Chương 1 nêu lên lý do thực hiện đề tài nghiên cứu, mục đích nghiên cứu, đối tượng, và phạm vi nghiên cứu. Ngoài ra, phương pháp và ý nghĩa nghiên cứu cũng được trình bày trong chương này. Chương 2 trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu kết cấu CFST. Chương này được chia làm 2 phần bao gồm tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về các vấn đề liên quan đến đề tài nghiên cứu.
Các vấn đề này được tổng kết và nhận xét để rút ra định hướng nghiên cứu của luận văn. Chương 3 giới thiệu về phần mềm ABAQUS, đây là phần mềm được sử dụng để mô phỏng dầm CFST. Tiếp theo, chương này đề cập đến cơ sở lý thuyết về mô hình vật liệu của bê tông khi chịu nén và kéo, mô hình vật liệu của thép để khai báo trong phần mềm ABAQUS. Bên cạnh đó, lý thuyết về tương tác giữa ống thép và lõi bê tông cũng được giới thiệu trong chương này.
Sau cùng là phần trình bày về loại phần tử được sử dụng trong ABAQUS. Chương 4 trình bày các bước mô phỏng ứng xử chịu uốn của dầm CFST bằng phần mềm ABAQUS. Kết quả mô phỏng được trình bày bao gồm: kết quả chuyển vị, phân bố ứng suất trong ống thép và lõi bê tông. Kết quả mô phỏng sẽ được so sánh với kết quả thí nghiệm thực tiễn dựa trên phương diện đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị.
Trên cơ sở mô hình đã mô phỏng, chương này nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ số D/t, cường độ bê tông và thép đối với ứng xử của dầm CFST. Từ các kết quả thu được ở chương 4, chương 5 rút ra một số kết luận quan trọng về điểm mạnh và điểm yếu của phương pháp kèm với các kiến nghị cho những nghiên cứu tiếp theo. Mục tài liệu tham khảo trong luận văn trích dẫn các tài liệu liên quan phục vụ cho mục đích nghiên cứu của đề tài. Tổng quan 7 CHƯƠNG 2.
TỔNG QUAN Trong chương này, tình hình nghiên cứu ở nước ngoài được trình bày ở phần 2. Tình hình nghiên cứu trong nước được trình bày ở phần 2. Từ các kết quả nghiên cứu này, một số kết luận được trình bày trong phần 2. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Elchalakani và cộng sự [8] đã thực hiện thí nghiệm nghiên cứu ứng xử của ống CFST tiết diện tròn chịu uốn.
Thí nghiệm bao gồm 12 mẫu CFST có cùng chiều dài 1500 mm. Mẫu thử được đặt trên hệ thống uốn thuần túy được thiết kế và vận hành tại Đại học Monash. Ưu điểm của hệ thống này là khả năng tác dụng moment uốn thuần túy tại giữa nhịp của mẫu thử mà không tạo ra lực dọc trục hoặc lực cắt đáng kể. Tác giả đã khảo sát ảnh hưởng của đại lượng D/t đến cấu kiện CFST bằng cách cho tỷ số D/t thay đổi từ 12 đến 110.
Bên cạnh đó, tác giả cũng so sánh ứng xử của cấu kiện CFST với thép ống tròn rỗng. Kết quả thí nghiệm cho thấy khi tỷ số D/t ≤ 40 thì việc nhồi bê tông vào trong ống thép giúp ngăn cản sự mất ổn định cục bộ và việc bê tông được nhồi trong ống thép giúp tăng cường độ bền, độ dẻo, và khả năng hấp thụ năng lượng. Ngoài ra, công thức tính khả năng chịu uốn giới hạn của CFST được xác định dựa trên các khối ứng suất dẻo theo các tiêu chuẩn như AISC, AIJ, CIDECT, và EC4 phù hợp với kết quả thí nghiệm. Han [9] đã thực hiện thí nghiệm nghiên cứu khả năng chịu uốn của 16 mẫu dầm CFST tiết diện vuông và chữ nhật.
