ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA BÊ TÔNG TRONG CỘT CFT CÓ ĐƯỜNG HÀN GIA CƯỜNG NẰM NGANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG

Có nhiều phương pháp để tăng liên kết giữa ống thép và lõi bê tông, trong nghiên cứu này sử dụng những đường hàn nằm ngang đặt song song xem Hình 1 được phát triển của tập đoàn thép

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

ĐINH VIẾT NHÂN

ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA BÊ TÔNG TRONG CỘT CFT

CÓ ĐƯỜNG HÀN GIA CƯỜNG NẰM NGANG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Đà Nẵng - Năm 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- -

ĐINH VIẾT NHÂN

ĐÁNH GIÁ ỨNG XỬ CỦA BÊ TÔNG TRONG CỘT CFT CÓ ĐƯỜNG HÀN GIA CƯỜNG NẰM NGANG

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

Qua quá trình nỗ lực phấn đấu học tập và nghiên cứu của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo Trường ĐH Bách Khoa Đà Nẵng và các bạn bè

đồng nghiệp, luận văn thạc sĩ ứng dụng “Đánh giá ứng xử của bê tông trong cột

CFT có đường hàn gia cường nằm ngang” đã được tác giả hoàn thành

Để có được thành quả này, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS

Phạm Mỹ đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo trong quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến toàn thể các Thầy, cô giáo của khoa Xây dựng Dân dụng và Công nghiệp, Trường Đại học Bách Khoa, gia đình, bạn bè đã động viên, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn này

Mặc dù đã hết sức cố gắng nhưng do hạn chế về thời gian, kiến thức khoa học

và kinh nghiệm thực tế của bản thân tác giả còn ít nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành giúp tác giả hoàn thiện hơn đề tài của luận văn

Xin trân trọng cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày 30 tháng 09 năm 2019

Học viên thực hiện

Đinh Viết Nhân

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

Đinh Viết Nhân

GIA CƯỜNG NẰM NGANG

Học viên: Đinh Viết Nhân Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng DD VÀ CN

Mã số: 85.80.201 Khóa: K35 Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt: Những năm gần đây nhu cầu sử dụng cột ống thép nhồi bêtông ngày càng

tăng Cột ống thép nhồi bêtông có xu hướng tiến đến thay thế cho cột bêtông cốt thép truyền thống Để tăng khả năng chịu lực của cột CFT thì sự liên kết giữa ống thép và lõi bê tông đóng một vai trò quan trọng Có nhiều phương pháp để tăng liên kết giữa ống thép và lõi bê tông, trong nghiên cứu này sử dụng những đường hàn nằm ngang đặt song song Trong luận văn này tiến hành xây dựng mô hình số trên cơ sở mô hình thực nghiệm nhằm so sánh đánh giá ứng xử của bê tông đến cường độ chịu lực cột CFT của kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng để đảm bảo độ tin cậy của công thức thực nghiệm, đồng thời dựa trên kết quả mô phỏng xác định trường phân bố ứng suất, biến dạng, miền phá hoại kéo/nén trong lõi bê tông mà kết quả thực nghiệm không xác định được

Từ khóa: Cường độ chịu lực, nén , kéo, hiệu ứng giam cầm, chuyển vị

EVALUATION OF CONCRETE CONDITIONS IN CFT ROADS WITH

WELDED ROAD Abstract – In recent year, the dement for using steel piles has been increasing Steel

piles of concrete piles tend to replace traditional reinforced concrete poles In order to increase the bearing capacity of CFT column the conection between steel piles and concrete cores plays an important role.There are several methods to increase the link between steel pipes and concrete cores , in this study horizontal welds are placed in parallel In this dissertation, building a numberical model based on an experimental model to compare assessing the behavior of concrete to the bearing strength of CFT column of experimental results with simulation results to ensure reliability Reliability

of the experimental formula and based on simulation results to determine stress distribution, deformation field, tensile / compression failure domain in concrete cores that experimental results could sốt determine

Keywords:Bearing strength, compression, tensile, confinent, displacement

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

TÓM TẮT

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG 4

1.1 Khái quát về cột ống thép nhồi bê tông: 4

1.1.1 Khái niệm: 4

1.1.2 Ưu điểm so với kết cấu khác: 4

1.2 Hiệu quả về kinh tế cột CFT : 4

1.3 Báo cáo vấn đề: 5

1.4 Đánh giá các công trình gần đây: 6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG CỘT CFT 7

2.1.Phương trình cân bằng phi tuyến: 7

2.1.1.Các phương trình quản lý: 7

2.1.2.Tính phi tuyến trong kết cấu CFT: 7

2.2 Giải pháp gần đúng, sau đó được: 9

2.2 Xây dựng ma trận độ cứng: 11

2.3 Công thức vec tơ tải nút: 12

2.4 Bề mặt tiếp xúc: 12

2.5 Mô hình vật liệu: 14

2.5.1 Mô hình vật liệu bê tông: 14

2.5.2: Mô hình vật liệu thép: 16

2.5.3 Mô hình hình học trong mô phỏng 17

2.5.4 Lưới phần tử hữu hạn: 18

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG , PHÂN TÍCH, SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 21

3.1: Đánh giá cường độ chịu lực của ống thép đổ bê tông được gia cố bằng các mối hàn ngang 21

3.1.1: Khảo sát ảnh hưởng của số lượng mối hàn ngang đến ứng xử của bê tông trong cột CFT 21

3.1.2.Ảnh hưởng chiều cao đường hàn đến ứng xử của bê tông trong cột 25

3.1.3: Khảo sát ảnh hưởng cường độ nén của lõi bê tông đến ứng xử của bê tông trong cột CFT 27

3.1.4: Khảo sát ảnh hưởng độ dày ống thép đến ứng xử bê tông cột CFT 31

3.1.5 So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thí nghiệm JFE: 35

cố bằng các mối hàn ngang 373.2.1: Ảnh hưởng của dầm đến cột CFT: 373.2.2: Ảnh hưởng của dầm và tải trọng tác dụng lên mặt đỉnh ống thép và mặt đỉnh lõi bê tông cột CFT 413.2.3: Ảnh hưởng tải trọng dầm và tải trọng tác dụng đồng thời lên toàn bộ tiết diện mặt cột trong kết cấu khung thực tế CFT 45CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN 50

Hình 1 Mô hình tương tác giữa lõi bê tông và ống thép sử dụng đường hàn gia cường

nằm ngang 2

Hình 1.1 Chuyển vị bê tông 5

Hình 2.1 Vật liệu phi tuyến 8

Hình.2.2 Ví dụ về đường cong tải trọng chuyển vị từ phân tích vênh 8

Hình 2.3 An Newton Raphson procedure 9

Hình 2.4 Biểu đồ chuyển vị - tải trọng 11

Hình.2.5 : Định nghĩa các tham số của mô phỏng tiếp xúc và thuật toán tiếp xúc 13

