Nghiên cứu ứng xử của bê tông chịu nén có vỏ bao quanh tại HCMUTE

Phân tích toàn diện ứng xử bê tông chịu nén có vỏ bao quanh tại HCMUTE, đề xuất mô hình mới, nâng cao hiệu quả ứng dụng trong chuyên ngành

• Tác giả: Lê Văn Hải
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Duy Liêm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Xử Của Bê Tông Chịu Nén Có Vỏ Bao Quanh
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Khái niệm cơ bản
• 1.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC VẤN ĐỀ CẦN LÀM RÕ
• 2.1. Tiêu chuẩn nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu sử dụng trong luận văn
• 2.2. Nhận xét tổng quan tài liệu
• 3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Thiết kế thí nghiệm
• 3.2. Mô phỏng phần mềm Abaqus
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Phân tích kết quả thí nghiệm
• 4.2. So sánh mô phỏng và thực nghiệm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• PHỤ LỤC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu ứng xử của bê tông chịu nén có vỏ bao quanh tại HCMUTE tập trung vào việc phân tích và đánh giá hiệu quả của các loại vỏ bao quanh như nhựa uPVC và thép. Mục tiêu chính là xác định khả năng chịu tải và độ bền của lõi bê tông khi được bao bọc bởi các vật liệu khác nhau. Các mẫu thí nghiệm được thiết kế với kích thước đồng nhất, cho phép so sánh trực tiếp giữa các loại vỏ. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp thông tin quý giá cho ngành công trình xây dựng và ứng dụng thực tiễn trong thiết kế kết cấu. Việc sử dụng vỏ bao quanh không chỉ giúp tăng cường độ bền mà còn cải thiện khả năng chịu biến dạng của bê tông, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng trong các công trình xây dựng.

II. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện thông qua phương pháp thực nghiệm kết hợp với phân tích lý thuyết và mô phỏng bằng phần mềm Abaqus. Các mẫu thí nghiệm được chia thành ba loại kích thước khác nhau, sử dụng hai loại mác bê tông M200 và M300. Đặc biệt, nghiên cứu chú trọng đến việc thay đổi độ dày của vỏ bao quanh để đánh giá ảnh hưởng đến sức chịu tải của lõi bê tông. Kết quả thu được từ các thí nghiệm cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các loại vỏ, với vỏ thép cho thấy hiệu quả vượt trội hơn so với vỏ nhựa. Phân tích lý thuyết cũng được thực hiện để thiết lập mối liên hệ giữa vỏ và lõi, từ đó đưa ra các công thức dự đoán sức kháng nén của cột tròn.

III. Kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng vỏ bao quanh có tác động tích cực đến cường độ nén của lõi bê tông. Cụ thể, cường độ nén của lõi bê tông tăng lên từ 1,2 đến 1,5 lần khi sử dụng vỏ nhựa, và từ 3,0 đến 3,5 lần khi sử dụng vỏ thép. Bên cạnh đó, khả năng chịu biến dạng của lõi bê tông cũng được cải thiện đáng kể, với mức tăng từ 2 đến 2,7 lần cho vỏ nhựa và khoảng 3 đến 5 lần cho vỏ thép. Những kết quả này không chỉ khẳng định vai trò quan trọng của vỏ bao quanh trong việc nâng cao hiệu suất của bê tông mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng.