Thí nghiệm uốn 4 điểm với các dầm đều có chiều dài 1100 mm. Bên cạnh đó, tác giả đã thiết lập mô hình PTHH khảo sát sự ảnh hưởng của các đại lượng như tỷ số chiều cao trên chiều rộng mặt cắt tiết diện từ 1 đến 2, tỷ số độ mảnh của ống thép từ 20 đến 50 đối với khả năng chịu uốn của dầm. Kết quả cho thấy đường cong ứng xử tải trọng – chuyển vị từ kết quả mô phỏng có hình dạng tương đương với kết quả thí nghiệm. Từ đó, tác giả đề xuất phương pháp đơn giản hóa tính toán khả năng chịu uốn của dầm CFST dựa trên mô hình đã thiết lập.
Khả năng chịu uốn của dầm từ kết quả mô phỏng và thí nghiệm được so sánh với giá trị Tổng quan 8 tính toán theo các tiêu chuẩn AIJ-1997, BS5400-1979, EC4-1994, LRFD-AISC (1999) và phương pháp được đề xuất. Nhìn chung, khả năng chịu uốn tính toán theo tiêu chuẩn AIJ (1997) và LRFD-AISC (1999) thấp hơn khoảng 20% so với thí nghiệm, khả năng chịu uốn tính toán theo tiêu chuẩn BS5400 (1979) thấp hơn khoảng 12% so với thí nghiệm. EC4 (1994) và phương pháp đề xuất có kết quả thấp hơn khoảng 10% so với kết quả thí nghiệm. Nghiên cứu này là cơ sở thiết lập công thức tính toán khả năng chịu uốn của dầm CFST tiết diện vuông và chữ nhật để đưa vào tiêu chuẩn thiết kế.
Gho và Liu [10] đã thực hiện thí nghiệm kiểm tra khả năng chịu uốn của dầm CFST chịu tải trọng nén đơn giản. Thí nghiệm bao gồm 12 ống thép rỗng dài 1600 mm tiết diện chữ nhật với các kích thước mặt cắt ngang là 150 × 150 mm, 200 × 150 mm, và 250 × 150 mm có giới hạn chảy lần lượt là 438 MPa, 495 MPa, và 409 MPa. Bê tông cường độ cao (f’c = 56,3 - 90,9 MPa) được đổ vào trong các ống thép. Sự mất ổn định cục bộ được ghi nhận cụ thể trên bề mặt mẫu thí nghiệm.
Trong thí nghiệm, độ biến dạng và độ võng của mẫu lần đầu tiên được ghi lại ở khoảng tải bằng 5% tải trọng phá hủy. Đối với tất cả các mức tải trọng, việc gia tải được tạm dừng trong một phút để ổn định độ dẻo của thép và vết nứt của bê tông. Vết nứt bê tông xuất hiện đầu tiên được ghi nhận ở mức tải trọng xấp xỉ 50 kN đối với mẫu B01 đến B04, 80 kN đối với mẫu B05 đến B08, và 100 kN đối với mẫu B09 đến B12. Sau khi mẫu bị uốn, tải trọng được tác dụng liên tục.
Kết quả thí nghiệm sẽ được so sánh với các giá trị được tính toán từ các công thức thiết kế trong EC4, ACI, và AISC. Để tăng độ tin cậy cho kết quả nghiên cứu, khả năng chịu uốn từ kết quả thí nghiệm được so sánh với kết quả tính toán theo các tiêu chuẩn EC4, ACI, và AISC. Kết quả cho thấy giá trị tính toán khả năng chịu uốn theo tiêu chuẩn EC4 có độ chênh lệch nhỏ nhất so với kết quả thí nghiệm là 11%. Mặt khác, kết quả tính toán theo tiêu chuẩn ACI và AISC thấp hơn khả năng chịu uốn của mẫu thử lần lượt là 15 và 18%.
