Ứng Xử Cột Liên Hợp Thép Bê Tông Chịu Tải Trọng Dọc Trục: Nghiên cứu và Đề xuất

Khả năng chống ăn mòn cao là một ưu điểm quan trọng, đặc biệt ở môi trường có độ ẩm cao hoặc ven biển. Cột có khả năng chịu lửa tốt, đặc biệt khi thép nằm hoàn toàn trong bê tông. So với kết cấu bê tông cốt thép, cột liên hợp thép bê tông có khả năng chịu lực lớn hơn, giảm kích thước tiết diện, tăng chiều dài nhịp dầm, làm cho kết cấu thanh mảnh hơn. Ngoài ra, cột liên hợp có khả năng biến dạng lớn hơn, quan trọng khi chịu tải trọng động đất. Dù lượng thép sử dụng nhiều hơn, nhưng tốc độ thi công nhanh, giúp công trình sớm đưa vào sử dụng và thu hồi vốn nhanh.

Kết cấu liên hợp được sử dụng rộng rãi trên thế giới, đặc biệt trong xây dựng nhà cao tầng và công trình nhịp lớn. Tại Việt Nam, một số cầu vượt tại TP.HCM sử dụng kết cấu liên hợp thép bê tông để giảm thời gian thi công, giảm ùn tắc giao thông. Cần tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện và khai thác triệt để ưu điểm của loại kết cấu này trong tương lai. Việc nghiên cứu phát triển một kết cấu liên hợp chưa có công thức tính toán khả năng chịu lực là một vấn đề cần được quan tâm, nhất là khi tiêu chuẩn thiết kế trong nước còn thiếu.

Việc sử dụng tiêu chuẩn nước ngoài khiến các hiểu biết về ứng xử tổng thể (biến dạng ống thép, nở hông bê tông) còn hạn chế, đặc biệt với các vật liệu khác nhau và điều kiện khí hậu Việt Nam. Do đó, cần phân tích ứng xử của ống thép nhồi bê tông khi lực truyền vào lõi bê tông, nhằm mô tả trạng thái làm việc thực tế. Cần so sánh khả năng chịu tải thực tế với tiêu chuẩn thiết kế Eurocode 4 và AIJ (Architectural Institute of Japan).

Cột liên hợp thép bê tông trong đó chỉ lõi bê tông chịu lực có thể thay thế cột thép trong cầu vượt hoặc cột chống tạm trong thi công top-down, giúp giảm tiết diện và tăng hiệu quả kinh tế. Cần chú trọng hơn để giảm thiểu khả năng xảy ra các sự cố công trình. Những kết quả đạt được từ 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 ứng xử của cột trong điều kiện làm việc thực tế và phù hợp với điều kiện Việt Nam

Các mẫu cột liên hợp được thiết kế sơ bộ dựa theo Eurocode 4, với kích thước và tỷ lệ phù hợp với điều kiện thí nghiệm, trước khi đưa vào thí nghiệm khả năng chịu lực tới hạn, biến dạng và xác định các yếu tố ảnh hưởng. Thực nghiệm đóng vai trò quan trọng để đánh giá ảnh hưởng của chiều dài, chiều dày ống thép và cường độ chịu nén của bê tông đến ứng xử của cột ống thép nhồi bê tông. Chương trình thí nghiệm được tiến hành trên 9 mẫu với ống thép tròn đường kính 168mm.

Mô phỏng phần tử hữu hạn để so sánh kết quả với thí nghiệm thực tế. Cần các giả thiết về vật liệu, điều kiện biên phù hợp để đảm bảo độ chính xác của mô hình. Cần làm rõ các giả thiết về vật liệu, điều kiện biên và phương pháp giải để đảm bảo tính tin cậy của kết quả mô phỏng. Kiểm tra tính đúng đắn của mô hình bằng cách so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thực nghiệm. Hiệu chỉnh mô hình nếu cần thiết để đảm bảo độ chính xác.

Thí nghiệm cho thấy rằng việc tăng chiều dày ống thép có xu hướng làm tăng khả năng chịu lực của cột liên hợp. Điều này là do ống thép dày hơn cung cấp khả năng chống đỡ tốt hơn cho lõi bê tông, giúp nó chịu được tải trọng lớn hơn trước khi bị phá hoại. Cần xác định mối quan hệ định lượng giữa chiều dày ống thép và khả năng chịu lực để tối ưu hóa thiết kế.

Độ mảnh của cột (tỷ lệ giữa chiều dài và đường kính) có ảnh hưởng đáng kể đến tính ổn định của kết cấu. Cột có độ mảnh lớn (dài và mảnh) dễ bị mất ổn định dưới tải trọng dọc trục, dẫn đến khả năng chịu lực giảm. Cần có các biện pháp thiết kế để đảm bảo tính ổn định cho các cột có độ mảnh lớn.

Cường độ chịu nén của bê tông là một yếu tố quan trọng trong việc xác định khả năng chịu lực của cột liên hợp. Bê tông có cường độ cao hơn sẽ chịu được tải trọng lớn hơn trước khi bị phá hoại, góp phần làm tăng khả năng chịu lực tổng thể của cột. Cần lựa chọn loại bê tông có cường độ phù hợp với yêu cầu thiết kế.

Công thức đề xuất tập trung vào việc phân tích ứng suất và biến dạng trong lõi bê tông khi chịu tải trọng dọc trục. Các yếu tố như cường độ bê tông, chiều dày ống thép, và độ mảnh của cột được đưa vào để đánh giá khả năng chịu lực tổng thể. Cần kiểm chứng công thức này bằng nhiều bộ dữ liệu thí nghiệm khác nhau để đảm bảo tính tổng quát.

Việc so sánh công thức đề xuất với các tiêu chuẩn hiện hành như Eurocode 4 và AIJ giúp xác định ưu và nhược điểm của từng phương pháp. Cần đánh giá mức độ phù hợp của từng công thức với điều kiện thi công và vật liệu xây dựng tại Việt Nam. Phân tích các trường hợp mà công thức đề xuất cho kết quả khác biệt so với các tiêu chuẩn hiện hành và giải thích lý do.

Nghiên cứu đã cung cấp một bộ dữ liệu thí nghiệm đầy đủ về ứng xử của cột liên hợp thép bê tông trong các điều kiện khác nhau. Công thức tính toán đề xuất có thể giúp các kỹ sư thiết kế dự đoán khả năng chịu lực của cột một cách chính xác hơn. Nghiên cứu cũng chỉ ra những hạn chế của các tiêu chuẩn hiện hành khi áp dụng cho điều kiện Việt Nam.

Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc khảo sát ứng xử của cột liên hợp thép bê tông chịu tải trọng phức tạp hơn (ví dụ: tải trọng lệch tâm, tải trọng động đất). Cần nghiên cứu các phương pháp gia cường cột liên hợp để tăng khả năng chịu lực và độ bền. Nghiên cứu cũng có thể mở rộng sang các loại vật liệu mới hoặc các phương pháp thi công tiên tiến hơn.