Chương 1 MỞ DAU 1.1 Lý do chọn đề tài Kết cau ống thép nhôi bê tông (Concrete Filled Steel Tube - CFST) là cau kiện thường được sử dụng chủ yếu trong nhà cao tầng do nó có độ bền và độ cứng cao hơn so với những loại kết cau thông thường nhờ sự làm việc tương tác qua lại lẫn nhau giữa ống thép và lõi bê tông, do bê tông được nhồi vào trong ống thép nên làm tăng độ 6n định cục bộ của thành ống. Mặt khác, khi được đồ day bê tong, ống thép bọc bên ngoài bê tông tạo nên tác động kháng nở hông cho lõi bê tông và làm tăng đáng kế cường độ và độ dẻo dai của lõi bê tông. Ngoài ra, cột CFST còn là một giải pháp kinh tế hoàn hảo do có thé thi công nhanh và ống thép thay thế cốp pha trong giai đoạn thi công khi bê tông chưa đông cứng do chịu được tải trọng thi công. Cốt thép có thể cần thiết hoặc không cần thiết vì đã có ống thép thay thế.
Bên cạnh đó, với kích thước nhỏ gọn, cột CFST sẽ là một sự lựa chọn hang đầu cho nhửng giải pháp kiến trúc đòi hỏi tính thẫm mỹ cao và không gian lớn. Mặc dù cau kiện cột CFST có những tính năng ưu việt như vậy nhưng cho đến nay các nghiên cứu thực nghiệm vẻ cau kiện CFST chịu tải trọng ngang như động dat vẫn còn hạn chế. Đã có rất nhiều những nghiên cứu, cũng như công thức tính toán khả năng chịu lực của loại cau kiện nay được cung cấp trong các tiêu chuẩn nước ngoài như EC-4 (Châu Âu), ANSI- AISC (Mỹ), và AIJ (Nhật Ban) và thường cho ra giá trị khác nhau của cùng một cấu kiện thiết kế. Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm vẫn được tiếp tục thực hiện với mục đích có thể hiểu được thấu đáo ứng xu kết cầu loại này, đồng thời đề xuất một công thức tính toán phục vụ cho công tác thiết kế.
Đề tai này nghiên cứu kha năng chịu lực và ứng xử của cột CFST chịu tải trọng ngang tuần hoàn. Kết quả thí nghiệm phản ánh ứng xử của cột CFST chịu tải trọng ngang tuần hoàn, đồng thời đánh giá mức độ ảnh hưởng của bê tông đến ứng xử của cột CFST khi động đất xảy ra.2 Mục đích nghiên cứu - Khao sát thực nghiệm kha năng chịu lực va ứng xử của của cột tròn CFST chịu tải trọng tuần hoàn. - - Đánh giá khả năng chịu tải và ứng xử của cột tròn CFST.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Cột tròn CFST chịu tải dọc trục cỗ định và tải ngang tuần hoàn mô phỏng cho động đất.4 Ý nghĩa nghiên cứu - Ung xử của cột CFST được nghiên cứu kỹ nhằm tính toán cho công trình có sử dụng cột CSFT chịu tải động đất. - Qua nghiên cứu, những kết qua thu được từ thực nghiệm góp phan bổ sung thêm những luận điểm, kiến thức mới và là nguồn dữ liệu bổ ích phục vụ cho những nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.
- Nghiên cứu góp phan đánh ứng xử của cột ống thép nhdi bê tông CFST chịu động dat, dé áp dụng thực tiễn phù hợp hơn. 2lPage Chương 2 TONG QUAN 2.1 Giới thiệu chung 2.1 Đặc điểm chung cột CFST liên hợp Cột ông thép nhồi bêtông CFST được cau tạo bởi sự kết hợp của hai thành phan cột thép bên ngoài và lõi bê tông bên trong. Mặt cắt ngang của cột CFST được trình bày trong hình 2. Cột thép được sử dụng chủ yếu bởi ống thép định hình, bê tông được đỗ trực tiếp vào ống thép.
