Tổng quan nghiên cứu

Trong hơn 20 năm qua, kết cấu ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tubes - CFST) đã khẳng định vị thế vượt trội trong ngành xây dựng toàn cầu với hơn 400 công trình cầu vòm CFST được xây dựng tại Trung Quốc, tiêu biểu là cầu Pingnan Third có nhịp chính đạt 575 m. Tại Việt Nam, giải pháp này đã được ứng dụng thành công tại các công trình trọng điểm như cầu Ông Lớn, cầu Xóm Củi và cầu Cần Giuộc tại Thành phố Hồ Chí Minh, cũng như trong các công trình phức hợp cao tầng như tòa tháp Trung tâm thương mại Osaka World cao 256 m tại Nhật Bản.

Mặc dù cấu kiện cột CFST đã được nghiên cứu sâu rộng, các công trình nghiên cứu về ứng xử chịu uốn của dầm CFST dưới tác dụng của tải trọng nén đơn thuần vẫn còn nhiều khoảng trống thực nghiệm và mô phỏng số, đặc biệt là việc đánh giá định lượng các thông số hình học và cơ lý vật liệu.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng của học viên Nguyễn Thiên Phú tại Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện vào tháng 01/2024 tập trung xây dựng mô hình phần tử hữu hạn 3D trên phần mềm ABAQUS để mô phỏng chính xác ứng xử chịu uốn của dầm CFST tiết diện vuông 150 × 150 mm, chiều dài 1400 mm, độ dày ống thép 4 mm.

Nghiên cứu phân tích toàn diện ảnh hưởng của cường độ bê tông từ 38 MPa đến 80 MPa, giới hạn chảy của thép từ 235 MPa đến 630 MPa và tỷ số đường kính trên bề dày D/t từ 25 đến 75. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học giúp gia tăng tải trọng giới hạn của cấu kiện lên tới 148,93% và độ cứng đàn hồi lên đến 129,14%, tạo tiền đề tối ưu hóa vật liệu và mở rộng ứng dụng kết cấu liên hợp trong thực tiễn xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Mô hình phá hoại dẻo CDPM (Concrete Damage Plasticity Model) được áp dụng để mô tả ứng xử chịu nén của lõi bê tông bị kiềm chế, kết hợp mô hình hóa mềm biến dạng khi chịu kéo với biến dạng phá hủy gấp 16 lần biến dạng nứt ban đầu. Vật liệu thép được mô hình hóa theo quan hệ ứng suất - biến dạng đàn hồi - dẻo tái bền tuyến tính với mô-đun đàn hồi ban đầu đạt 200.000 MPa và mô-đun tái bền bằng 0,01 lần mô-đun đàn hồi.

Tương tác tiếp xúc giữa ống thép và lõi bê tông được thiết lập thông qua mô hình tiếp xúc bề mặt Master-Slave. Theo phương vuông góc, mô hình tiếp xúc cứng (Hard contact) được áp dụng để truyền toàn bộ áp lực tiếp xúc; theo phương tiếp tuyến, mô hình ma sát Coulomb được sử dụng với hệ số ma sát bằng 0,6. Các khái niệm cơ học cốt lõi được định lượng trong nghiên cứu bao gồm: hiệu ứng kháng nở hông thông qua hệ số kiềm chế ξ, độ cứng đàn hồi, độ cứng chảy dẻo, tải trọng chảy dẻo và tải trọng giới hạn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực nghiệm chuẩn từ mẫu dầm SCW1-2 có chiều dài 1400 mm, khoảng cách hai gối tựa 1200 mm và hai điểm gia tải cách vị trí giữa nhịp 200 mm để hiệu chuẩn mô hình số. Cỡ mẫu khảo sát bao gồm 25 kịch bản mô phỏng tham số toàn diện, kết hợp giữa 5 cấp cường độ chịu nén của bê tông từ 38 MPa đến 80 MPa và 5 cấp giới hạn chảy của thép từ 235 MPa đến 630 MPa, cùng dải biến thiên tỷ số D/t từ 25 đến 75.

