÓM TẮT

Trong kết cấu liên hợp thép bê tông, cột là phần chịu lực chính của công trình.Luận văn này giới thiệu ứng xử của cột liên hợp thép bê tông trong đó lực tácdụng vào phần lõi bê tông Các thí nghiệm được tiến hành trên 9 mẫu khácnhau nhằm xác định ứng xử của cột trong điều kiện làm việc thực tế Ngoài racác yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của cột như chiều dài cột, chiềudày ống thép, mác bê tông cũng được khảo sát Kết quả thí nghiệm cho thấykhả năng chịu lực của cột tăng khi tăng mác bê tông, chiều dày ống thép tăng

và chiều dài ống thép giảm Ngoài ra trong đề tài này còn đề xuất công thứctính toán khả năng chịu lực của cột ống thép nhồi bê tông trong đó chỉ phần bêtông chịu lực tác dụng, các dữ liệu thí nghiệm cũng được sử dụng để xây dựng

mô hình dự đoán khả năng làm việc của cột

Từ khóa: Cột liên hợp thép bê tông, bê tông nhồi ống thép, tải dọc trục

For composite stucture, composite column is part of the main stucture Theresearch introduces behavior of composite column in which the force acting onthe concrete core Composite column test were carried out with nine differentgroups in order to determine behavior of composite column In addition, factorseffect on factors affecting the bearing capacity of the column as the columnlength, thickness of steel pipe, concrete grade is also examined Experimentalresults show that the bearing capacity of the column increased when grade ofconcrete was increased, steel pipe thickness was increased and length of steel pipewas decreased This research also proposed a formula to calculate the bearingcapacity of composite column in which the force acting on the concrete core,experimental data are also used to build predictive models of columns ability towork

Keywords: Composite column, concrete filled steel tube, steel tube confinedconcrete, axial compression

Lời cam đoan

Tôi tác giả của luận văn này cam đoan rằng:

 Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiệndưới sự hướng dẫn của TS Lê Văn Phước Nhân và TS Bùi Đức Vinh

 Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận văn này là trung thực vàchưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào

 Các giá trị tham khảo là chính xác, không có chỉnh sửa

 Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 06 năm 2014

Học viên

Hồ Ngọc Vinh

Mục lục

Trang

1.1 Giới thiệu chung về kết cấu liên hợp thép – bê tông 1

1.2 Động lực nghiên cứu 4

1.3 Mục tiêu của đề tài 5

1.4 Ý nghĩa của đề tài 6

1.5 Giới hạn của đề tài 7

1.6 Phương pháp nghiên cứu 7

1.6.1 Về mặt lý thuyết 7

1.6.2 Thí nghiệm 8

1.6.3 Mô hình phần tử hữu hạn 8

1.7 Cấu trúc của luận văn 8

2 Tổng quan 9 2.1 Giới thiệu 9

2.2 Khả năng chịu lực của cột liên hợp thép bê tông theo Eurocode 4 [1] 11

2.2.1 Khả năng chịu lực của cấu kiện 11

2.2.2 Ổn định của cấu kiện 12

2.3 Khả năng chịu lực của cột liên hợp thép bê tông theo AIJ [2] 13

2.4 Một số nghiên cứu về cột liên hợp thép bê tông 14

2.4.1 Tải tác dụng vào bê tông và thép 14

2.4.2 Tải tác dụng vào lõi bê tông 16

2.5 Kết luận 16

3 Khảo sát thực nghiệm 18 3.1 Giới thiệu 18

3.2 Mẫu thí nghiệm 19

3.3 Xác định các thông số vật liệu thí nghiệm 20

3.3.1 Bê tông 20

3.3.2 Thép 21

3.4 Chương trình thí nghiệm 22

3.4.1 Nhóm mẫu thí nghiệm 22

3.4.2 Chi tiết mẫu và chuẩn bị thí nghiệm 22

3.4.2.1 Gia công ống thép 22

3.4.2.2 Bê tông 23

3.4.2.3 Khung nén mẫu 23

3.4.2.4 Lắp đặt thiết bị thí nghiệm 24

3.5 Mô hình và quy trình gia tải 25

3.5.1 Mô hình gia tải 25

3.5.1.1 Mô hình 1 26

3.5.1.2 Mô hình 2 26

3.5.1.3 Mục đích của mô hình 26

3.5.2 Quy trình gia tải 27

3.6 Kết quả thí nghiệm 28

3.6.1 Nhận xét chung 28

3.6.2 Ảnh hưởng của chiều dài cột liên hợp thép bê tông 28

3.6.3 Ảnh hưởng của chiều dày ống thép 30

3.6.4 Ảnh hưởng của cường độ bê tông 32

3.6.4.1 Cột C4 và C8 32

3.6.4.2 Cột C5 và C9 34

3.6.5 Ảnh hưởng của cường độ bê tông và chiều dày ống thép 36

3.6.5.1 Cột C1 và C4 36

3.6.5.2 Cột C2 và C5 38

3.6.5.3 Cột C3 và C6 39

3.6.5.4 Cột C1 và C8 41

3.6.5.5 Cột C2 và C9 43

3.6.6 Ảnh hưởng của chiều dài, chiều dày ống thép và mác bê tông 45

3.7 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng của ống thép 46

3.8 Dạng phá hoại của mẫu 47

3.8.1 Phá hoại ở ống thép 47

3.8.2 Phá hoại bề mặt lõi bê tông 47

3.9 So sánh kết quả và đề xuất công thức tính toán 50

3.9.1 So sánh với công thức các công thức tính toán theo EC4 và AIJ 50 3.9.2 Công thức đề xuất 51

3.10 Kết luận 52

4 Mô phỏng phần tử hữu hạn 54 4.1 Giới thiệu 54

4.2 Mô hình ống thép nhồi bê tông 55

4.2.1 Mô hình hình học 55

4.2.2 Lưới phần tử hữu hạn 55

4.3 Mô hình vật liệu 57

4.3.1 Lõi bê tông 57

4.3.2 Ống thép 59

4.4 Điều kiện biên của mô hình 59

4.5 Đặt tải tác dụng 60

4.6 Kết quả mô phỏng số 61

4.6.1 Biến dạng lõi bê tông trong mô phỏng 61

4.6.2 So sánh đường cong lực - biến dạng giữa thực nghiệm và mô phỏng 61 4.6.3 So sánh kết quả mô phỏng được gia tải theo mô hình 1 và mô hình 2 65