IV. Kết luận

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng vỏ bao quanh cho bê tông chịu nén là một giải pháp hiệu quả để nâng cao cường độ và khả năng chịu tải của kết cấu. Các kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho thấy sự tương thích giữa lý thuyết và thực tiễn, đồng thời cung cấp cơ sở cho việc áp dụng trong thiết kế kết cấu. Từ đó, nghiên cứu khuyến nghị việc áp dụng các loại vỏ khác nhau trong các công trình xây dựng nhằm tối ưu hóa hiệu suất và độ bền của bê tông. Những phát hiện này có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu và ứng dụng trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp, việc nâng cao khả năng chịu nén của bê tông là một vấn đề quan trọng nhằm tối ưu hóa thiết kế kết cấu, giảm tiết diện cột và tăng hiệu quả sử dụng không gian. Theo ước tính, việc sử dụng vỏ bao quanh lõi bê tông có thể cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của cột bê tông chịu nén. Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu ứng xử nén của bê tông chịu nén có vỏ bao quanh không liên hợp, sử dụng hai loại vật liệu vỏ là nhựa uPVC và thép, với các mẫu thí nghiệm có kích thước và chiều dày vỏ khác nhau. Mục tiêu chính là đánh giá ảnh hưởng của vỏ bao quanh đến cường độ nén và khả năng biến dạng của lõi bê tông, đồng thời thiết lập mối quan hệ lý thuyết giữa vỏ và lõi bê tông dưới tác dụng nén. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào cột bê tông tròn với hai loại mác bê tông M200 và M300, kích thước mẫu từ 200×114 mm đến 600×168 mm, và các độ dày vỏ nhựa từ 0 đến 4,3 mm, vỏ thép từ 0 đến 1,8 mm. Nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc ứng dụng kết cấu bê tông có vỏ bao quanh nhằm tăng cường khả năng chịu lực, giảm vật liệu và thời gian thi công, đồng thời nâng cao tuổi thọ công trình nhờ khả năng chống xâm thực của vỏ nhựa. Các kết quả nghiên cứu được kỳ vọng góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học và kỹ thuật cho việc thiết kế và ứng dụng kết cấu bê tông chịu nén có vỏ bao quanh trong xây dựng hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về cơ học vật liệu và kết cấu bê tông chịu nén, trong đó có:

• Định luật Hooke: Mối quan hệ ứng suất - biến dạng đàn hồi trong trạng thái ứng suất khối tại một điểm, đặc biệt chú trọng đến biến dạng nở hông của bê tông và sự tương tác với vỏ bao quanh.

• Cơ chế phá hoại của cột nhiều vật liệu liên hợp: Phân biệt giữa phá hoại bền (liên quan đến kháng cơ học) và phá hoại do mất ổn định (liên quan đến độ mảnh cột), áp dụng công thức tính lực nén tới hạn theo Euler và các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành.

• Cơ chế truyền lực ma sát và liên kết giữa lõi bê tông và vỏ: Xem xét hệ số ma sát giữa bê tông và vật liệu vỏ (thép và nhựa uPVC), ảnh hưởng của sự bám dính và cơ chế cài lẫn trên bề mặt tiếp xúc.

• Mô hình phân bố ứng suất và biến dạng trong lõi bê tông và vỏ thép: Thiết lập phương trình cân bằng tĩnh học lực ngang và mối quan hệ biến dạng kéo căng vỏ và biến dạng nở hông lõi bê tông, từ đó giải thích cơ chế tăng cường cường độ nén lõi bê tông khi có vỏ bao quanh.

Các khái niệm chính bao gồm: cường độ nén bê tông, biến dạng nở hông, ứng suất vòng trong vỏ, hệ số ma sát bề mặt, và mối liên hệ biến dạng đồng thời giữa lõi và vỏ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp hai phương pháp chính:

• Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thí nghiệm nén các mẫu bê tông lõi có vỏ bao quanh bằng nhựa uPVC và thép với các kích thước mẫu L1 (200×114 mm), L2 (600×114 mm), L3 (600×168 mm). Các mẫu được chế tạo với hai loại mác bê tông M200 và M300, vỏ nhựa có độ dày 0, 3,2 mm, 3,8 mm, 4,3 mm; vỏ thép có độ dày 0, 1,4 mm, 1,8 mm. Cỡ mẫu tổng cộng khoảng 40 mẫu, được nén trên máy UTM với điều kiện chuẩn, đo đạc cường độ nén và biến dạng tương ứng.

• Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phần mềm Abaqus để xây dựng mô hình phân tích ứng xử nén của lõi bê tông có vỏ bao quanh. Mô hình được thiết lập chi tiết với các bước: tạo mô hình, chia vùng, gán vật liệu, chia lưới, xác định điều kiện biên và tải trọng, chạy mô phỏng và xuất kết quả. Kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả thực nghiệm để đánh giá độ chính xác, sai số dao động từ 4-17% tùy loại mẫu.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 2016 đến 2018, bao gồm giai đoạn chuẩn bị vật liệu, chế tạo mẫu, thí nghiệm thực tế và phân tích mô phỏng. Cỡ mẫu và phương pháp chọn mẫu đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy cao cho kết quả nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của vỏ bao quanh đến cường độ nén lõi bê tông: Kết quả thí nghiệm cho thấy vỏ thép giúp tăng cường độ nén lõi bê tông lên từ 3,0 đến 3,5 lần so với mẫu không vỏ, trong khi vỏ nhựa chỉ tăng khoảng 1,2 đến 1,5 lần. Ví dụ, mẫu lõi bê tông M200 có vỏ thép dày 1,8 mm đạt cường độ nén khoảng 210 MPa, gấp hơn 3 lần so với mẫu không vỏ đạt khoảng 70 MPa.

2. Khả năng chịu biến dạng của lõi bê tông: Lõi bê tông có vỏ thép bao quanh có khả năng chịu biến dạng tăng từ 3 đến 5 lần so với mẫu không vỏ, trong khi vỏ nhựa tăng từ 2 đến 2,7 lần. Điều này cho thấy vỏ thép không chỉ tăng cường cường độ mà còn cải thiện độ dẻo dai của kết cấu.

3. Ảnh hưởng của mác bê tông: Mác bê tông M200 có mức độ tăng cường độ nén cao hơn so với mác M300 khi có vỏ bao quanh. Sự gia tăng cường độ nén của lõi M200 với vỏ thép đạt khoảng 3,5 lần, trong khi lõi M300 chỉ tăng khoảng 3 lần.

4. Ảnh hưởng của chiều dày vỏ: Cường độ nén lõi bê tông tăng tuyến tính theo chiều dày vỏ, đặc biệt rõ rệt với vỏ thép. Công thức hồi quy tuyến tính được đề xuất để dự báo sức kháng nén của cột tròn theo chiều dày vỏ, giúp thiết kế kết cấu chính xác hơn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng cường độ và biến dạng chịu nén là do vỏ bao quanh hạn chế nở hông của lõi bê tông, tạo ra ứng suất vòng kéo trong vỏ, từ đó tăng khả năng chịu nén của lõi. Vỏ thép với mô đun đàn hồi cao và cường độ kéo đứt lớn hơn nhiều so với nhựa uPVC nên hiệu quả tăng cường rõ rệt hơn. Kết quả này phù hợp với lý thuyết về mối quan hệ biến dạng đồng thời giữa lõi và vỏ, cũng như các nghiên cứu quốc tế về kết cấu ống thép nhồi bê tông.

So sánh với các nghiên cứu trước đây về bê tông chịu nén có vỏ liên hợp, luận văn này mở rộng nghiên cứu cho trường hợp vỏ không liên hợp, góp phần làm rõ cơ chế tương tác và ứng xử nén của lõi bê tông trong điều kiện hạn chế nở hông. Biểu đồ ứng suất - biến dạng từ mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sự phù hợp tốt, mặc dù có sai số về sức kháng mô men từ 4-17%, điều này được giải thích do các giả định trong mô hình và điều kiện thực tế thí nghiệm.

Ý nghĩa của kết quả là giúp thiết kế kết cấu bê tông chịu nén có vỏ bao quanh hiệu quả hơn, giảm vật liệu, tăng độ bền và độ dẻo, đồng thời rút ngắn thời gian thi công nhờ tận dụng vỏ làm ván khuôn không tháo dỡ.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng vỏ thép bao quanh trong thiết kế cột chịu nén: Khuyến nghị sử dụng vỏ thép với độ dày từ 1,4 đến 1,8 mm để tăng cường cường độ và khả năng biến dạng của cột bê tông, đặc biệt cho các công trình có yêu cầu chịu lực cao. Thời gian thực hiện trong giai đoạn thiết kế và thi công công trình.