Steel Tube Hình 2.1 Mat atngang 6t CEST, Kha năng chịu lực cực hạn và tai động đất của cột CFST phụ thuộc vào các đặc tính của vật liệu cau thành. Ngoài ra, ứng xử của cột CFST còn phụ thuộc vào hiệu ứng kháng nở hông của ống thép tác dụng lên lõi bê tông và đặc tính hình học của ông như tiết diện ngang hay tỷ số của đường kính cột so với chiều dày của ống thép.2 Đặc điểm của cột CFST thực hiện nghiên cứu Nhiều nghiên cứu phân tích ứng xữ cấu kiện ống thép nhồi bê tông tiết diện khác nhau chịu tải trọng khác nhau đã va dang được thực hiện. Các tiêu chuẩn thiết kế trên thế giới hiện nay như Eurocode 4, AISC - LRFD, va ACI 318-05 có trình bày rõ về khả 3|Page năng chịu tải dọc trục. Tuy nhiên, các tính toán của cột CFST chịu tai trọng ngang như tải trong động đất vẫn còn bỏ ngõ.
Vì vậy, các nghiên cứu thực nghiệm dé phân tích, đánh giá khả năng chịu tải động đất của cột CFST là rất cần thiết.2 Tông quan các nghiên cứu trong và ngoài nước 2.1 Ở nước ngoài QiuP và cộng sự [1] đã sử dụng phương pháp phân tích động lực học phi tuyến (Nonlinear time-history analysis method) để phân tích ứng xử khả năng chịu động đất của cột RC và cột RC-CFT của một cây cầu nhiều nhip với cùng một trận động đất El Centro. Phân tích mối quan hệ làm việc phi tuyến của bê tông và ống thép, kết hợp phương pháp phân tích “tho” (Fiber element model) đàn dẻo của phan tử dam - cột. Tác giả dùng mô hình phân tích “tho” để thiết lập quan hệ đường cong tai trọng - chuyền vị dé đánh giá kha năng chịu tải trọng ngang và chịu uốn của cột RC - CFT và cột RC, khi tải trọng đứng tăng thì khả năng chịu uốn của hai cấu kiện trên giảm nhưng sự thay đổi của tai trọng ngang tới hạn và chuyển vị ngang tới hạn của cột RC- CFT là ít hơn cột RC. Điều đó càng thé hiện rõ hơn khi tải trọng đứng tăng lên.
Dé so sánh khả năng chịu động đất, tác giả sử dụng trận động đất El Centro cùng hệ số cản 2% dé đánh giá. Khi đỉnh gia tốc nền là 0.1g, cả hai cau kiện đều biến dang đàn hồi nhỏ, đường cong trễ moment lớn nhất của cột RC lớn hơn cột RC-CFT và độ cứng cột RC giảm. Khi đỉnh gia tốc nền là 0.2g, cả hai cau kiện đều biến dạng đàn hồi lớn, đường cong của cột RC là 0.0149 rad/m (giới hạn cho phép là 0.014 rad/m), trong khi cột RC-CFT là 0. Do đó, su pha hoại của cột RC là lớn hơn nhiều so với cột RC-CFT.
Dựa vào kết quả nghiên cứu, tác giả khang dinh cot RC-CFT chịu tải trọng ngang va chịu uốn tốt hơn cột RC. Đồng thời, với cùng một trận động đất thì sự phá huỷ của cột RC- CFT ít hơn so với cột RC và cột RC-CFT dễ khắc phục sửa chửa hơn sau khi động đất xảy ra. Chen và cộng sự [2] đã thực hiện khảo sát thực nghiệm nha cao 13 tang su dung két hợp cột CFST va RC chịu động đất bằng cách mô hình thu nhỏ theo ty lệ 1/10. Mat bang có kích thước 1800mm x 1800mm, chiều cao là 4750mm.