Hình 2.6 Biểu đồ phá hoại dẻo điển hình: a) Nén b) kéo 15

Hình 2.7 Phá hoại nén bê tông 16

Hình 2.8 Phá hoại kéo bê tông 16

Hình 2.9 Biểu đồ ứng suất biến dạng vật liệu ống thép 17

Hình 2.10 Biểu đồ ứng suất biến dạng vật liệu đường hàn 17

Hình 2.11 Mô hình hình học 17

Hình 2.12 Lưới CFT điển hình 19

Hình 3.1 Khả năng chịu lực khi thay đổi các thông số hình học và cơ học của mô hình 22

Hình 3.2 a) Chuyển vị ngang lõi bê tông trong mô hình số 1-3 23

Hình 3.3 Phổ chuyển dịch bên trong ống thép: a) Mô hình số 1, b) Mô hình số 2, c) Mô hình số 3 24

Hình 3.4 Phân bố áp lực tiếp xúc dọc trục ống mô hình số 1-3 24

Hình 3.5 Phổ phá hoại nén: a) Mô hình số 1, b) Mô hình số 2, c) Mô hình số 3 25

Hình.3.6.Chuyển vị ngang của lõi bê tông và ống thép dọc trục cột mô hình số_3&5:26 Hình 3.7 Phân bố áp lực tiếp xúc dọc trục cột trong mô hình Số 3&5 27

Hình 3.8 Phổ phá hoại nén: a) mô hình 3, b) mô hình 5 27

Hình 3.9 Đồ thị chuyển vị - lực của mô hình 4&6 28

Hình 3.10.Chuyển vị ngang lõi bê tông và ống thép dọc trục cột mô hình 4&6: 29

Hình 3.11 Phân bố áp lực tiếp xúc dọc trục cột trong mô hình 4&6 30

Hình 3.12 Đường cong phân bố biến dạng bê tông dưới tác dụng lực của mô hình 4&6 31

Hình 3.13 Phổ phá hoại nén: a) Mô hình 4, b) Mô hình 6 31

Hình 3.14 Kết quả chuyển vị lõi bê tông: 31

Hình 3.15 Đồ thị chuyển vị - lực mô hình 6&12 32

Hình 3.16 a) Chuyển vị ngang lõi bê tông mô hình 6&12 33

Hình 3.18 Phân bố áp lực tiếp xúc dọc cột trong mô hình số 6&12 34

Hình 3.19 Phân bố biến dạng dọc trục mô hình 6&12: a) Ống b) Lõi 35

Hình 3.20.Chuyển vị dọc của lõi dưới tác dụng lực 36

Hình 3.21 Áp lực tiếp xúc giữa lõi và ống thép 37

Hình 3.22 Phân bố ứng suất dọc trong ống và lõi 37

Hình 3.23 Mô hình hình học và điều kiện biên của khung 38

Hình 3.24 Vật liệu khung 38

Hình 3.25 Tạo lưới 38

Hình 3.26 Chi tiết kết cấu liên kết dầm I và cột CFT 38

Hình 3.27 Phổ Von-mises phân bố trong khung thép 39

Hình 3.28 Phổ Von-mises phân bố trong lõi bê tông 39

Hình 3.29 Phổ Von-mises phân bố trong ống thép 39

Hình 3.30 Áp lực tiếp xúc lên bề mặt lõi bê tông 39

Hình 3.31 ứng suất Von-mises trong lõi cứng phân bố dọc chu vi vòng liên kết 40

Hình 3.32 ứng suất Von-mises trong ống thép phân bố dọc chu vi vòng liên kết 40

Hình.3.33.Ứng suất Von-mises trong lõi phân bố dọc trục cột 40

Hình 3.34.Ứng suất Von-mises trong ống thép phân bố dọc trục cột 40

Hình 3.35 Chuyển vị theo phương X trong ống dọc vòng liên kết 41

Hình 3.36 Đường cong lực căng bên 41

Hình 3.37.Đường cong chuyển vị lực trong lõi trong trường hợp 1 42

Hình 3.38 Đường cong chuyển vị lực trong ống trong trường hợp 1 42

Hình 3.39 Đường cong chuyển vị lực trong lõi trong trường hợp 2 42

Hình 3.40 Đường cong chuyển vị lực trong ống trong trường hợp 2 42

Hình 3.41 Phổ chuyển vị phương X trong trường hợp 1 43

Hình 3.42 Phổ chuyển vị phương Z trong trường hợp 1 43

Hình 3.43 Phổ chuyển vị phương X trong trường hợp 2 43

Hình 3.44 Phổ chuyển vị phương Z trong trường hợp 2 43

Hình 3.45 Phổ Von-mises trong khung thép 44

Hình 3.46 Chuyển vị theo phương X trong ống 44

Hình 3.47 Phổ Von-mises trong toàn khung trong trường hợp 1 45

Hình 3.48 Phổ Von-mises trong toàn khung trong trường hợp 2 45

Hình 3.49 Phân bố áp lực tiếp xúc suốt bề dọc cột trong trường hợp 1 45

Hình 3.50 Phân bố áp lực tiếp xúc suốt bề dọc cột trong trường hợp 2 45

Hình 3.51.Phổ chuyển vị theo phương X trong khung thực tế 46

Hình 3.53 Phổ chuyển vị ngang theo phương X trong khung thực tế 46

Hình 3.54 Phổ chuyển vị ngang theo phương Z trong khung thực tế 46

Hình 3.55 Phổ chuyển vị theo phương X trong khung thực tế 47

Hình 3.56 Phổ chuyển vị theo phương Z trong khung thực tế 47

Hình 3.57 Phổ phá hoại nén bê tông trong ống 47

Hình 3.59 Phổ phá hoại nén bê tông trong ống trong trường hợp chỉ tải trọng tác dụng lên ống 49

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết:

Những năm gần đây nhu cầu sử dụng cột ống thép nhồi bêtông ngày càng tăng Cột ống thép nhồi bêtông có xu hướng tiến đến thay thế cho cột bêtông cốt thép truyền thống, chúng được sử dụng rộng rãi trong nhà ở, nhà nhiều tầng và trong kết cấu cầu

Lý do, cột ống thép nhồi bê tông có những ưu điểm vượt trội về mặt kỹ thuật do có độ cứng lớn, và độ chống cháy cao, về mặt công nghệ cột ống thép nhồi bêtông dễ thi công hơn, không cần hệ thống coffa, đặc biệt loại cột này sẽ phát huy hiệu quả trong thi công tầng hầm bằng phương pháp top-down, hoặc các mố trụ cầu, cầu vòm ống thép nhồi bêtông Ngoài ra khi thi công cột ống thép nhồi bêtông sẽ làm giảm giá thành xây dựng và rút ngắn thời gian thi công của công trình

Để tăng khả năng chịu lực của cột CFT thì sự liên kết giữa ống thép và lõi bê tông đóng một vai trò quan trọng Có nhiều phương pháp để tăng liên kết giữa ống thép và lõi bê tông, trong nghiên cứu này sử dụng những đường hàn nằm ngang đặt song song (xem Hình 1) được phát triển của tập đoàn thép JFE Nhật Bản Thông qua kết quả khảo sát thực nghiệm JFE đề xuất một công thức thực nghiệm cho trong phương trình (1)