So sánh với dữ liệu thí nghiệm nghiên cứu trước đây cho thấy tiêu chuẩn EC4, ACI và AISC dự đoán chính xác cường độ chịu uốn lần lượt là 9, 12, và 15%. Tác giả cũng nhận định cần Tổng quan 9 có thêm nhiều nghiên cứu để có độ chính xác cao hơn khi thiết kế cột CFST tiết diện chữ nhật. Moon và cộng sự [11] đã thiết lập mô hình PTHH bằng phần mềm ABAQUS để mô phỏng ứng xử chịu uốn của CFST tiết diện tròn. Ống thép được mô phỏng có đường kính và độ dày lần lượt là 508 mm và 6,4 mm.
Cường độ chịu nén của bê tông f c là 84 MPa và giới hạn chảy của thép fy là 521 MPa. Dầm CFST có chiều dài 5490 mm với tải tuần hoàn được tác dụng tại giữa nhịp. Tác giả khảo sát ảnh hưởng của hệ số ma sát thông qua quan hệ moment – độ trượt và quan hệ độ trôi – độ trượt. Kết quả cho thấy độ trượt mô phỏng bị ảnh hưởng đáng kể bởi hệ số ma sát, trong khi ảnh hưởng của hệ số ma sát đến cường độ giới hạn là ít đáng kể hơn.
Hệ số ma sát 0,47 dự đoán tốt nhất về cả lực cản và độ trượt, và giá trị này được chọn để sử dụng trong mô hình phân tích. Bên cạnh đó, tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ số độ mảnh của ống thép (D/t) và tính chất của vật liệu đối với hiệu ứng kháng nở hông, tương tác liên hợp, và ứng xử của cấu kiện CFST. Các kết quả phân tích được so sánh với các thí nghiệm và mô hình nghiên cứu trước đó. Kết quả cho thấy việc giảm tỷ số giới hạn chảy của thép trên cường độ chịu nén của bê tông ( f y / f c ) làm chậm quá trình gây mất ổn định cục bộ và tăng khả năng chịu uốn của CFST.
Mặt khác, tỷ số độ mảnh D/t ít ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn của cấu kiện này. Nghiên cứu này là cơ sở thiết kế khả năng chịu uốn của cấu kiện CFST. Wang và cộng sự [12] nghiên cứu khả năng chịu uốn của dầm CFST tiết diện chữ nhật nhồi bê tông bằng cách thiết lập mô hình phần tử hữu hạn. Khả năng chịu uốn và đường cong ứng xử moment - chuyển vị tại vị trí giữa nhịp từ kết quả thí nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng.
Các mẫu dầm được thí nghiệm uốn 3 điểm và 4 điểm. Các mẫu được nạp theo phương pháp tải 3 điểm hoặc 4 điểm. Đường quan hệ moment − độ võng của kết quả mô phỏng có sự tương đồng giữa đường cong tải trọng so với biến dạng dự đoán và kết quả thu được từ các thí nghiệm. Khi chịu uốn, dầm CFST tiết diện chữ nhật nhìn chung trải qua các giai đoạn biến dạng đàn hồi, đàn hồi − dẻo, và biến dạng dẻo.
Không có đường cong giảm dần rõ ràng cho đến khi mẫu Tổng quan 10 đạt được độ bền giới hạn. Độ võng của dầm có thể lớn hơn hoặc bằng 1/10 chiều dài dầm và độ võng giữa nhịp đạt tới 10 lần chiều cao mặt cắt tiết diện. Các mẫu CFST tiết diện chữ nhật chịu uốn có đặc tính rất dẻo. Trong thực nghiệm, vết nứt của bê tông ở vùng chịu kéo làm giảm độ cứng của các cấu kiện liên hợp.
Tuy nhiên, trong mô phỏng, vết nứt bê tông ở mức ứng suất thấp sẽ được bỏ qua. Do đó, có sự khác biệt về độ cứng đàn hồi giữa kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng ở giai đoạn đàn hồi. Trong giai đoạn đàn hồi − dẻo và giai đoạn dẻo, giá trị moment từ kết quả mô phỏng phù hợp với các kết quả thí nghiệm. Kết quả kiểm chứng cho thấy mô hình được mô phỏng đúng ứng xử chịu uốn của cấu kiện dầm CFST.