Sử dụng trận động đất 4|Page Elcentro North-South với đỉnh gia tốc nền trong các trường hợp 0. Tác giả nhận thấy, vị trí liên kết vòng tròn dạng bao bọc xung quanh giữa dầm bê tông và cột CFST vẫn ở trạng thái đàn hồi, hầu như không bị phá hoại ở trận động đất có đỉnh gia tốc nền trong các trường hợp 0. Riêng với động đất có đỉnh gia tốc nên cao hơn 0.4g, thì vị trí liên kết xuất hiện những viết nứt bình thường, không xuất hiện sự giản nở đản hồi hay biến dạng của bề mặt ống thép. Qua đó, các tác giả nhận định cột CFST liên hợp là loại cau kiện có độ cứng tốt, cường độ và biến dạng cao, nó phân tán lực kéo dọc trục ra bên ngoài ống thép.
sau đó truyền qua các mép cột bê tông khác. Cột CFST vừa chịu lực cắt ngang và lực cắt toàn bộ kết cau, đồng thời thí nghiệm cũng cho ta thấy khả năng chịu động đất của cột CFST hiệu quả hơn cột RC và khuyến khích nên sử dụng rộng rãi trong các nhà cao tang. Tokinoya và cộng sự [3] đã thực hiện khảo sát thực nghiệm kha năng chịu động đất của cột CFT có hình dạng vuông va tròn. Vật liệu thép sử dụng cường độ cao lần lượt là S400, S590 va S780.
Vật liệu bê tông sử dụng hai loại C40 và C90. Thí nghiệm sử dụng hai bộ dẫn động đặt song song với mẫu theo phương đứng và một bộ dẫn động đặt ngang để tạo ra lực nén dọc trục và biến dạng ngang. Tải trọng nén dọc trục cố định bang 40% của No, với N,=A,*o,+A,*o,. Tải dọc trục thay đối biến thiên trong phạm vi 30% lực kéo Ns với N, = A *ø, và 70% lực nén No, trong đó Ac, As là diện tích mặt cắt ngang của bê tông và thép, 2 là cường độ nén mau bê tông hình trụ, Z› là cường độ chảy dẻo của thép.
Tải trọng bên theo phương kết hợp với trục chính của mặt cắt tiết diện một góc 22. Qua phân tích và so sánh, tác giả rút ra một so kết luận sau: o Cuong độ chịu uốn và khả năng biến dạng của cột CFT ống tròn tốt hơn cột CFT ống hình vuông. o Cường độ chịu uốn và khả năng biến dạng của cột CFT chịu tải trọng dọc trục biến thiên thấp hơn cột CFT chịu tải dọc trục cô định, và tỷ lệ giửa chiều rộng (hoặc đường kính) so với bề dày của hộp hoặc ống thép CFT và tỷ lệ tải dọc trục càng cao làm giảm khả năng biên dạng. 5|Page Usami và cộng sự [4] với đề tài: “Seismic demand predictions of concrete-filled steel box columns” đã dé xuất hai phương pháp phân tích dé dự đoán chuyén vị cực dai.
Phương pháp thứ nhất xem xét tác động giữa lõi bê tông và ống thép là hợp nhất thông qua mô hình tải trọng - chuyến vị trễ. Phương pháp thứ hai sử dụng trực tiếp mô hình phân tích phan tử hữu han (FEM). Trong phương pháp tứ nhất, tác giả phân tích hệ một bậc tự do (SDOF) dựa trên mô hình lực - chuyên vị trễ được suy ra từ phương pháp phân tích “pushover”, phát triển mô hình ứng suất - biến dang xem xét ảnh hưởng kháng nở hông của ống thép bên ngoài. Trong thép, quan hệ ứng suất - biến dạng dan dẻo có kế đến sự hóa cứng (strain hardening) được xem xét.
Sau đó, hai kiểu mô hình trễ song tuyến tính (bilinear) và tam tuyến tinh (trilinear) được thiết lập từ kết quả phân tích “pushover” dựa theo tiêu chuẩn mới.