4.6.3.1 β= 1.12 65

4.6.3.2 β= 1.44 65

4.6.4 So sánh kết quả mô phỏng khi thay đổi β 66

4.6.4.1 Mô hình 1 66

4.6.4.2 Mô hình 2 66

4.6.5 So sánh kết quả mô phỏng cột liên hợp trong 2 trường hợp tải tác dụng 67

4.6.6 Kết luận 68

5 Kết luận và hướng phát triển của đề tài 69 5.1 Kết luận 69

5.2 Hướng phát triển của đề tài 70

6 Code bài toán mô phỏng bằng dòng lệnh command 73

Danh sách hình vẽ

1.1 Bảng so sánh kích thước dầm và cột liên hợp thép bê tông với dầm và

cột bê tông cốt thép khi khả năng chịu lực như nhau [1] 3

1.2 Cầu vượt sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông 4

1.3 Các dạng cột liên hợp thép bê tông 5

1.4 Triển vọng ứng dụng 7

2.1 Ống thép nhồi bê tông 9

2.2 Sơ đồ truyền lực [3] 10

2.3 Ứng suất ống thép và bê tông trong các giai đoạn tải trọng [4] 10

3.1 Mẫu thí nghiệm 20

3.2 Gia công ống thép 22

3.3 Khung gia tải 23

3.4 Thiết bị khảo sát 25

3.5 Mô hình gia tải 25

3.6 Quy trình gia tải 27

3.7 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng cột C3-C4 29

3.8 Dạng phá huỷ của mẫu 30

3.9 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng cột C6-C7 31

3.10 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng cột C4-C8 33

3.11 Dạng phá huỷ của mẫu 34

3.12 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng cột C5-C9 35

3.13 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng cột C1-C4 36

3.14 Dạng phá huỷ của mẫu 37

3.15 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng cột C2-C5 38

3.16 Dạng phá huỷ của mẫu 39

3.17 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng cột C3-C6 40

3.18 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng cột C1-C8 42

3.19 Dạng phá huỷ của mẫu 43

3.20 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng cột C2-C9 44

3.21 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng cột C1-C3 46

3.22 Biểu đồ quan hệ lực - biến dạng dọc của ống thép 47

3.23 Dạng phá hoại của mẫu 48

3.24 Dạng phá hoại của mẫu 48

3.25 Dạng phá hoại của mẫu 49

3.26 Bề mặt lõi bê tông mẫu khi mẫu phá hoại 49

3.27 Biểu đồ so sánh thực nghiệm với công thức tính toán 50

3.28 Biểu đồ so sánh thực nghiệm với công thức đề xuất 52

4.1 Mô hình được mô phỏng 55

4.2 Các điểm nút và các phần tử tạo từ các điểm nút 56

4.3 Các phần tử được sử dụng cho mô phỏng 56

4.4 Mặt phá huỷ bê tông của William và Warnke [5] 57

4.5 Đường quan hệ ứng suất biến dạng áp dụng tiêu chuẩn CEB-FIB model 1990 57

4.6 Mô hình đàn dẻo tái bền tuyến tính 59

4.7 Điều kiện biên của mô hình 60

4.8 Biến dạng lõi bê tông tại vị trí truyền lực 61

4.9 Quan hệ lực biến dạng được khảo sát bằng LVDT1 62

4.10 Quan hệ lực biến dạng được khảo sát bằng LVDT2 63

4.11 Quan hệ lực biến dạng được khảo sát bằng SG2 và SG5 64

4.12 Quan hệ lực biến dạng được khảo sát bằng của cột C2 65

4.13 Quan hệ lực biến dạng được khảo sát bằng của cột C2 65

4.14 Quan hệ lực biến dạng được khảo sát bằng của cột C2 với hệ số β thay đổi 66

4.15 Quan hệ lực biến dạng được khảo sát bằng của cột C2 với hệ số β thay đổi 67

4.16 Quan hệ lực biến dạng được mô phỏng theo kích thước cột C2 67

Danh sách bảng

2.1 Đường cong mất ổn định của cấu kiện 12

3.1 Thành phần cấp phối của bê tông 20

3.2 Kết quả thí nghiệm nén mẫu bê tông 21

3.3 Thông số kỹ thuật của ống thép 21

3.4 Chi tiết các nhóm mẫu 22

3.5 Bảng so sánh kết quả 50

3.6 Bảng so sánh kết quả tính toán 52

4.1 Thông số vật liệu thép 59

4.2 Bảng so sánh tải giới hạn giữa thực nghiệm và mô phỏng 64

Các ký hiệu được sử dụng

λ Độ mảnh tương đối của cột

χ Hệ số giảm cường độ trong mặt phẳng ổn định

λc Hệ số độ mảnh lõi bê tông

λ s Hệ số độ mảnh ống thép

γM a Hệ số an toàn của ống thép

γc Hệ số an toàn của bê tông

γs Hệ số an toàn của thép thanh

Aa Diện tích mặt cắt của ống thép

A c Diện tích mặt cắt ngang của bê tông

As Diện tích mặt cắt ngang của thép dọc

Npl,Rd Lực dọc giới hạn dẻo của cột

NSd Lực nén tính toán tác dụng

MSd Moment tính toán tác dụng

Ncr Tải trọng giới hạn đàn hồi của cột

fck Cường độ chịu nén mẫu bê tông với mẫu hình trụ

fy Giới hạn đàn hồi của thép ống

fs,k Giới hạn đàn hồi của thép dọc

EIef f,k Độ cứng chống uốn của tiết diện cột

Ia Moment quán tính của ống thép

Ic Moment quán tính của bê tông (không nứt)

Is Moment quán tính của thép dọc

E a Mođun đàn hồi của ống thép

E s Mođun đàn hồi của thép dọc

Ecm Mođun đàn hồi cát tuyến của bê tông

Ks Hệ số điều chỉnh nứt đối với bê tông

Lf t Chiều dài tính toán của cột

E s Mođun đàn hồi của ống thép

Is Moment quán tính của ống thép

Nu1, Nu2, Nu3 Khả năng chịu lực giới hạn của cột

Nuc Khả năng chịu lực giới hạn của bê tông

Nus Khả năng chịu lực giới hạn của ống thép

Ac Diện tích mặt cắt ngang của bê tông

As Diện tích mặt cắt ngang của ống thép

Ncrc Cường độ chịu uốn của bê tông

Ncrs Cường độ chịu uốn của ống thép

σccr Ứng suất nén giới hạn của bê tông

σc Ứng suất nén của bê tông

c Biến dạng nén tương ứng với σc

Ec1 Môđun đàn hồi cát tuyến

ru Hệ số giảm cường độ bê tông

bê tông có thể nằm ngoài bê tông, nằm hoàn toàn trong bê tông hay nằm mộtphần trong bê tông để cùng làm việc.

Trên thế giới kết cấu liên hợp thép bê tông được nghiên cứu sử dụng từ đầu thế

kỷ XX và đã được ứng dụng rộng rãi trong việc xây dựng các công trình nhànhiều tầng và nhà có khung nhịp lớn do loại kết cấu này tận dụng được ưu điểmchịu lực của hai loại vật liệu thép và bê tông

• Bê tông hiệu quả khi nén, có tính chịu lửa tốt và giá thành rẻ trong khithép có khả năng chịu kéo cao và khả năng cho phép biến dạng dẻo lớn

• Thép tương đối mỏng và dể bị mất ổn định trong khi bê tông có thể chốnglại hiện tượng này

• Bê tông có thể chống lại sự ăn mòn và có thể chịu được nhiệt độ cao

• Thép làm cho kết cấu chịu uốn tốt

Việc sử dụng kết cấu liên hợp ngoài việc đảm bảo về khả năng chịu lực, độ dẻo,

độ ổn định của kết cấu còn đảm bảo về mặt kiến trúc và kinh tế So với kết cấu

bê tông cốt thép truyền thống kết cấu liên hợp thép bê tông có một số ưu điểm:

• Khả năng chống ăn mòn của thép được tăng cường Điều này càng có ýnghĩa đối với công trình xây dựng ở vùng khí hậu có độ ẩm cao, công trìnhven biển, các cấu kiện tiếp xúc với môi trường ăn mòn

• Khả năng chịu lửa tốt Đối với các cấu kiện nằm hoàn toàn trong bê tôngkhả năng chịu lửa của cấu kiện liên hợp được bảo đảm tốt hơn thép bọcngoài

• So với kết cấu bê tông cốt thép thông thường, kết cấu bê tông cốt thépliên hợp có khả năng chịu lực lớn hơn do đó làm giảm kích thước tiết diệncột, nâng cao chiều dài nhịp dầm, chiều dày sàn nhỏ, kết cấu thanh mảnhhơn kết cấu bê tông cốt thép thông thường, không gian sử dụng và hiệuquả kiến trúc tăng (hình 1.1)

• Khả năng biến dạng lớn hơn kết cấu bê tông cốt thép thông thường Đây

là ưu điểm quan trọng khi kết cấu chịu tải trọng động đất [6]

• So với kết cấu bê tông cốt thép thông thường, thì lượng thép dùng trongkết cấu liên hợp lớn hơn Tuy nhiên nếu đánh giá hiệu quả kinh tế mộtcách toàn diện, có thể chi phí vật liệu cao nhưng bù lại bởi tốc độ thi côngnhanh, công trình sớm đưa vào sử dụng, thời gian thu hồi và xoay vòngvốn nhanh

Năm 1974 khi xây dựng một toà nhà làm việc 29 tầng ở London người ta

đã đổi từ việc dùng kết cấu bê tông cốt thép thông thường sang dùng kếtcấu liên hợp thép bê tông, thi công lõi cứng bằng phương pháp trượt vánkhuôn trên hệ khung thép Sàn được lắp ghép, sau đó đổ tại chỗ lớp trên.Lúc đó chí phí đầu tư cho phương án dùng kết cấu liên hợp cao hơn phương

án dùng kết cấu bê tông cốt thép thông thường nhưng thời gian thi công

Hình 1.1: Bảng so sánh kích thước dầm và cột liên hợp thép bê tông với dầm và cột

bê tông cốt thép khi khả năng chịu lực như nhau [1]