2. Sử dụng vỏ nhựa uPVC cho các công trình cần chống xâm thực: Đề xuất dùng vỏ nhựa dày từ 3,2 đến 4,3 mm tại các vị trí tiếp xúc với môi trường ăn mòn như vùng mực nước dao động, nhằm tăng tuổi thọ công trình và giảm chi phí bảo trì. Chủ thể thực hiện là các nhà thầu và kỹ sư thiết kế.

3. Phát triển công thức dự báo cường độ nén theo chiều dày vỏ: Khuyến khích áp dụng công thức hồi quy tuyến tính được đề xuất trong luận văn để tính toán chính xác sức kháng nén của cột tròn có vỏ bao quanh, giúp tối ưu hóa thiết kế kết cấu. Thời gian áp dụng ngay trong các dự án thiết kế mới.

4. Mở rộng nghiên cứu ứng xử nén cho các loại tiết diện khác và điều kiện tải trọng phức tạp: Đề xuất nghiên cứu tiếp theo về ứng xử nén của bê tông có vỏ bao quanh với tiết diện vuông, hình chữ nhật và chịu tải trọng uốn, kéo để hoàn thiện cơ sở khoa học. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và trường đại học trong vòng 2-3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu xây dựng: Nắm bắt cơ sở lý thuyết và kết quả thực nghiệm để áp dụng thiết kế cột bê tông chịu nén có vỏ bao quanh, tối ưu tiết diện và nâng cao hiệu quả kết cấu.

2. Nhà thầu thi công công trình dân dụng và công nghiệp: Hiểu rõ quy trình chế tạo mẫu, vật liệu sử dụng và lợi ích của vỏ bao quanh trong thi công, giúp rút ngắn thời gian và giảm chi phí thi công.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tham khảo phương pháp nghiên cứu kết hợp thực nghiệm và mô phỏng, cũng như các công thức dự báo cường độ nén, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo.

4. Chuyên gia tư vấn và quản lý dự án xây dựng: Đánh giá hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của việc sử dụng kết cấu bê tông có vỏ bao quanh, từ đó đưa ra các quyết định đầu tư và quản lý phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

1. Vỏ bao quanh có ảnh hưởng như thế nào đến cường độ nén của bê tông?
   Vỏ bao quanh hạn chế nở hông của lõi bê tông, tạo ứng suất vòng kéo trong vỏ, từ đó tăng cường độ nén lõi bê tông lên đến 3,5 lần với vỏ thép và 1,5 lần với vỏ nhựa uPVC, giúp kết cấu chịu lực tốt hơn.

2. Tại sao vỏ thép hiệu quả hơn vỏ nhựa uPVC trong việc tăng cường cường độ nén?
   Vỏ thép có mô đun đàn hồi và cường độ kéo đứt cao hơn nhiều so với nhựa uPVC, do đó khả năng hạn chế nở hông và chịu lực của vỏ thép vượt trội, dẫn đến tăng cường độ nén lõi bê tông lớn hơn.

3. Mác bê tông nào phù hợp hơn khi sử dụng vỏ bao quanh?
   Mác bê tông M200 cho thấy mức độ tăng cường độ nén cao hơn so với M300 khi có vỏ bao quanh, do bê tông mác thấp có khả năng biến dạng lớn hơn, tận dụng hiệu quả sự hạn chế nở hông của vỏ.

4. Phương pháp mô phỏng số có chính xác không?
   Mô phỏng bằng phần mềm Abaqus cho kết quả phù hợp với thực nghiệm, sai số về sức kháng mô men dao động từ 4-17%, cho thấy mô hình có độ tin cậy cao trong dự báo ứng xử nén của bê tông có vỏ bao quanh.