(1)

Trong đó: là đường kính ống; bề dày ống thép; số lượng đường hàn ngang; diện tích hình chiếu đường hàn lên mặt phẳng nằm ngang; diện tích mặt cắt ngang

lõi bê tông; cường độ chịu nén của lõi bê tông

Trong luận văn này tiến hành xây dựng mô hình số trên cơ sở mô hình thực nghiệm được phát triển bởi JFE nhằm so sánh đánh giá kết quả thực nghiệm với kết quả mô phỏng để đảm bảo độ tin cậy của công thức thực nghiệm, đồng thời dựa trên kết quả mô phỏng xác định trường phân bố ứng suất, biến dạng, miền phá hoại kéo/nén trong lõi bê tông mà kết quả thực nghiệm không xác định được

Hình 1 Mô hình tương tác giữa lõi bê tông và ống thép sử dụng đường hàn gia cường nằm ngang

2 Mục tiêu nghiên cứu:

 Đánh giá ứng xử của bê tông trong cột CFT có đường hàn gia cường nằm ngang

 Khảo sát ứng xử của thành ống thép ảnh hưởng đến ứng xử của lõi bê tông

 Khảo sát ứng xử của liên kết giữa cột và dầm đến ứng xử của lõi bê tông

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

 Đối tượng nghiên cứu: các khảo sát được thực hiện trên mô hình số sử dụng phần mềm thương mại của cột bê tông ống thép nhồi bê tông

 Phạm vi nghiên cứu: Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn mô phỏng và

so sánh kết quả mô phỏng với mô hình thực nghiệm

4 Phương pháp nghiên cứu: kết hợp giữa hai phương pháp

 Phương pháp lý thuyết: tìm kiếm và tập hợp tài liệu, nghiên cứu và tìm hiểu

lý thuyết cơ học vật rắn biến dạng , lý thuyết phần tử hữu hạn , xây dựng mô hình số để mô phỏng bài toán

 Phương pháp số: Xây dựng mô hình số khảo sát sự tương tác giữa ống thép

và lõi bê tông

5 Kết quả dự kiến:

 Phân tích phổ ứng suất trong lõi bê tông

 Phân tích phổ phá hoại kéo, nén trong lõi bê tông

 So sánh kháng lực đường hàn mô hình thực nghiệm và mô phỏng

 So sánh khả năng chịu lực mô hình thực nghiệm và mô phỏng

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ

TÔNG 1.1 Khái quát về cột ống thép nhồi bê tông:

1.1.1 Khái niệm:

Hệ thống kết cấu ống thép nhồi bê tông là một hê thống gồm các cấu kiện chịu lực chính là các ống thép được nhồi đặc bằng bê tông cường độ cao hoặc trung bình Thông thường dùng ống tròn, nhưng các ống vuông cũng có thể được áp dụng

1.1.2 Ưu điểm so với kết cấu khác:

Gần đây cột cốt thép nhồi bê tông được phát triển nhiều trong kết cấu nhà và cầu, nó là kết cấu chịu lực chính trong các tòa nhà hoặc cầu, kết cấu có giằng hoặc không có giằng, trụ cầu… Điều này là do các ưu điểm vượt trội của nó so với kết cấu tương đương thép, bê tông cốt thép:

 Thép được phân bố chu vi bên ngoài, nó cho phép thép phát huy hiệu quả cường độ chịu kéo, momen uốn, điều này là hiển nhiên vì ống thép có modun đàn hồi lớn hơn nhiều so với bê tông và nó nằm cách xa tâm cột, momen quán tính lớn nhất đối với mặt cắt ngang

 Bê tông được hình thành bên trong ống thép dưới dạng lõi cứng, nó chịu ứng suất nén dưới tác dụng của tải trọng, trong tải trọng nén giữa ống thép và lõi bê tông xảy

ra hiệu ứng giới hạn, nó làm tăng cường độ nén của cột CFT tròn và độ dẻo cột CFT chữ nhật, do đó hầu hết các cột CFT chịu được tải trọng nén lớn

 Ngoài ra, hiệu ứng giới hạn ngăn chặn sự vênh cục bộ của ống thép, đó là sự thuận lợi nhất chứng minh sự gia tăng khả năng chịu lực ống thép, độ dẻo và giảm xóc bằng cách lấp đầy ống rỗng bằng bê tông

1.2 Hiệu quả về kinh tế cột CFT :

 Ống thép thay thế ván khuôn trong xây dựng, nó làm giảm đáng kể vật liệu ván khuôn và chi phí lao động

 Tiến độ cho các dự án nhà cao tầng nhanh hơn so với kết cấu bê tông cốt thép thép.Bởi vì nếu cột CFT được sử dụng thì công trình thép có thể lắp đặt nhiều tầng trước khi bê tông được thực hiện, điều này tiết kiệm được vật liệu và thời gian

 Khi các khung CFT lắp ghép được sử dụng thay cho kết cấu truyền thống thì lượng tiết kiệm trong thép tăng lên nhiều

 Kết nối giữa dầm và cột chỉ đơn giản, điều này có thể sử dụng cho các cấu trúc chữ nhật Do đó tổng chi phí của kết cấu và tạo điều kiện trong quá trình thiết kế được lưu lại

 Khi bê tông cường độ cao được sử dụng , điều này dẫn đến giảm kích thước cột để lượng không gian sàn có thể sử dụng trong các tòa nhà văn phòng tăng lên, nó tạo ra một khung nhẹ hơn, kết quả nó đặt ít tải hơn trên nền móng, tất cả những điều này cắt giảm chi phí của các tòa nhà

Hình 1.1 Chuyển vị bê tông

1.3 Báo cáo vấn đề:

Cột CFT được cấu thành từ 2 vật liệu thép bê tông có trạng thái ứng suất biến dạng khác nhau.Do đó kết cấu CFT chủ yếu phụ vào sự kết hợp 2 loại vật liệu Cho đến nay sự tương tác của hai loại vật liệu vẫn chưa được đánh giá đầy đủ bởi vì rất khó

để hiểu cơ chế làm việc của bề mặt Ví dụ làm thế nào để xác định các tính chất kết hợp của mặt cắt ngang CFT như modun đàn hồi tương đương hoặc modun quán tính.Ngoài ra cơ chế phá hoại chủ yếu được chi phối bởi nhiều yếu tố như đường kính,

độ dày ống thép, chiều dài, hình dạng mặt cắt, cường độ bê tông và thép Đây là rào cản lớn đối với việc sử dụng rộng rãi CFT vào khu vực xây dựng Trong thực tế, ứng

xử CFT phụ thuộc vào nhiều yếu tố như giam cầm bê tông, ứng suất dư, co ngót , loại

tải, liên kết vv… Trong đó các tham số này tương tác với nhau trong thời gian làm việc của nó.Nhưng hiện tại nghiên cứu chỉ tập trung vào hiệu quả phân tích đối với một số tham số đã nói ở trên phù hợp với các thí nghiệm do HCMUT đề xuất