Tại Việt Nam, một số công trình cầu vượt thi công trong thời gian gần đây ởthành phố HCM đều sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông (hình 1.2) nhằmgiảm thời gian thi công, sớm đưa vào sử dụng làm giảm tình trạng kẹt xe ở cácthành phố lớn

Với các ưu điểm vượt trội so với kết cấu bê tông cốt thép truyền thống, kết cấuliên hợp thép bêtông đang được các nhà khoa học trên thế giới nỗ lực nghiêncứu để ngày càng hoàn thiện, mở rộng hơn, đồng thời khai thác triệt để hơnnhững ưu điểm của loại kết cấu này trong tương lai

(a) Cầu vượt Nguyễn Tri Phương đang thi công (b) Cầu vượt Nguyễn Tri Phương khi hoàn thành

(c) Cầu vượt Cây Gõ đang thi công (d) Cầu vượt Cây Gõ đã hoàn thành

Hình 1.2: Cầu vượt sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông

Trong thực tế cột liên hợp thép bê tông được thiết kế có ba dạng chính: ốngthép nhồi bê tông (hình 1.3(a)), cột có thép hình nằm hoàn toàn trong bê tông(hình 1.3(b)) và cột có thép hình nằm một phần trong bê tông (hình 1.3(c)).Trong đó trường hợp cột ống thép nhồi bê tông được sử dụng rất phổ biến do

có các ưu điểm về khả năng chịu lực, chống cháy tốt hơn cột thép thuần tuý, dễthi công và lắp đặt, thời gian thi công nhanh, đáp ứng được các yêu cầu về kiếntrúc (đặc biệt cột tròn) và tăng khả năng làm việc của bê tông nhờ tận dụnghiệu ứng chống nở hông của ống thép đối với bê tông

Hiện nay đã có nhiều phương pháp xác định khả năng chịu lực của cột liên hợpthép bê tông tuy nhiên các phương pháp đó chỉ áp dụng cho cột liên hợp chịulực tác dụng vào phần lõi bê tông và ống thép Mặt khác do tiêu chuẩn thiết

kế cột liên hợp thép bê tông ở nước ta chưa có nên việc tính toán cấu kiện nàychủ yếu thực hiện dựa trên các tiêu chuẩn nước ngoài như Eurocode 4, ACI 318

(a) Ống thép nhồi bê tông (b) Cột bê tông lõi cứng bao phủ

một phần

(c) Cột bê tông lõi cứng bao phủ hoàn toàn

Hình 1.3: Các dạng cột liên hợp thép bê tông

Do sử dụng tiêu chuẩn của nước ngoài nên các hiểu biết về kinh nghiệm ứng xửtổng thể (biến dạng ống thép, nở hông của bê tông ) của cột liên hợp thép bêtông cho các trường hợp vật liệu khác nhau và khả năng làm việc của cột trongđiều kiện khí hậu nước ta còn hạn chế

Do đó việc phân tích ứng xử của ống thép nhồi bê tông trong đó lực truyền vàophần lõi bê tông khi chịu tải trọng vượt quá tải thiết kế nhằm mô tả trạng tháilàm việc thực tế cột, từ đó so sánh khả năng chịu tải thực tế của cột bê tông cốtthép liên hợp với tiêu chuẩn thiết kế Eurocode 4 và AIJ (Architectural Institute

of Japan)

Mục tiêu chính của đề tài là khảo sát thực nghiệm ứng xử của ống thép nhồi bêtông bao gồm những vấn đề sau:

• Ảnh hưởng của chiều dày ống thép (t).

• Ảnh hưởng của độ mảnh (L/D)

• Ảnh hưởng của cường độ chịu nén lõi bê tông

• So sánh các kết quả thí nghiệm của cột bê tông cốt thép liên hợp với kếtquả tính toán khả năng chịu lực của cột được nêu trong Eurocode 4 vàAIJ

• Đề xuất công thức tính toán khả năng chịu lực của cột liên hợp thép bêtông trong đó chỉ lõi bê tông chịu lực tác dụng

• Mô phỏng ứng xử của cột và so sánh kết quả mô phỏng với ứng xử thực tếcủa cột liên hợp thép bê tông

Với các ưu điểm trên kết cấu liên hợp thép bê tông hiện nay đang được sử dụng,nghiên cứu và phát triển Do đó việc nghiên cứu phát triển một kết cấu liên hợpchưa có công thức tính toán khả năng chịu lực là một vấn đề cần được quantâm

Cột liên hợp thép bê tông trong đó chỉ lõi bê tông chịu lực tác dụng có thể sửdụng thay thế cột thép được sử dụng trong cầu vượt được thi công tại thànhphố Hồ Chí Minh trong thời gian gần đây (hình 1.4(a)) và thay thế cột thép Iđược sử dụng cho cột chống tạm trong công tác thi công top down (hình 1.4(b))nhằm giảm tiết diện cột và tăng hiệu quả kinh tế

Với những kết quả đạt được của đề tài, khi thiết kế các công trình liên hợp thép

bê tông người thiết kế có thể hiểu rõ hơn ứng xử của cột liên hợp thép bê tông

và có thể tham khảo kết quả nghiên cứu khi áp dụng tiêu chuẩn trong việc thiết

kế cột liên hợp sao cho khả năng làm việc của cột trong thiết kế phù hợp với

(a) Cột các cầu vượt (b) Cột chống tạm trong thi công top down

Hình 1.4: Triển vọng ứng dụng

ứng xử của cột trong điều kiện làm việc thực tế và phù hợp với điều kiện ViệtNam

Với các kết quả thu được từ thực nghiệm và mô phỏng sẽ là nguồn dữ liệu phục

vụ cho những nghiên cứu tiếp theo

Sự thay đổi về vật liệu, hình dáng, kích thước sẽ ảnh hưởng đến khả năngchịu lực của cột liên hợp thép bê tông Tuy nhiên do giới hạn về thời gian vàkinh phí nên đề tài này chỉ khảo sát cột liên hợp thép bê tông có mác Bê tông