5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các loại tiết diện khác không?
   Hiện nghiên cứu chỉ tập trung vào cột tròn, tuy nhiên cơ sở lý thuyết và phương pháp có thể mở rộng cho các tiết diện khác trong các nghiên cứu tiếp theo nhằm hoàn thiện ứng dụng thực tế.

Kết luận

• Việc sử dụng vỏ bao quanh, đặc biệt là vỏ thép, giúp tăng cường đáng kể cường độ nén và khả năng biến dạng của lõi bê tông chịu nén, với mức tăng cường độ lên đến 3,5 lần và biến dạng chịu được tăng 5 lần.
• Mác bê tông M200 có hiệu quả tăng cường cao hơn so với M300 khi sử dụng vỏ bao quanh.
• Công thức hồi quy tuyến tính được đề xuất giúp dự báo chính xác sức kháng nén của cột tròn theo chiều dày vỏ, hỗ trợ thiết kế kết cấu hiệu quả.
• Mô phỏng bằng phần mềm Abaqus phù hợp với kết quả thực nghiệm, sai số trong phạm vi chấp nhận được, khẳng định tính khả thi của phương pháp mô phỏng số trong nghiên cứu kết cấu bê tông có vỏ bao quanh.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu cho các loại tiết diện khác, điều kiện tải trọng phức tạp và đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật trong thực tế xây dựng.

Để ứng dụng hiệu quả kết quả nghiên cứu, các kỹ sư và nhà quản lý dự án nên cân nhắc tích hợp vỏ bao quanh trong thiết kế và thi công các công trình chịu nén cao, đồng thời tiếp tục theo dõi các nghiên cứu phát triển mới trong lĩnh vực này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 – Tổng quan đề tài.2 Sự cần thiết của đề tài .2 Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước .1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước .2 Tình hình nghiên cứu trong nước.3 Một số công trình sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông .4 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu.1 Mục tiêu nghiên cứu .2 Phạm vi nghiên cứu .5 Phương pháp nghiên cứu.6 Tính mới của đề tài .7 Nội dung nghiên cứu .10 Chương 2 – Cơ sở khoa học .1 Định luật Hook .2 Phá hoại của cột có nhiều vật liệu liên hợp.3 Cơ chế phá hoại bê tông .4 Trạng thái ứng suất của vỏ .1 Trạng thái ứng suất của vỏ thép .2 Trạng thái ứng suất của vỏ nhựa uPVC .4 Liên kết cài lẫn vào nhau trên bề mặt .5 Cơ chế truyền lực ma sát giữa bê tông và vỏ .15 vi Luan van 2.6 Thiết lập mối quan hệ giữa hai vật liệu lõi-vỏ.15 Chương 3 – Nguyên vật liệu và tiến hành thí nghiệm .1 Sơ đồ thực hiện thí nghiệm .2 Các nguyên vật liệu phục vụ cho công tác chế tạo mẫu .1 Các nguyên vật liệu .2 Chuẩn bị vật liệu .4 Ống nhựa uPVC đường kính 114 .5 Ống thép đường kính 114 .6 Tính chất cơ lý của vỏ nhựa vỏ thép .3 Chế tạo mẫu thí nghiệm .1 Thiết kế cấp phối bê tông .2 Sản xuất vật liệu vỏ nhựa và vỏ thép…….3 Cân nguyên vật liệu .4 Nhào trộn nguyên liệu và đúc mẫu .4 Lắp đặt và thí nghiệm. 29 Chương 4 – Kết quả thí nghiệm và thảo luận .1 Ứng xử nén các mẫu thí nghiệm .2 Ảnh hưởng của chiều dày vỏ đến kháng nén của lõi bê tông .3 Ảnh hưởng của độ mảnh mẫu nén đến sức kháng nén của lõi bê tông.4 Ảnh hưởng của mác bê tông đến độ nhạy tăng cường độ nén .5 Ứng xử nứt khi mẫu bị phá hoại. 44 Chương 5 – Phân tích mô phỏng và so sánh thực nghiệm .47 vii Luan van 5.1 Thiết lập mô phỏng trên cơ sở phần mềm Abaqus .1 Giới thiệu tổng quan về phần mền Abaqus.2 Tính năng phần mềm Abaqus .3 Mục đích của việc mô phỏng. Mô phỏng cấu kiện bằng phần mềm Abaqus .1 Các bước của một mô hình phân tích.2 Xây dựng mô hình phân tích trên phần mềm Abaqus.1 Tạo mô hình .2 Chia vùng (Partition) cho chi tiết .3 Gán vật liệu và tính chất vật liệu cho các chi tiết .4 Chia lưới cho các chi tiết .5 Tạo cụm lắp ráp cho các chi tiết .6 Xác định các bước phân tích .7 Xác định điều kiện biên và đặt tải trọng .8 Chạy mô phỏng .9 Quan sát kết quả .10 Xuất kết quả và xử lý kết quả.