1.4 Đánh giá các công trình gần đây:

Nói chung khả năng tương thích biến dạng giữa thép và bê tông được giả định rằng liên kết giữa thép và bê tông không bị phá vỡ

Dần dần đến tải phá hoại Nghiên cứu của Hunaiti coi liên kết là một chủ đề riêng biệt, đã được thử nghiệm trên 135 mẫu vật liệu hỗn hợp được thực hiện để nghiên cứu mối liên kết giữa bê tông và thép trong các cột hỗn hợp, Virdi và Dowling

đã tiến hành các thí nghiệm đẩy ra trên các ống tròn được bê tông hóa, các thí nghiệm của họ được giới hạn trong các ống thép đổ bê tông , số lượng thông số có khả năng ảnh hưởng đến cường độ liên kết đã được xác định và các nhóm thử nghiệm được tiến hành thay đổi một thông số tại một thời điểm như độ nhám bề mặt của thép, chiều dài của ống thép, bề mặt lõi bê tông, cường độ bê tông

Một liên kết đầy đủ giữa thép và bê tông tại mặt tiếp xúc rất quan trọng trong cột CFT để đảm bảo sự làm việc chung hiệu quả Gần đây, nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng để cải thiện độ bền liên kết trong cột CFT, giới thiệu các phương pháp tăng

độ cứng bề mặt tiếp xúc, nhiều phương pháp làm tăng độ liên kết bề mặt tiếp xúc giữa hai vật liệu như các đường hàn dọc chiều dài bề mặt bên trong ống thép, đinh tán hoặc thanh giằng, các đường hàn ngang dọc chiều dài ống thép đảm bảo trì hoãn sự vênh cục bộ ống thép, tăng hiệu quả làm việc của tiết diện, cải thiện hiệu ứng giam cầm lõi

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT MÔ PHỎNG CỘT CFT

2.1.Phương trình cân bằng phi tuyến:

Trong lĩnh vực kỹ thuật kết cấu, kết quả phân tích phần tử hữu hạn có thể cung

cấp thông tin chi tiết về ứng suất, biến dạng phân bố trên kết cấu, thông tin này không

dễ xác định trên các mô hình thực nghiệm, do đó việc nghiên cứu các phương pháp số

có thể được sử dụng để cung cấp dữ liệu bổ sung để cải thiện sự hiểu biết về bản chất

vật lý ứng xử của kết cấu Trong những năm gần đây, những tiến bộ trong FEA đã

cung cấp các thuật toán mạnh mẽ, đáng tin cậy để giải quyết các vấn đề hình học phức

tạp, biến dạng lớn và các vấn đề tương tác.Trong nghiên cứu này các mô hình hình

học, vật liệu phi tuyến theo ba chiều được phát triển bằng cách sử dụng phần mềm

thương mại của FEA-ABAQUS, các mô hình đầy đủ cũng được sử dụng để mô phỏng

cột CFT, trong đó các kỹ thuật tương tác được sử dụng để nắm bắt các ứng xử vật lý

tại bề mặt tiếp xúc giữa ống thép và lõi bê tông dưới tác dụng của tải trọng nén dọc

trục

2.1.1.Các phương trình quản lý:

Phân tích phần tử hữu hạn nhằm mục đích tìm kiếm chuyển vị của kết cấu, giải

pháp được liên tục qua các ranh giới phần tử, cân bằng đạt được và các điều kiện biên

được thỏa mãn

Nguyên lý của trạng thái cân bằng tĩnh có thể được nêu rõ sao cho các nội lực

tác động lên các nút do các ứng suất phần tử và ngoại lực, tác động tại mọi nút phải

cân bằng, nó có thể được viết dưới dạng toán học như sau:

Phương trình (2.1) là tổng quát và không đưa ra giả định nào về I u  and

 

P u Các vấn đề hiện tại là một vấn đề phi tuyến phức tạp trong cơ học kết cấu, nó

chứa nhiều yếu tố

2.1.2.Tính phi tuyến trong kết cấu CFT:

a) Vật liệu phi tuyến:

Cột CFT được cấu thành bằng cách sử dụng hai vật liệu chính là thép và bê

tông và điều kiện làm việc của vật liệu này đạt đến trạng thái cuối cùng Do đó cả hai

vật liệu được mô tả trong các cơ chế khác nhau, tức là độ đàn hồi phi tuyến, độ dẻo,

phá hoại vật liệu và cơ chế hỏng hóc, ví dụ về phi tuyến vật liệu Hình 1

Hình 2.1 Vật liệu phi tuyến

a) Giới hạn phi tuyến

Cột CFT là một cấu trúc hỗn hợp trong đó ống thép nằm ở chu vi của cột và bê tong hình thành trong ống dạng lõi cứng, trong thực tế tại mặt tiếp xúc 2 vật liệu không phải lien kết hòa hảo Do đó trong quá trình làm việc của cột tại bề mặt tiếp xúc 2 vật liệu xảy ra sự trượt tương đối.Để mô tả hiện tượng này, một vấn đề về sự liên kết được tiến hành, vấn đề về sự lien kết là một trong những phi tuyến biên.Vì một điều kiện tiếp xúc trong FEA nó sẽ cho phép nắm bắt tất cả các điều kiện biên thay đổi trong quá trình phân tích và dạng phi tuyến không lien tục được hình thành

b) Hình học phi tuyến:

Nghiên cứu này mong đợi lõi bê tông trượt dọc theo trục ống thép và do sự tương tác giữa lõi bê tông và ống thép hình học phi tuyến diễn ra cao.Cuối cùng có thể xác định độ võng, biến dạng lớn, góc quay lớn, sự không ổn định về cấu trúc và hiệu ứng tải trước

Hình.2.1 Ví dụ về đường cong tải trọng chuyển vị từ phân tích vênh

Giải phương trình cân bằng phi tuyến:

Trong FEA nội lực được mô tả qua công thức.(2.2)

 

u P

Hình 2.2 An Newton Raphson procedure

Đối với tĩnh tải,một phần tổng tải được áp dụng cho kết cấu và giải pháp cân bằng tương ứng với mức tải hiện tại được lấy, mức tải sau đó được tăng lên và quá trình được lặp lại cho đến khi mức tải đầy đủ được áp dụng.Để giải quyết trạng thái cân bằng trong các bài toán phi tuyến đã trình bày phân tích sử dụng giải pháp lặp lại tăng dần, dựa trên phương pháp Newton Raphson Nó giả định rằng giải pháp cho sự tăng tải trước đó được biết đến.Ngoài ra nó giả định rằng, sau khi lặp lại, một phép tính gần đúng, cho giải pháp thu được, để cho sự khác biệt giữa giải pháp này và giải pháp chính xác cho phương trình cân bằng rời rạc, phương trình 2.1 viết thành

nỗ lực tìm kiếm giải pháp hội tụ mới.Quy trình này được lặp lại đến khi lực dư nằm trong giới hạn dung sai,mỗi lần lặp lại, yêu cầu:

 Công thức độ cứng tiếp tuyến K i,

 Giải pháp hệ phương trình đồng thời cho u i1, và cập nhập giải pháp được đưa ra trong biểu thức (2.9)

Hình 2.3 Biểu đồ chuyển vị - tải trọng

Phương pháp Newton Raphson là phương pháp lặp lại tăng dần, nó bao gồm các bước, gia số và lặp lại, trong đó các bước phân tích lịch sử tải là mô phỏng bao gồm một hay nhiều bước, đối với gia số, gia số là một phần của một bước,trong tác động tĩnh, tổng tải được áp dụng trong một bước được chia thành các mức tăng nhỏ hơn để theo dõi giải pháp phi tuyến, đối với các lần lặp , phép lặp là nỗ lực tìm kiếm giải pháp cân bằng theo gia số, thuật toán có thể điều chỉnh kích thước của số gia để các bài toán phi tuyến được giải quyết dễ dàng

2.2 Xây dựng ma trận độ cứng:

Trong mô hình 3D của CFT , ống thép và lõi bê tông đã sử dụng phần tử gạch 8 nút để phân biệt mô hình cho FEA Đây là phần tử rắn đẳng phân số, khi các hàm hình dạng một phần tử được giới thiệu đặc biệt đến hình học phần tử này được mô tả :

vị x,y,z trong hệ tọa độ tổng quát được mô tả thông qua hàm hình dạng nói ở trên:

  1 1 1    

1 1 1

T e



Với ne là số phần tử trên kết cấu

2.3 Công thức vec tơ tải nút:

Nói chung theo FEA véc tơ tải nút được tính như sau:

1

ne T

e e e

ảnh hưởng khó đến việc giải trực tiếp Thứ hai, sự rang buộc về mặt tiếp xúc được duy trì bằng phương pháp nghiêm ngặt, một phương pháp xử lý toán học nghiêm ngặt được

áp dụng cho vấn đề về tiếp xúc được giới thiệu bởi Kikuchi and Oden [20].Phương pháp này duy trì sự tiếp xúc đơn giản và dẫn đến ma trận tiếp tuyến xác định dương với các khoản đường chéo dương.Tuy nhiên quy trình phương pháp này xuất hiện tình trạng kém của ma trận độ cứng tiếp tuyến do sự tăng trưởng không giới hạn của số điều kiện khi tham số phương pháp tăng Trong thực tế vấn đề cơ bản lien quan đến phương pháp này phụ thuộc vào việc lựa chon một giá trị phù hợp cho tham số phương pháp này, sự lựa chọn của nó có thể cân bằng giữa độ mất chính xác đáng kể do điều kiện kém của ma trận tiếp tuyến và vi phạm điều kiện tiếp xúc không được chấp nhận Do đó, phương pháp này cho giải pháp về vấn đề tiếp xúc, đạt được sự thỏa mãn các vấn đề về tiếp xúc trong một dung sai quy định

Sự tiếp xúc xảy ra khi bề mặt của phần tử tiêp xúc xuyên qua một phần của phần tử chính trên bề mặt mục tiêu được chỉ định và phần tiếp xúc, độ xuyên thấu phụ thuộc vào hiệu ứng giới hạn, độ sâu thâm nhập tại điểm tiếp xúc được xác định như sau: (xemHình.2.4):

Hình.2.4 : Định nghĩa các tham số của mô phỏng tiếp xúc và thuật toán tiếp xúc

Trong đóRlà ban kính lõi bê tông, d biểu thị bình thường hóa vec tơd  l  l h h,

l là khoảng cách từ tâm hình học lõi bê tong đến điểm A trên mặt phần tử tiếp xúc

chính, and hlà vec tơ đơn vị dọc trục cột,lực tiếp xúc tại A có thể được xác định bằng

mô hình lực tiếp xúc của Hertz[21, 22],

n

f là lực trung bình,  là chỉ số thâm nhập, k , c tương ứng là độ cứng tiêp xúc và hệ

số giảm xóc.Trong việc xác định lực thông thường,các lực ma sát trượt thường được đặc trưng bởi mô hình Coulomb:

véc tơ đơn vị theo hướng trượt, t v t v t , v t  v r  v n n r và là vận tốc tương đối giữa điểm nút trên bề mặt tiếp xúc và điểm nút tương ứng trên bề mặt mục tiêu Tất cả các thông số được minh họa trong Hình.2.4

2.5 Mô hình vật liệu:

2.5.1 Mô hình vật liệu bê tông:

Mô hình vật liệu bê tông cột CFT theo tải trọng nén dọc trục tương tự mô hình phá hoại bê tông nhựa ( CPD) CPD là sự kết hợp giảm cường độ kéo cốt thép và cường độ nén bê tông.Theo ta biết rằng bản chất thép là dễ uốn, vết nứt gãy vô cùng hiếm, phần bị biến dạng không thể trở lại như ban đầu Trong khi đó bản chất bê tông

là giòn nhưng dưới sự căng cốt thép, vết nứt có thể khép lại sau đó các phần bị phá hoại tập hợp lại.Mô hình phá hoại thích hợp cho bê tông, mô hình dẻo thích hợp cho thép The CFTs là kết cấu kết hợp giữa thép, bê tông sau đó thép bổ sung thêm cường

độ chịu kéo bê tông.Do đó mô tả mô hình bê tông là sự kết hợp giữa phá hoại và biến

dạng CPD được giới thiệu ở trạng thái đơn điệu, tuần hoàn bởi Lubliner et al [24] và

được phát triển thêm bởi Lee [25].Trong cả hai nghiên cứu đã chứng minh rằng CPD

cho thấy hiệu suất tốt trong các trạng thái ứng suất chủ yếu một trục và hai trục nhưng

không nên dùng cho trường hợp ứng suất nén ba trục, lý do này cho phép ta sử dụng

đúng CPD cho CFT

Trong mô hình CPD như đã trình bày trong Hình 2.5, tăng dần các phân

đoạn nén được kiến nghị từ mã mô hình của CEB-FIP 2010[26] và phân khúc giảm

dần được giải quyết trong nghiên cứu của Krätzig[27].Trong đó đường liền nét và

đường nét đứt biểu thị cho tải và không tải tương ứng.E0là modun đàn hồi lõi cứng,nó

đại diện cho modun biến dạng hoặc trạng thái không bị hư hại elvà pl là modun đàn

hồi và modun đàn hồi dẻo, chúng đại diện cho khả năng phục hồi và không phục hồi

tương ứng Hình 2.5 minh họa cơ chế phá hoại vật liệu bê tông Sự giảm độ

cứng do phá hoại nó được tính bởi 1 d E  0, d là biến phá hoại, nó nằm trong

khoảng 0 1 Đường cong ứng suất kéo bao gồm một phân đoạn tuyến tính ban đầu

và một nhánh giảm dần phi tuyến từ các nguyên cứu Vonk [28] và Van Mier[29]

t



ck t

ot



Hình 2.5 Biểu đồ phá hoại dẻo điển hình: a) Nén b) kéo

Đường cong ứng suất biến dạng dưới tác dụng của tải trọng đơn trong

Hình 2.5 can be expressed as:

Trong đó c , ttham khảo các trạng thái kéo, nén tương ứng

Trong nghiên cứu này , ba loại bê tông được sử dụng trong mô phỏng , cụ thể

là:

 Type 1: Lớp bê tông có f ck 38.1MPa , Modun đàn hồi E 27393MPa và hệ số

Poison   0.15 Ngoài ra các thuộc tính nén kéo được hiển thị trong

Hình 2.6

 Type 2: : Lớp bê tông có f ck  38.2MPa , Modun đàn hồi E 27420MPa và hệ số

Poison   0.15 Ngoài ra các thuộc tính nén kéo được hiển thị trong

Hình 2.6

 Type 3: : Lớp bê tông có f ck  38.5MPa , Modun đàn hồi E 27500MPa và hệ số

Poison   0.15 Ngoài ra các thuộc tính nén kéo được hiển thị trong

Hình 2.6

 Type 4: : Lớp bê tông có f ck 38.8MPa , Modun đàn hồi E 27580MPa và hệ số

Poison   0.15 Ngoài ra các thuộc tính nén kéo được hiển thị trong

Hình 2.6

 Type 5: : Lớp bê tông có f ck  39.0MPa , Modun đàn hồi E 27633MPa và hệ số

Poison   0.15 Ngoài ra các thuộc tính nén kéo được hiển thị trong

Hình 2.6

 Type 6: : Lớp bê tông có f ck  61MPa , Modun đàn hồi E 32830MPa và hệ số

Poison   0.15 Ngoài ra các thuộc tính nén kéo được hiển thị trong

0.000 0.002 0.004 0.006 0.008 0.0

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

Hình 2.6 Phá hoại nén bê tông

Damage parameter vs f'c of concrete 38.1 MPa

Damage parameter vs f'c of concrete 38.5 MPa

Damage parameter vs f'c of concrete 39.0 MPa

Damage parameter vs f'c of concrete 61.0 MPa

0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 0.0030 0.0035 0.00

0.25 0.50 0.75 1.00

Hình 2.7 Phá hoại kéo bê tông

2.5.2: Mô hình vật liệu thép:

Ống thép được đề cập đến mô hình đàn hồi dẻo để mô tả bản chất cấu thành vật liệu thép.Mối quan hệ giữa ứng suất, biến dạng hoàn toàn thu được từ các thử nghiệm JFE đã được sử dụng trong mô hình vật liệu thép Ứng xử vật liệu ống thép được mô tả bằng đường cong ứng suất biến dạng thể hiện trong Hình 2.8 †.Tính chất vật liệu ống thép như modun đàn hồi, hệ số Poison được lấy là E s 210000MPa và υ =0.3

Các đường hàn được sử dụng cùng một vật liệu mô hình ống thép và ứng xử vật liệu đường hàn được đưa ra trong hình 2.10

Stress-strain curve of steel tube sample No 01-06

True stress-strain curve of steel tube sample No 01-06

Stress-strain curve of steel tube sample No 08-12

True stress-strain curve of steel tube sample No 08-12

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0

100 200 300 400 500 600 700

Hình 2.8 Biểu đồ ứng suất biến dạng

vật liệu ống thép

Hình 2.9 Biểu đồ ứng suất biến dạng vật liệu đường hàn

2.5.3 Mô hình hình học trong mô phỏng

Việc tìm hiểu cường độ chịu lực của cột CFT đã sử dụng phương pháp tham số bằng cách thay đổi các tham số hình học và cơ học của mô hình Hình dạng mô hình

mô phỏng được mô tả trong

Hình 2.10.Các mẫu tương đương và các tính năng cơ học

của các mẫu mô phỏng được đưa ra trong bảng 2.1

Pipe heigh

t H[mm]

Độ dài: mm

Áp lực: MPa

Ứng suất: MPa

Lực: N

Khối lượng riêng: T/mm3

2.5.4 Lưới phần tử hữu hạn:

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp tham số để phân tích cường độ chịu lực của cột CFT Theo phân tích lý thuyết được mô tả từ mục 2.1 , mười một mô hình được thực hiện bằng cách thay đổi các tính chất hình học, cơ học của ống bê tông và thép và bảng 2.1 Sau khi xác định hình học và vật liệu , lõi bê tông được phân tích bằng cách sử dụng phần tử ứng suất 3D-C3D8R Đây là phương pháp khử tích phân 8 nút Gaussian,trong trường hợp này điểm không thể thiếu Đối với ống thép vì độ dày tương đối lớn (xem bảng 2.1),thì việc sử dụng phần tử gạch 8 nút liên tục (C3D8R) chính xác hơn , hơn nữa phần tử C3D8R sẽ mô tả chính xác ứng xử cơ học của ống so với phần tử vỏ

Hơn nữa, C3D8R là một yếu tố sử dụng sơ đồ tích hợp giảm để loại trừ hiện tượng khóa cắt ngoài ra phần tử C3D8R để mô tả chính xác các mối quan hệ ứng suất biến dạng tại các điểm tích hợp , trong khi phần tử này chỉ sử dụng một điểm ở trung tâm phần tử Do đó, một phần tử chia lưới với kích thước nhỏ sẽ được yêu cầu để mô

tả chính xác mật độ ứng suất tại góc và vị trí biên kết cấu.Ngoài ra, việc tích hợp một điểm được sử dụng để tạo hẹn giờ hoặc chế độ năng lượng bằng 0 giả lập.Tuy nhiên các chế độ hẹn giờ không thể được trải trong một lưới thông thường và rất hiếm khi cấu trúc được chia lưới tốt Khi chế độ hẹn giờ xảy ra , giải pháp không hội tụ.Nhưng nếu một lưới tốt được tạo ra , nó sẽ khắc phục vấn đề này Một phần tử sử dụng một điểm tích hợp không khó để tạo ra hiện tượng khóa cắt ngay cả khi nó chịu một trạng thái ứng suất phức tạp Do đó phần tử C3D8R là lựa chọn tốt nhất cho mô phỏng hiện tại

Đối với phần tử cứng, cơ sở sử dụng phần tử cứng để tạo lưới , trong đó phần tử cứng là tập hợp tất cả các nút có chuyển động bị chi phối bởi chuyển động của một nút duy nhất và nó được gọi là nút tham chiếu cho phần thân cứng.Hình dạng của vật thể cứng được định nghĩa là bề mặt phân tích thu được bằng cách xoay hoặc trượt một mặt cắt hình học 2 D hoặc như sự rời rạc của vật thể cứng có được bằng cách tạo lưới với các nút và các phần tử của nó Hình dáng của khối cứng không thay đổi trong suốt quá trình mô phỏng nhưng nó có thể trải qua một chuyển động hữu hạn Khối lượng và quán tính của vật thể cứng rời rạc có thể được tính dựa trên sự phân bố của các phần tử cứng hoặc có thể được gán trực tiếp