300 và 500; chiều dày ống thép 3.96mm và 4.78mm; chiều dài ống thép 0.8 m;1.2m và 1.5 m

1.6.1 Về mặt lý thuyết

Trước khi đưa vào thí nghiệm khả năng chịu lực tới hạn, biến dạng và xác địnhcác yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của cột, các mẫu thí nghiệm cột

liên hợp đều được thiết kế sơ bộ dựa theo chỉ dẫn từ Eurocode 4 với kích thước

và tỷ lệ để phù hợp với điều kiện thí nghiệm

1.6.2 Thí nghiệm

Trong luận văn này phần quan trọng nhất là khảo sát thực nghiệm và đánh giáảnh hưởng của việc thay đổi chiều dài, chiều dày ống thép và cường độ chịu néncủa bê tông đến ứng xử của cột ống thép nhồi bê tông Với mục tiêu đặt ra của

đề tài, chương trình thí nghiệm được tiến hành trên 9 mẫu với với ống thép tròn

Luận văn này được chia làm các phần chính như sau:

• Chương 1: Giới thiệu về nội dung, mục tiêu và ý nghĩa của đề tài nghiêncứu

• Chương 2: Trình bày tổng quan về cột liên hợp thép bê tông

• Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm

• Chương 4: Mô phỏng cấu kiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn

• Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Hình 2.1: Ống thép nhồi bê tông

Khi tải trọng tác dụng vào lõi bê tông, toàn bộ tải trọng do phần lõi bê tôngchịu, ống thép chịu tác dụng bởi lực nở hông của lõi bê tông và một phần rấtnhỏ của lực ma sát giữa ống thép và lõi bê tông (hình 2.2)

Trong giai đoạn đầu tỷ số Poisson của lõi bê tông nhỏ hơn ống thép, ống thépchưa có tác dụng chống nở hông (confinement) đối với lõi bê tông (hình 2.3(a))

Hình 2.2: Sơ đồ truyền lực [3]

Khi tải tác dụng tăng, bê tông biến dạng dọc trục và nở hông của bê tông tăng.Khi đó hệ số Poisson của bê tông tăng theo và dần dần lớn hơn hệ số Poissoncủa ống thép, lúc này lõi bê tông truyền lực tác dụng vào ống thép (hình 2.3(b)).Trong gian đoạn này ứng suất trong ống thép là ứng suất phẳng, tuy nhiên ứngsuất trong lõi bê tông là ứng suất 3 chiều [4] Ống thép có tác dụng hạn chế nởhông của lõi bê tông làm cho khả năng chịu lực của cấu kiện tăng

Hình 2.3: Ứng suất ống thép và bê tông trong các giai đoạn tải trọng [4]

2.2 Khả năng chịu lực của cột liên hợp thép bê tông

theo Eurocode 4 [1].

2.2.1 Khả năng chịu lực của cấu kiện

Khả năng chịu lực của ống thép nhồi bê tông được xác định theo công thức:

Ncr tải trọng giới hạn đàn hồi của cột.

2.2.2 Ổn định của cấu kiện

Tải trọng dọc trục tính toán của cột:

Bảng 2.1: Đường cong mất ổn định của cấu kiện

Đường cong a Dạng đổ đầy bê tông, cốt dọc (A s /A c <3%) L/300.

(α=0.21) hay không có cốt dọc, tiết diện ống thép không bổ

sung thép I.

Đường cong b Tiết diện H được bê tông bao một phần hay toàn bộ L/210

(α=0.34) mất ổn định đối với trục chính (y-y) của tiết diện thép,

tiết diện ống đổ đầy bê tông có cốt dọc (3%<A s /A c <6%) hoặc có bổ sung thép hình U.

Đường cong c Tiết diện H được bê tông bao một phần L/170

(α=0.49) hoặc toàn bộ, mất ổn định đối với trục phụ (z-z)

của tiết diện thép.

2.3 Khả năng chịu lực của cột liên hợp thép bê tông

Khi 0,3≤ λs<1.3

Ncrs = 1 − 0, 545 λs− 0, 3

As.Fs (2.27)

Khi 1.3≤ λs.

Ncrs = N

s E

λs = λsπ

Với các ưu điểm vượt trội về khả năng chịu lực so với cột bê tông cốt thép thôngthường, cột liên hợp thép bê tông ngày nay đang được sử dụng nhiều cho cáccông trình cao tầng hay các công trình có khung nhịp lớn Bên cạnh đó cột liênhợp thép bê tông cũng là một trong những đề tài đang được các nhà khoa họctrên thế giới đầu tư nghiên cứu nhằm đưa ra hướng phát triển mới của cấu kiệnnày Hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến cột liên hợp thép

bê tông, một số kết quả điển hình được liệt kê tóm tắt ở đây

2.4.1 Tải tác dụng vào bê tông và thép.

Qing Yu, Zhong Tao, Ying-Xing Wu (2008) tiến hành nghiên cứu ứng xử củacột liên hợp thép bê tông với lõi bê tông sử dụng bê tông cường độ cao Thínghiệm với 28 mẫu khác nhau về loại tiết diện (hình vuông và hình tròn); tỷ số