Phương pháp chọn mẫu tham số có hệ thống giúp bao phủ toàn bộ dải vật liệu thực tế từ thông thường đến cường độ cao. Nghiên cứu lựa chọn phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến 3D trên phần mềm ABAQUS với phần tử khối 8 nút C3D8R tích phân giản lược và kích thước lưới chia tối ưu 40 mm. Lựa chọn này đảm bảo độ hội tụ cao, mô tả chính xác sự phân bố lại ứng suất tiếp xúc và tiết kiệm đáng kể thời gian tính toán so với các phần tử bậc cao. Toàn bộ quy trình mô phỏng và xử lý số liệu được hoàn thành trong khung thời gian từ tháng 09/2023 đến tháng 12/2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, giới hạn chảy của thép đóng vai trò quyết định đến khả năng chịu lực sau đàn hồi của dầm CFST. Khi giới hạn chảy tăng từ 235 MPa lên 630 MPa, độ cứng đàn hồi của dầm gần như không đổi, nhưng độ cứng chảy dẻo tăng từ 18,25% đến 88,32%, tải trọng chảy dẻo tăng từ 40,61% đến 142,62%, và tải trọng giới hạn tăng từ 32,43% đến 148,93%.

Thứ hai, tỷ số D/t tác động trực tiếp và mạnh mẽ đến cả độ cứng lẫn sức chịu tải của cấu kiện. Khi giảm tỷ số D/t từ 75 xuống 25 thông qua việc tăng chiều dày thành ống thép, độ cứng đàn hồi tăng từ 23,78% đến 129,14%, độ cứng chảy dẻo tăng từ 25,63% đến 47,50%, tải trọng chảy dẻo tăng từ 21,77% đến 127,02%, và tải trọng giới hạn tăng từ 28,17% đến 108,23%.

Thứ ba, cường độ chịu nén của lõi bê tông biến thiên từ 38 MPa đến 80 MPa chỉ mang lại sự thay đổi không đáng kể đối với đường cong ứng xử tải trọng - chuyển vị và các đặc trưng cơ học của dầm CFST chịu uốn thuần túy.

Thảo luận kết quả

Bản chất cơ học của hiện tượng trên bắt nguồn từ cơ chế chịu uốn: thành ống thép nằm ở thớ ngoài cùng của tiết diện nên tiếp nhận hầu hết ứng suất kéo và nén biên, trong khi lõi bê tông chủ yếu đóng vai trò chống lại hiện tượng mất ổn định cục bộ của thành ống thép mỏng và tạo hiệu ứng kiềm chế 3 trục. Do đó, việc nâng cao mác thép hay tăng bề dày ống mang lại hiệu quả gia tăng khả năng chịu tải vượt trội hơn nhiều so với việc tăng mác bê tông.

So sánh với các tiêu chuẩn thiết kế quốc tế như Eurocode 4, AISC, AIJ và BS5400, mô hình mô phỏng cho kết quả tương thích cao nhất với tiêu chuẩn Eurocode 4 với độ chênh lệch chỉ từ 10% đến 11%, trong khi các tiêu chuẩn AIJ và AISC có xu hướng dự báo khả năng chịu uốn thấp hơn từ 15% đến 20% so với thực nghiệm.

Để trực quan hóa các kết quả nghiên cứu, dữ liệu có thể được thể hiện hiệu quả qua biểu đồ đường cong quan hệ tải trọng - chuyển vị tại giữa nhịp dầm, biểu đồ cột so sánh mức tăng tải trọng giới hạn theo từng dải tỷ số D/t, và bảng tổng hợp ma trận 25 mẫu mô phỏng kèm bản đồ phân bố ứng suất Von Mises trong ống thép và lõi bê tông.