3 So sánh kết quả phân tích mô phỏng và thực nghiệm. 74 Chương 6 – Kết luận và hướng phát triển đề tài. 2 Hướng phát triển đề tài. 81 viii Luan van DANH SÁCH CÁC HÌNH TRANG Hình 1.1 Cấu kiện bê tông bị ăn mòn trong môi trường xâm thực [2] 2 Hình 1.2 Cầu Lupu ở Thượng Hải - Trung Quốc [5] 3 Hình 1.3 Cầu Ông Lớn trên đường Nguyễn Văn Linh khi đang xây 6 dựng[10] Hình 1.4 Cầu Ông Lớn trên đường Nguyễn Văn Linh khi hoàn thành[10] 6 Hình 1.5 Cầu Rồng của TP Đà Nẵng[11] 7 Hình 1.6 Mẫu nén cao 200mm (đường kính 114) 9 Hình 1.7 Mẫu nén nhựa cao 600 mm (Đường kính 114 và 168) 9 Hình 1.8 Mô phỏng mẫu chịu nén [9] 10 Hình 2.1 Trạng thái ứng suất khối tại một điểm [12] 11 Hình 2.2 Hệ số liên kết hai đầu [12] 12 Hình 2.3 Phá hoại mẫu nén hình lăng trụ [14] 14 Hình 2.4 Phân bố ứng suất khi nén lõi hình lăng trụ có vỏ bao xung quanh 15 Hình 3.1 Sơ đồ thực hiện thí nghiệm 18 Hình 3.2 Cát vàng thí nghiệm 19 Hình 3.3 Cốt liệu lớn (đá 1x2) 20 Hình 3.4 Nước dùng trộn bê tông [18] 21 Hình 3.5 Xi măng dùng để trộn bê tông 21 Hình 3.8 Gia công vỏ mẫu bằng nhựa uPVC đường kính 114 25 Hình 3.9 Gia công vỏ mẫu bằng thép đường kính 114 26 Hình 3.10 Công tác cân các loại vật liệu 27 Hình 3.11 Mẫu sau khi đổ xong 28 Hình 3.12 Mài mẫu trước khi ép 29 Hình 3.13 Máy UTM dùng nén mẫu 30 ix Luan van Hình 3.14 Thiết kế tấm đệm thép trên mặt lõi bê tông 30 Hình 4.1 (a) (b) Ứng xử nén của các mẫu cơ bản 33-34 Hình 4.2 (a) (b)Cường độ nén của các mẫu kích thước HxD=200x114 mm 35 Hình 4.3(a) (b) (c) (d) Ảnh hưởng của chiều dày vỏ đến cường độ nén 38-39 Hình 4.4 Ảnh hưởng của tham số độ mảnh (L/D) đến cường độ nén mẫu 42 Hình 4.5 (a) (b) Mức độ tăng cường độ nén khi có vỏ nhựa 43 Hình 4.6 (a) (b) (c) (d)Ảnh chụp mẫu bị phá hoại 45 Hình 5.1 Cửa sổ Create Part trong Abaqus 49 Hình 5.2 Cửa sổ Edit Dimension trong Abaquscted 50 Hình 5.3 Cửa sổ Edit Base Extrusion 50 Hình 5.4 Tạo chiều cao lõi trong Edit Base Extrusion 50 Hình 5.5 Tạo mô hình lõi bê tông 51 Hình 5.6 Cửa sổ Create Part trong Abaqus 51 Hình 5.7 Cửa sổ Edit Dimension trong Abaquscted 52 Hình 5.8 Cửa sổ Edit Base Extrusion 52 Hình 5.9 Tạo chiều cao vỏ trong Edit Base Extrusion 53 Hình 5.10 Tạo mô hình vỏ thép 53 Hình 5.11 Xây dựng định tính chất vật vỏ thép 55 Hình 5.12 Khai báo trọng lượng riêng của vật lệu thép 56 Hình 5.13(a) (b) Khai báo trong lượng riêng của vật lệu thép 56-57 Hình 5.14 Khai báo trong lượng riêng của vật lệu thép 57 Hình 5.15 (a) (b) Khai báo Modulus và hệ số Poisson’s của thép và nhựa 58 Hình 5.16 Khai báo Modulus và hệ số Poisson’s của bê tông 59 Hình 5.17 Khai báo chiều dài của vỏ thép 59 Hình 5.18 Khai báo chiều dài vỏ 60 Hình 5.19 Chọn chiều dài vỏ 60 Hình 5.20 Khai báo chiều dài vỏ ở dạng tấm 60 Hình 5.21 Hộp thoại khai báo chiều dài vỏ 