độ mảnh (thay đổi từ 12 đến 120); độ lệch tâm (thay đổi từ 0 đến 0.6) Dựa trênquan sát thực nghiệm về ứng xử của mẫu và các số liệu thí nghiệm cho thấydạng phá hủy của cột ngắn là dạng phá hủy cắt (cột tròn), phá hủy uốn cục bộ(cột vuông); độ dẻo của cột liên hợp thép bê tông với lõi bê tông sử dụng bêtông tự lèn nhỏ hơn so bê tông thường [8]

J.M.Portolés, M.L.Rimero, J.L.Bonet, F.C.Filippou (2011) nghiên cứu ứng xửcủa cột liên hợp thép bê tông trong các trường hợp thay đổi cuờng độ bê tông(30MPa, 70MPa, 90MPa); tỷ số giữa đường kính và chiều dày ống thép; độ lệchtâm (tỷ số độ lệch tâm và đường kính) và độ mảnh cột (tỷ số giữa chiều dài và

đường kính) Thí nghiệm được tiến hành trên 37 mẫu Kết quả cho thấy tải giớihạn của cột liên hợp lõi bê tông cường độ cao (70MPa và 90MPa) có độ mảnhlớn chịu tải lệch tâm lớn khác nhau không đáng kể [9]

Dalin Liu (2006) đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm và phân tích ứng xử củacột liên hợp thép bê tông (cột hình chữ nhật) Thí nghiệm được tiến hành trên

20 mẫu (4 mẫu dài và 16 mẫu ngắn) với các thay đổi: tiết diện cột (hình vuông

và hình chữ nhật); độ mảnh (thay đổi từ 10 đến 60); độ lệch tâm (e/H thay đổi

từ 0.1 đến 0.42) Dựa trên quan sát thực nghiệm về ứng xử của mẫu và các sốliệu thí nghiệm cho thấy tải phá hủy được tính theo EC4 cao hơn so với thựcnghiệm 4%, tương tự tải phá hủy được tính theo ACI và AISC cao hơn so vớithực nghiệm lần lượt là 14% và 24% và đưa ra mô hình dự đoán ứng xử của cộtliên hợp thép bê tông chịu tải lệch tâm [10]

Zhong Tao, Lin-Hai Han (2006) đã nghiên cứu dạng mới của cột liên hợp (vớiống thép phía ngoài và ống thép phía trong với lõi bê tông ở giữa) Thí nghiệmđược tiến hành trên 30 mẫu (gồm 3 mẫu cột ngắn, 03 dầm và 24 mẫu cột dài),trong đó 24 mẫu cột có 12 mẫu là cột liên hợp thép bê tông với ống thép phíangoài và ống thép phía trong có lõi bê tông ở giữa (CFDST), 06 mẫu ống thépphía ngoài và phía trong không có lõi bê tông ở giữa (EST) và 06 mẫu ống thépphía ngoài và lõi bê tông bên trong (CFST) Thí nghiệm được tiến hành với cácthay đổi về chiều dài và độ lệch tâm e Dựa trên quan sát thực nghiệm về ứng

xử của mẫu và các số liệu thí nghiệm cho thấy cột CFDST khả năng chịu lực và

độ dẻo của cột được nâng cao do tác dụng liên hợp giữa lõi bê tông và ống thép[11]

Z.H Lu and Y.G Zhao (2008) đã tiến hành nghiên cứu và đưa ra công thứctính toán khả năng chịu tải dọc trục của cột liên hợp thép bê tông Kết quả chothấy khả năng chịu tải của cột liên hợp tính theo tiêu chuẩn ACI 2005 thấp hơn

so với kết quả thực tế là 22.4%; thấp hơn 8% so với theo tiêu chuẩn Nhật AIJ2001; Eurocode 4 cho kế quả cao hơn 2.6% so với kết quả thực tế, trong khi đócông thức do tác giả đề xuất có sai lệch so với kết quả thực nghiệm là 1.8% [12]

2.4.2 Tải tác dụng vào lõi bê tông.

Lin-Hai Han, Wei Liu và You Fu Yang (2007) đã tiến hành nghiên cứu ứng xửcủa cột liên hợp thép bê tông với các thông số thay đổi: hình dạng cột (cộtvuông, cột chữ nhật); tỷ số giữa tiết diện mặt cắt ngang của lõi bê tông và diệntích nén (tỷ số Ac/Al) (thay đổi từ 1 đến 25) tỷ số giữa đường kính và chiều dàyống thép (thay đổi từ 52.1 đến 104.7) Thí nghiệm được thực hiện trên 46 mẫu.Tác giả đã khảo sát thực nghiệm, mô tả kết quả quan sát được trong các mẫuthí nghiệm, các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của cấu kiện Kết quảcho thấy khi chịu tải trọng dọc trục khả năng chống nở hông của cột liên hợpống thép nhồi bê tông tiết diện tròn cao hơn cột tiết diện vuông, hiệu ứng chống

nở hông của ống thép xảy ra khi tỷ số giữa tiết diện mặt cắt ngang lõi bê tông

Chương này đề cập đến cấu tạo và cơ chế làm việc cột liên hợp thép bê tông vàđồng thời giới thiệu một số nghiên cứu ứng xử cột liên hợp được thực hiện củacác nhà khoa học trên thế giới Các nghiên cứu trước đây chủ yếu nghiên cứuứng xử các dạng cột liên hợp chịu tải đúng tâm hay lệch tâm từ đó so sánh vớicác công thức trong các tiêu chuẩn tính toán kết cấu liên hợp và đưa ra kết luận

về các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực và ứng xử của cấu kiện Tuynhiên trong các nghiên cứu trước, lực tác dụng lên ống thép và bê tông còn việc

nghiên cứu tải tác dụng vào phần lõi bê tông (ống thép chỉ có tác dụng chống

nở hông) còn hạn chế

Hiện nay, có rất nhiều các công trình có thể áp dụng được cấu kiện này như trụcác cầu vượt, cột chống tạm trong phương pháp thi công top-down Vì vậy, việcnghiên cứu một dạng mới của cột liên hợp ống thép nhồi bê tông là rất cần thiết

và mang ý nghĩa rất lớn trong quá trình thiết kế và thi công nhằm tìm hiểu ứng

xử của loại cấu kiện này, áp dụng vào thực tế và đề ra hướng phát triển lâu dàicủa loại cấu kiện này