Chuyển động của khối cứng có thể được chỉ định bởi sự áp đặt từ điều kiện biên của nút tham chiếu của nó.Tải trọng lên khối cứng được tạo ra từ tải trọng tập trung tác động lên các nút

Ba mô hình điển hình được đưa ra

a) b) c)

Hình 2.11 Lưới CFT điển hình

a) Ống thép được gia cố bằng 1 đường hàn ngang

b) Ống thép được gia cố bằng 2 đường hàn ngang

c) Ống thép được gia cố bằng 3 đường hàn ngang

2.6: Kết luận chương 2

Trong nghiên cứu này các mô hình hình học, vật liệu phi tuyến theo ba chiều được phát triển bằng cách sử dụng phần mềm thương mại của FEA-

ABAQUS, các mô hình đầy đủ cũng được sử dụng để mô phỏng cột CFT

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp tham số để phân tích cường độ chịu

lực của cột CFT, sử dụng phần tử C3D8R để mô hình cho vật liệu

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG , PHÂN TÍCH, SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ

PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

Trong phần này có 2 nội dụng chính được tập trung thảo luận Đầu tiên là cường độ chịu lực của cột CFT , trong đó kết quả mô phỏng ống thép được so sánh với công thức thực nghiệm do tổ JFE thực hiện

Trong chương 3 có 2 nội dung cơ bản sẽ được tập trung thảo luận Đầu tiên, cường

độ chịu lực của cột CFT, trong đó ống thép được gia cố từ một đến ba đường hàn có chiều cao đường hàn khác nhau nhằm khảo sát sự ảnh hưởng của đường hàn đến khả năng chịu lực của cột Ngoài ra các thông số khác cũng được khảo sát và thảo luận cụ thể như sự ảnh hưởng chiều dày của ống thép, số lượng đường hàn, cường độ bê tông v.v Nội dung thứ hai, khảo sát cường độ chịu lực trên một mô hình khung thực tế sử dụng cột CFT được khảo sát trong nội dung đầu tiên Kết quả được triển khai trên 3

mô hình Mô hình thứ nhất chỉ áp tải trên khung, xem xét khả năng ảnh hưởng thuần tuý của lực và mô men trong dầm đến cột CFT như thế nào; mô hình thứ hai vừa chất tải lên dầm vừa chất tải lên cột nhằm khảo sát sự làm việc thực tế của khung; mô hình thứ 3 tải trọng chỉ tác dụng lên đỉnh của ống thép và lên hai đầu dầm, nhưng chân cột không ngàm hết mà chỉ ngàm phần lõi bê tông Mô hình này nhằm khảo sát sự tương tác giữa ống thép và lõi bê tông Tất cả các kết quả lần lượt thảo luận dưới đây:

3.1 : Đánh giá cường độ chịu lực của ống thép đổ bê tông được gia cố bằng các mối hàn ngang

3.1.1: Khảo sát ảnh hưởng của số lượng mối hàn ngang đến ứng xử của bê tông trong cột CFT

Kết quả mô phỏng cho thấy các thông số hình học và cơ học của mô hình ảnh

hưởng lớn đến cường độ chịu lực của cột CFT.Từ kết quả trên Hình 3 đã cho thấy số

lượng đường hàn là một hệ số ảnh hưởng lớn nhất đến cường độ chịu lực Cụ thể đối với 3 mô hình khảo sát đầu tiên từ ví dụ 01 đến ví dụ 03, cả 3 mô hình này có đường kính bề dày của ống thép không đổi, cường độ bê tông cũng gần như không thay đổi,

về chiều cao đường hàn mẫu số 1 chênh lệch với mẫu số 3 khoảng 17.5% và chênh lệch với mẫu số 2 khoảng 12.5%, và chênh lệch giữa mẫu 2 và mẫu 3 khoảng 5.7% Riêng số lượng đường hàn mẫu 2 gấp đôi mẫu số 1, mẫu 3 gấp 3 lần mẫu số 1, và mẫu

số 3 gấp 1.5 lần mẫu số 2 Kết quả mô phỏng cho thấy điểm giới hạn của mẫu số 1 rất

thấp so với hai mẫu còn lại, cụ thể chênh lệch giữa mẫu số 1 so với mẫu số 2 là 27.6%, mẫu số 1 so với mẫu số 3 là 53.4%, và mẫu số 2 so với mẫu số 3 là 35.6% Điểm giới hạn là điểm giới hạn trước khi hoặc là mặt tiếp xúc giữa lõi bê tông và ống thép bị phá hoại hoặc là lõi bê tông bị phá hoại Như vậy có thể cho rằng điểm giới hạn là tiêu chí được sử dụng để đánh giá cường độ chịu lực của mô hình

Một tiêu chí khác cũng khá quan trọng có thể được sử dụng để đánh giá cường độ chịu lực của mô hình đó là chuyển vị lõi bê tông.Kết quả cho thấy chuyển vị của lõi bê tông trong ống thép của mẫu số 1 rất lớn so với mẫu số 2 và 3, cụ thể chênh lệch chuyển vị giữa mẫu số 1 với mẫu số 2 là 33.4%, giữa mẫu số 1 và mẫu số 3 là 20%, và giữa mẫu số 2 với mẫu số 3 là 16.7% Khi chuyển vị lõi bê tông lớn thì độ dốc của đường cong chuyển vị-lực sẽ bé, điều nầy chứng tỏ mức độ bám dính giữa lõi và thành ống thép kém, điều nầy cũng có thể suy ra hiệu ứng giam cầm của lõi bê tông giữa các

mô hình có sự khác biệt lớn

0 5 10 15 20 25 30 0

400 mm , tại vị trí này hạn chế sự chuyển vị của lõi bê tông xuống đáy ống do vậy phần bê tông nằm trên đường hàn bị nén rất lớn và gây ra hiệu ứng giam cầm giữa lõi

bê tông và ống thép Kết quả lõi bê tông bị nở hông lớn nhất tại vị trí cách đỉnh ống khoảng 300 mm , và hệ quả của hiệu ứng giam cầm gây ra biến dạng của ống thép đạt

được giá trị cực đại tại vị trí tương ứng Trong khi đó đối với mẫu số 2 lõi bê tông bắt đầu nở hông lớn cách đỉnh cột khoảng 600 mm , và đạt cực đại tại vị trí cách đỉnh cột