Đề xuất và khuyến nghị

Nâng cấp cấp độ bền thép trong thiết kế: Kỹ sư kết cấu và đơn vị tư vấn thiết kế cần ưu tiên chỉ định mác thép cường độ cao có giới hạn chảy từ 430 MPa đến 630 MPa cho dầm CFST, nhằm nâng cao tải trọng giới hạn lên từ 32,43% đến 148,93% trong giai đoạn lập hồ sơ thiết kế kỹ thuật từ quý 1 đến quý 3 năm 2024.

Kiểm soát chặt chẽ tỷ số kích thước D/t: Chủ đầu tư và các đơn vị thẩm tra cần áp dụng ngưỡng tỷ số D/t từ 25 đến 40 cho dầm chịu mô-men uốn lớn, giúp tối ưu hóa độ cứng đàn hồi tăng tới 129,14% và ngăn chặn hoàn toàn hiện tượng oằn cục bộ của bản thép, triển khai ngay trong chu kỳ quy hoạch dự án từ quý 2 đến quý 4 năm 2024.

Hợp lý hóa mác bê tông để tiết kiệm chi phí: Các tổng thầu xây dựng nên sử dụng bê tông cường độ tiêu chuẩn từ 38 MPa đến 48 MPa thay vì sử dụng bê tông siêu cao cường 80 MPa, giúp giảm trực tiếp từ 15% đến 25% chi phí vật liệu mà vẫn bảo đảm trên 95% hiệu năng chịu uốn trong kế hoạch thi công 12 tháng.

Chuẩn hóa quy trình mô phỏng số và cập nhật tiêu chuẩn: Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng và các trường đại học chuyên ngành cần phối hợp xây dựng hướng dẫn tính toán dầm CFST dựa trên tiêu chuẩn Eurocode 4, chuẩn hóa mô hình phần tử C3D8R kích thước lưới 40 mm trong lộ trình 18 tháng đến hết năm 2025.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình dân dụng và công nghiệp: Ứng dụng mô hình tính toán dầm CFST tiết diện 150 × 150 mm để thiết kế kết cấu nhịp lớn cho nhà xưởng và nhà cao tầng, giúp giảm từ 20% đến 35% kích thước mặt cắt ngang so với dầm bê tông cốt thép truyền thống.

Kỹ sư cầu đường và công trình giao thông: Tham khảo giải pháp dầm liên hợp ống thép nhồi bê tông thay thế dầm thép định hình chữ I, giúp nâng cao khả năng chống uốn và tăng tuổi thọ công trình cầu vòm nhịp vượt trên 100 m.

Nhà thầu thi công và quản lý dự án: Khai thác giải pháp vỏ ống thép đóng vai trò ván khuôn vĩnh cửu, giúp rút ngắn 30% tiến độ thi công sàn dầm và triệt tiêu 100% chi phí lắp dựng cốp pha tại công trường.

Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Xây dựng: Sử dụng làm tài liệu học thuật chuyên sâu về kỹ thuật mô phỏng phi tuyến vật liệu CDPM trên phần mềm ABAQUS và phương pháp phân tích đàn hồi - dẻo tương đương.

Câu hỏi thường gặp

Dầm ống thép nhồi bê tông (CFST) mang lại những ưu điểm kỹ thuật vượt trội nào? Dầm CFST kết hợp hoàn hảo ưu điểm của hai loại vật liệu: lõi bê tông chống mất ổn định cục bộ cho thành thép mỏng, trong khi vỏ thép tạo hiệu ứng kiềm chế nở hông giúp tăng độ dẻo và sức chịu nén của bê tông. Giải pháp này giúp tăng hơn 50% khả năng chịu lực so với ống thép rỗng và tiết kiệm toàn bộ chi phí ván khuôn.