61 Hình 5.22 Khai báo thông số bê tông 61 x Luan van Hình 5.23 Cửa sổ Create Section khai báo thông số bê tông 62 Hình 5.24 Liên kết lõi bê tông và vỏ thép 63 Hình 5.25 Gán lõi bê tông và vỏ thép 63 Hình 5.26 Cửa sổ Edit Interaction trong Abaqus 64 Hình 6.27 Cửa sổ Create Interaction Property trong Abaqus 64 Hình 5.28 Gán hệ số ma sát giữa lỏi bê tông và vỏ thép 65 Hình 5.29 Liên kết hệ số ma sát giữa lỏi bê tông và vỏ thép đã hình thành 65 Hình 5.30 Thiết lập đặt tải trọng 66 Hình 5.31 Cửa sổ Edit Boundary Condition trong thiết lập điều kiện 66 Hình 5.32 Thiết lập điều kiện giữa lõi bê tông và vỏ thép 67 Hình 5.33 Thiết lập điều kiện tiếp xúc lõi bê tông 67 Hình 5.34 Thiết lập mặt chịu tải lõi bê tông chịu nén 68 Hình 5.35 Chuẩn bi công tác gán tải lõi bê tông chịu nén 68 Hình 5.36 Gán tải lõi bê tông chịu nén hoàn thành 69 Hình 5.37 Gán điều kiện biên cho bê tông chịu nén 69 Hình 5.38 Gán điều kiện biên cho bê tông chịu nén 70 Hình 5.39 Gán điều kiện biên cho vỏ thép 70 Hình 5.40 Gán điều kiện biên cho vỏ 71 Hình 5.41 Chuẩn bị chạy mô phỏng 71 Hình 5.42 Chọn đối tượng chạy mô phỏng 72 Hình 5.43 Chạy mô phỏng 72 Hình 5.44 Hình ảnh sau khi mô phỏng 73 Hình 5.45 Cửa sổ Create XY Data trước khi xuất kết quả sau mô phỏng 73 Hình 5.46 Xuất kết quả sau mô phỏng 74 Hình 5.47 Biểu đồ so sánh của mẫu mác 200 không vỏ 74 Hình 5.48 Biểu đồ so sánh của mẫu mác 300 không vỏ 75 Hình 5.49 Biểu đồ so sánh của mẫu mác 200 vỏ nhựa dày 3,2 mm 75 Hình 5.50 Biểu đồ so sánh của mẫu mác 300 vỏ nhựa dày 3,2 mm 76 Hình 5.51 Biểu đồ so sánh của mẫu mác 200 vỏ nhựa dày 3,8 mm 76 xi Luan van Hình 5.52 Biểu đồ so sánh của mẫu mác 300 vỏ nhựa dày 3,8 mm 77 Hình 5.53 Biểu đồ so sánh của mẫu mác 200 vỏ thép dày 1,4mm 77 Hình 5.54 Biểu đồ so sánh của mẫu mác 300 vỏ thép dày 1,4mm 78 Hình 5.55 Biểu đồ so sánh của mẫu mác 200 vỏ thép dày 1,8mm 78 Hình 5.56 Biểu đồ so sánh của mẫu mác 300 vỏ thép dày 1,8mm 79 xii Luan van DANH SÁCH CÁC BẢNG TRANG Bảng 3.1 Hàm lượng ion CL- trong cát [16] 20 Bảng 3.2 Một số tính chất cơ-lý của nhựa uPVC và thép làm vỏ 24 Bảng 3.3 Thành phần cấp phối vữa bê tông 25 Bảng 3.4 Bảng thời gian trộn bê tông 27 Bảng 4.1 Khả năng kháng nén của các mẫu cơ bản (HxD=200x114 mm) 32 Bảng 4.2 Cường độ kháng nén phụ thuộc theo chiều dày vỏ 37 Bảng 4.3 Ảnh hưởng của độ mảnh đến khả năng kháng nén khi dùng 40 M200 Bảng 4.4 Ảnh hưởng của độ mảnh đến khả năng kháng nén khi dùng 41 M300 Bảng 4.5 Ảnh hưởng của mác bê tông đến độ nhạy tăng cường độ nén 44 Bảng 5.1 So sánh cường độ nén giữa mô phỏng và thực nghiệm 79 xiii Luan van Chương 1 Tổng quan đề tài 1.1 Đặt vấn đề Nghiên cứu gia tăng khả năng chịu nén của cột bê tông sẽ giúp kết cấu trở nên thanh mảnh đạt hiệu quả kiến trúc tốt, không gian sử dụng rộng.