800 mm , nằm tại vị trí của đường hàn đầu tiên (xem hình 3.2) Vì vị trí đường hàn đầu tiên cách đỉnh cột 800 mm Tại vị trí này lõi bê tông bị ngăn chặn do đó phần bê tông trên đường hàn tập trung ứng suất gây hiệu ứng nở hông trong lõi ( Hình 3.3) Khi lõi

bê tông trượt qua khỏi đường hàn tại vị trí cách đỉnh cột 800 mm, nên tại vị trí này có

sự chuyển vị đột biến/khác thường cho phần bê tông tại vị trí đường hàn khi ra khỏi đường hàn, và phần bê tông mới chèn vào vị trí đường hàn Như vậy lõi bê tông đã trượt qua khỏi đường hàn đầu tiên và nó tiếp tục bị chặn bởi đường hàn thứ nhì, do đó ứng suất lúc nầy tập trung vào khu vực trên đường hàn thứ nhì tăng và gây hiệu ứng nở hông tại đây Trên đồ thị màu đỏ, xem hình 3.2 sau vị trí 800 mm của đường hàn thứ nhất thì hiệu ứng nở hông có dấu hiệu tăng cho đến khi lõi bê tông trượt qua đường hàn thứ nhì thì hiệu ứng nở hông bắt đầu giảm khi lõi bê tông trượt về chân cột Giải thích hoàn toàn tương tự ứng xử nở hông đối với mẫu cột số 3, kết quả cho thấy ứng

xử nở hông đối với mẫu cột thứ 3 hoàn toàn đúng với quy luật vật lý của bài toán

Distance along tube [mm]

Lateral dis in concrete sample 01

Lateral dis in concrete sample 03

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0

1 2 3 4 5

Distance along tube [mm]

Lateral dis in steel sample 01 Lateral dis in steel sample 03

a) b)

Hình 3.2 a) Chuyển vị ngang lõi bê tông trong mô hình số 1-3

b) Chuyển vị ngang ống thép trong mô hình số 1-3

Do sự nở hông của lõi bê tông trong mẫu 1 phân bố từ đỉnh cột đến vị trí đường hàn do đó sự nở hông của lõi bê tông không lớn Do đó áp lực (áp lực tiếp xúc) của lõi

bê tông vào thành ống thép cũng không lớn kết quả được mô tả trong hình 3.3 đây là nguyên nhân làm giảm khả năng bám dính của lõi bê tông vào thành ống thép Vì vậy

sự trượt của lõi bê tông trong ống thép rất lớn thể hiện đúng như kết quả cho trong hình 3.2 Đây chính là nguyên nhân làm cho cường độ chịu lực của cột giảm Ngược lại trong mô hình thứ hai và thứ ba khi số lượng đường hàn tăng thì sự nở hông tập trung cục bộ tại vị trí khu vực đường hàn (như vừa giải thích ở trên), do đó sự nở hông

tương đối lớn Chênh lệch sự nở hông giữa mô hình 1 so với mô hình thứ 2 là 38.8%, giữa mô hình 1 với mô hình thứ 3 là 42.1%, và giữa mô hình 2 với mô hình 3 là 5.4%, kết quả này có thể tham khảo thêm trong hình 3.2

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0

100 200 300 400 500 600

Distance along tube [mm]

Contact pressure of sample No 1 Contact pressure of sample No 3

Hình 3.4 Phân bố áp lực tiếp xúc dọc trục ống mô hình số 1-3

Dạng đồ thị nở hông cho trong hình của cả 3 mô hình có thể được giải thích dựa

vào cơ chế phá hoại nén của lõi bê tông Đối với mô hình 1 phần bê tông ngoài biên từ trên đỉnh lõi xuống đến vị trí đường hàn hầu như bị phá hoại, phần bê tông phá hoại tạo thành mặt trượt của khối lõi có dạng hình nón có đỉnh nằm ở tâm của chu vi đường hàn được mô tả trong hình 3.5 a Chính khối lõi bê tông có dạng hình nón có dạng như một cái nem ép phần bê tông bị phá hoại ra ngoài biên tạo ra một đường chuyển vị ngang phân bố dọc từ đỉnh lõi xuống đến vị trí đường hàn như mô tả trong đường đầu tiên trong đồ thị hình 3.2 Đối với phổ phá hoại nén của bê tông cho như trong hình 3.5 b&c cho thấy phần bê tông bị phá hoại bắt đầu phá hoại cách đỉnh lõi một khoảng lần lượt là 400 mm và 600 mm lần lượt tương ứng với mô hình 2 và 3 Với kết quả này hoàn toàn phù hợp với ứng xử chuyển vị ngang trong đường thứ 2 và thứ 3 trong hình 3.2

a) b) c)

Hình 3.5 Phổ phá hoại nén: a) Mô hình số 1, b) Mô hình số 2, c) Mô hình số 3

3.1.2.Ảnh hưởng chiều cao đường hàn đến ứng xử của bê tông trong cột

Mô hình số 3 và mô hình số 5 sử dụng chung một loại ống thép có đường kính và chiều dày giống nhau, số lượng đường hàn như nhau, đồng thời sự chênh lệch cường

độ chịu nén của bê tông không đáng kể Hai mô hình này chỉ khác nhau chiều cao đường hàn sự chêch lệch chiều cao đường hàn giữa mô hình số 3 với mô hình số 5 là 45.9%, nhưng điểm giới hạn trong hai trường hợp này không chênh lệch nhau lớn, chỉ

khác nhau độ dốc của đường cong “chuyển vị-lực” của mô hình 5 lớn hơn mô hình 3

Điều nầy chứng tỏ chuyển vị của lõi bê tông trong mô hình 5 bé hơn trong mô hình 3 Như vậy chiều cao đường hàn chủ yếu hạn chế sự chuyển vị của lõi bê tông Điều này

có thể kết luận rằng chiều cao đường hàn không ảnh hưởng lớn đến cường độ chịu lực của cột Để giải thích điều này đầu tiên dựa vào hiệu ứng giam cầm thông qua chuyển vị ngang của lõi bê tông và ống thép cho trong hình Hình Chuyển vị ngang của lõi bê tông trong mô hình 3 nhỏ hơn trong mô hình 5 7.42 % tại khu vực giữa hai đường hàn

đầu tiên tính từ đỉnh cột Nhưng chuyển vị ngang ống thép của mô hình 5 lại bắt đầu sớm hơn tại vị trí 400mm so với mô hình 3 bắt đầu tại vị trí 600 mm

Distance along tube [mm]

Lateral dis in steel sample 03

0 1 2 3 4 5 6

Distance along tube [mm]

Lateral dis in concrete sample 03

a) b)

Hình.3.6.Chuyển vị ngang của lõi bê tông và ống thép dọc trục cột mô

hình số_3&5:

a) Ống thép, b) Lõi bê tông

Do hiệu ứng nở hông giữa hai mô hình 3 & 5 không lớn, do đó áp lực tiếp xúc của lõi bê tông tác động lên thành ống thép trong hai trường hợp không lệch nhau lớn Kết quả này được trình bày trong hình Hình Đây chính là lý do sự chênh lệch của điểm giới hạn giữa hai mô hình không lớn Kết quả này cho thấy chiều cao của đường hàn không ảnh hưởng lớn đến cường độ chịu lực