độ bê tông thay đổi Do đó việc nghiên cứu ứng xử của cột liên hợp ống thépnhồi bê tông với lực tác dụng truyền vào lõi bê tông không tác dụng lên ốngthép với các thông số thay đổi đã nêu ở chương 1 vẫn là một đề tài chưa đượcnghiên cứu.

Như mọi cấu kiện, khả năng chịu lực của ống thép nhồi bê tông phụ thuộc vàokhả năng chịu lực của các vật liệu cấu thành Bên cạnh các yếu tố vật liệu, khảnăng chịu lực tới hạn của cột liên hợp thép bê tông còn phụ thuộc vào độ mảnhcủa cột (đường kính cột, chiều dài cột) Vì vậy sự thay đổi các yếu tố trên sẽlàm thay đổi khả năng chịu lực tới hạn và ứng xử của cột liên hợp thép bê tông

là một trong những mục tiêu của đề tài

Luận văn nghiên cứu ứng xử của cột ống thép nhồi bê tông và so sánh khả năngchịu lực của loại cột được nghiên cứu với cột liên hợp được tính theo tiêu chuẩnEC4 và AIJ Từ các thông số thí nghiệm đề xuất công thức tính toán đối với

loại cấu kiện này Việc thí nghiệm và mô phỏng với mục đích làm rõ các vấn đềsau:

• Khảo sát ứng xử của cột liên hợp trong đó lõi bê tông chịu tải dọc trục khithay đổi chiều dài, độ dày ống thép, cường độ bê tông của cấu kiện:– Biến dạng dọc trục của lõi bê tông

– Biến dạng nở hông của cột liên hợp

– Khả năng chịu lực của cột

– Dạng phá hoại của cột

• So sánh tải giới hạn cột liên hợp thép bê tông của nghiên cứu với tải trọnggiới hạn được tính toán trong tiêu chuẩn EC4 và AIJ

• Đề xuất công thức tính toán khả năng chịu lực của cấu kiện này

• So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng

• Mô phỏng khảo sát ứng xử một số trường hợp cột liên hợp thép bê tôngchưa được khảo sát trong thực nghiệm

Toàn bộ các thí nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm LAS - XD 516thuộc công ty Hoàng Vinh T.R.C.C, là cơ sở kiểm định được Bộ Xây dựng côngnhận hợp chuẩn quốc gia cho các thí nghiệm về vật liệu và kết cấu công trình

Do giới hạn về thời gian và kinh phí nên việc thí nghiệm sẽ được tiến hành trên

9 mẫu cột liên hợp với các biến số: chiều dài cột L (mm); cường độ bê tông fc

(MPa); độ dày ống thép t (mm)

Mẫu thí nghiệm được thiết kế với đường kính ngoài của ống thép 168mm và lõi

bê tông bên trong Ống thép bên ngoài sử dụng thép ống hiệu Seah, trên ốngthép có khoan 2 lỗ nhỏ với kích thước 14mm x 7mm đặt cách vị trí giữa cộtmột đọan±250 dùng lắp thanh inox (đường kính 6 mm, dài 200 mm) trong quátrình đổ bê tông lõi để khảo sát biến dạng dọc của bê tông (hình 3.1)

Hình 3.1: Mẫu thí nghiệm

Để khảo sát ứng xử cột liên hợp thép bê tông một cách chính xác và phù hợpvới thực tế, các yếu tố ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm như: vật liệu (ốngthép, bê tông), thiết bị đo (LVDT, kích gia tải và các đồng hồ đo) và công tácthi công mẫu thí nghiệm đều được tiến hành kiểm tra

Bảng 3.1: Thành phần cấp phối của bê tông

Thành phần Đơn vị Bê tông M300 (m 3 ) Bê tông M500 (m 3 )

Để xác định chính xác các thông số của vật liệu của từng loại mẫu thí nghiệmtrong suốt quá trình tạo mẫu, bê tông được lấy mẫu và thực hiện các thí nghiệmxác định cường độ chịu nén Công tác lấy mẫu được thực hiện cho từng đợt đổ

bê tông Mẫu kiểm tra cường độ bê tông có kích thước 150mmx150mmx150mm,mỗi lần đúc 3 mẫu giống nhau Sau khi đúc mẫu được dưỡng hộ và ngâm nước

7 ngày trước khi thí nghiệm cường độ, tiếp theo mẫu được nén cùng thời điểmdiễn ra thí nghiệm mẫu cột liên hợp thép – bêtông cốt thép Kết quả thí nghiệmcường độ chịu nén của các mẫu bê tông cho ở bảng 3.2

Bảng 3.2: Kết quả thí nghiệm nén mẫu bê tông

Đợt đổ bê tông Ký hiệu cột Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3 Trung bình

3.3.2 Thép.

Các thông số kỹ thuật của ống thép được lấy theo các thông số của nhà sảnxuất được cho trong bảng 3.3

Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật của ống thép

Thông số kỹ thuật Đơn vị Ống thép dày 3.96 mm Ống thép dày 4.78 mm

3.4 Chương trình thí nghiệm.

3.4.1 Nhóm mẫu thí nghiệm.

Như đã trình bày ở phần trên thí nghiệm sẽ được tiến hành trên 9 mẫu cột liênhợp thép bê tông có ký hiệu từ C1 đến C9 với các biến số: chiều dài cột L (mm);cường độ bê tông fc (MPa); độ dày ống thép t (mm) Các thông số của mẫuđược nêu cụ thể trong bảng 3.4

Bảng 3.4: Chi tiết các nhóm mẫu

Ký hiệu Mô hình Cường độ bê tông Chiều dày ống thép Chiều dài ống thép

Trong thí nghiệm cột liên hợp thép bê tông, ống thép được sử dụng hiệu Seah

và có đường kính 168 mm, được xuất xưởng với chiều dài ống 6 m Ống thépđược cắt phù hợp với chiều dài mẫu thí nghiệm (hình 3.2(a)) Sau khi cắt, ốngthép sẽ được mài phẳng Tiếp theo, ống thép được đưa vào máy phay để khoan

2 lỗ có kích thước 7 mm x 14 mm cách điểm vị trí giữa ống một đoạn ±250 mm

để lắp thanh inox đo biến dạng dọc của bê tông (hình 3.2(b))

Hình 3.2: Gia công ống thép

3.4.2.2 Bê tông.

Trong cấu kiện liên hợp ống thép nhồi bê tông, phần bê tông được đổ trực tiếpvào trong ống thép không sử dụng ván khuôn (đây cũng là một trong những ưuđiểm của kết cấu liên hợp: thời gian thi công công trình giảm) Ống thép cầnphải được vệ sinh sạch trước khi đổ bê tông Trong quá trình đổ bê tông, cácống thép được cố định để tránh bị nghiêng, bê tông được dùi kỹ để không bị rổ.Cột liên hợp sau khi được đổ phải được bảo dưỡng để chống nứt bê tông Côngtác đúc mẫu bê tông được tiến hành trong quá trình đổ lõi bê tông cột liên hợp,nhằm phục vụ công tác xác định đặc trưng cơ lý của bê tông sau này Sau đócác mẫu bê tông được ngâm bảo dưỡng trong bồn nước

3.4.2.3 Khung nén mẫu.

Hình 3.3: Khung gia tải

Khung được thiết kế chịu được tải 300T có cấu tạo gồm: 4 tấm thép tiết diện

120 mm x 25 mm dài 2400 mm; 2 tấm thép tiết diện 500 mm x 500 mm dày

100 mm và 16 tấm thép hình tam giác có chiều dài 2 cạnh là 100 mm dày 8 mmđược sử dụng để làm tăng chiều dài đường hàn nhằm đảm bảo khả năng chịulực của khung Nhằm làm tăng độ cứng của khung, 2 thanh thép I kích thước

200 mm x 100 mm x 5.5 mm x 8 mm được hàn vào 2 bên của khung Chi tiếtcấu tạo của khung được thể hiện như hình 3.3.

3.4.2.4 Lắp đặt thiết bị thí nghiệm.

Khi lõi bê tông đạt cường độ, mẫu được vệ sinh sạch và đưa vào thí nghiệm.Trước khi tiến hành thí nghiệm bề mặt bê tông của mẫu cần phải được màiphẳng Thí nghiệm khảo sát các đại lượng: lực, biến dạng ống thép và biến dọccủa bê tông Sơ đồ bố trí thiết bị cho thí nghiệm nén cột được thể hiện ở hình3.4 Sau khi lắp đặt các LVDT và các Strain Gauge mẫu được tiến hành cânchỉnh bằng thước thuỷ và xác định các vị trí đặt các tấm thép nén mẫu Cácthiết bị được lắp đặt trên mẫu thí nghiệm có chức năng sau:

• LVDT2, LVDT3, LVDT4: Đo biến dạng dọc của ống thép, từ đó xây dựngđường quan hệ giữa lực và dạng phá hủy Các LVDT này có phần đế được

cố định trên ống thép, 1 đầu của thanh nhôm chạm vào LVDT và đầu cònlại của thanh nhôm chạm vào miếng nhôm được cố định trên ống thép

• LVDT1 ghi lại biến dạng dọc của bê tông LVDT này có phần thân được

cố định vào thanh inox đã được đặt vào phần lõi bê tông trong quá trình

đổ bê tông, phần đầu LVDT tựa vào thanh nhôm dài và đầu kia của thanhnhôm chạm vào miếng nhôm được cố định trên thanh inox còn lại

• SG1, SG2, SG3: Là những strain gauge nhãn hiệu SHOWA, loại 5-120-11, có chiều dài 5mm, được dán vào ống thép theo phương dọc đểghi lại biến dạng dọc của ống thép khi chịu tải tác dụng

N11-FA-• SG4, SG5, SG6: Là những strain gauge nhãn hiệu SHOWA, loại 5-120-11, có chiều dài 5mm, được dán vào ống thép theo phương ngang đểghi lại hiện tượng nở hông của ống thép khi chịu tải tác dụng

N11-FA-• Cảm biến ứng suất được nối với kích dầu 300 T dùng để ghi lại giá trị lựckhi thí nghiệm

Hình 3.4: Thiết bị khảo sát

3.5.1 Mô hình gia tải.

Cột liên hợp ống thép nhồi bê tông trong đó lực truyền vào phần lõi bê tôngđược nghiên cứu trong luận văn này gồm 2 mô hình gia tải hình 3.5:

Hình 3.5: Mô hình gia tải