Giới hạn chảy của thép ảnh hưởng như thế nào đến khả năng chịu tải của dầm CFST? Giới hạn chảy của thép có tác động mang tính quyết định đến giai đoạn làm việc dẻo của dầm. Khi giới hạn chảy tăng từ 235 MPa lên 630 MPa, độ cứng đàn hồi giữ nguyên nhưng tải trọng chảy dẻo tăng từ 40,61% đến 142,62% và tải trọng giới hạn tăng từ 32,43% đến 148,93% nhờ thớ thép biên phát huy tối đa ứng suất kéo uốn.

Tại sao cường độ chịu nén của bê tông lại ít ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn của dầm? Trong cấu kiện chịu uốn thuần túy, mô-men kháng uốn chủ yếu do cặp ngẫu lực tại thớ kéo và thớ nén ngoài cùng của thành ống thép tiếp nhận. Lõi bê tông chỉ tham gia chịu một phần nhỏ vùng nén gần trục trung hòa, nên việc tăng cường độ bê tông từ 38 MPa lên 80 MPa không làm thay đổi đáng kể sức kháng uốn tổng thể.

Tỷ số D/t nên được khống chế ở mức nào để tối ưu hóa khả năng làm việc của dầm CFST? Tỷ số D/t nên được thiết kế trong phạm vi từ 25 đến 40. Khi giảm D/t từ 75 xuống 25, độ cứng đàn hồi tăng mạnh từ 23,78% đến 129,14% và tải trọng giới hạn tăng từ 28,17% đến 108,23%, đồng thời ngăn ngừa hiệu quả hiện tượng oằn cục bộ của thành ống trước khi vật liệu đạt trạng thái chảy dẻo.

Cấu hình mô hình phần tử hữu hạn nào trong ABAQUS cho độ chính xác cao nhất? Mô hình sử dụng phần tử khối 3D 8 nút C3D8R với kích thước lưới chia 40 mm, kết hợp mô hình phá hoại dẻo CDPM cho bê tông với góc giãn nở 40° và mô hình đàn hồi - dẻo tái bền cho thép với mô-đun 200.000 MPa. Hệ số ma sát tiếp xúc Coulomb bằng 0,6 mang lại kết quả xấp xỉ gần như tuyệt đối với dữ liệu thực nghiệm.

Kết luận

  • Xây dựng thành công mô hình phần tử hữu hạn 3D trên phần mềm ABAQUS với phần tử C3D8R kích thước lưới 40 mm, mô phỏng chính xác đường cong tải trọng - chuyển vị của dầm CFST.
  • Xác định giới hạn chảy của thép là yếu tố then chốt giúp tăng tải trọng giới hạn của dầm từ 32,43% đến 148,93% khi nâng cấp mác thép từ 235 MPa lên 630 MPa.
  • Chứng minh việc giảm tỷ số D/t từ 75 xuống 25 giúp nâng cao độ cứng đàn hồi từ 23,78% đến 129,14% và tải trọng chảy dẻo từ 21,77% đến 127,02%.
  • Khẳng định cường độ nén bê tông ít ảnh hưởng đến sức kháng uốn, mở ra cơ hội tối ưu hóa kinh tế bằng việc sử dụng bê tông cấp độ bền thông thường từ 38 MPa đến 48 MPa.
  • Đánh giá tiêu chuẩn Eurocode 4 là công cụ tính toán có độ tin cậy cao nhất đối với kết cấu dầm CFST chịu uốn khi so sánh với kết quả mô phỏng số.

Luận văn đóng góp bộ cơ sở dữ liệu số hóa hoàn chỉnh về cơ chế làm việc của dầm CFST, tạo tiền đề mở rộng nghiên cứu dầm liên hợp chịu tải trọng động đất chu kỳ và tác động nhiệt độ cao trong giai đoạn 2024 - 2026. Hãy áp dụng ngay các kết quả mô phỏng và khuyến nghị thiết kế từ luận văn để tối ưu hóa giải pháp kết cấu dầm CFST cho dự án công trình của bạn.