Hiện nay có nhiều phương pháp để đạt được điều này như dùng cột bê tông cốt thép dự ứng lực, cột thép hình, đặc biệt là dùng cột bê tông – thép liên hợp. Đối với dạng kết cấu này, ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube - CFST) là một ví dụ điển hình thay thế hiệu quả cho kết cấu bê tông cốt thép truyền thống. Ở các quốc gia phát triển như Hoa Kỳ, Anh, Úc, Nhật Bản, Trung Quốc, Thụy Điển,… việc sử dụng kết cấu CFST trong hệ khung làm tăng đáng kể khả năng chịu lực của hệ kết cấu, đặc biệt là các vùng thường xảy ra động đất. Các cột CFST có khả năng chống động đất tốt nhờ các tính năng ưu việt như cường độ nén lớn, độ dẻo cao cũng như khả năng tiêu tán năng lượng rất tốt.

Để tính toán khả năng làm việc liên hợp của CFST, một số nước trên thế giới đã nghiên cứu biên soạn nhiều quy trình, quy phạm, tiêu chuẩn thiết kế về loại kết cấu này [1]. Kết cấu nén có vỏ bao quanh có thể phân làm ba loại: a) Vỏ và lõi cùng chịu lực, b) Vỏ chịu lực là chính, lõi giúp tăng ổn định vỏ, c) Vỏ bao che, lõi chịu lực. Trong luận văn này loại c sẽ được tiến hành nghiên cứu với lõi dùng vật liệu bê tông, vật liệu vỏ là nhựa uPVC và thép.