Luận văn thạc sĩ về ứng xử của dầm ống thép nhồi bê tông chịu tải lặp

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích kỹ thuật xây dựng nghiên cứu ứng xử của dầm ống thép nhồi bê tông chịu tải lặp, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất giải pháp khả thi

• Tác giả: Lê Thành Vũ
• Người hướng dẫn: TS. Lê Bá Khánh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu ứng xử dầm ống thép nhồi bê tông chịu tải lặp
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu và tổng quan

Nghiên cứu ứng xử của dầm ống thép nhồi bê tông (CFST) trong kỹ thuật xây dựng ngày càng trở nên quan trọng. Với việc ứng dụng rộng rãi, dầm thép nhồi bê tông cho thấy nhiều ưu điểm nổi bật như khả năng chịu tải lớn và giảm thiểu thời gian thi công. Luận văn này tập trung vào việc phân tích ứng xử của dầm CFST khi chịu tải lặp, điều này có ý nghĩa lớn trong việc phát triển các cấu kiện trong ngành xây dựng. Theo đó, kỹ thuật xây dựng hiện đại yêu cầu các cấu kiện không chỉ đảm bảo tính ổn định mà còn phải có khả năng chịu tải tốt trong điều kiện tải trọng thay đổi. Mục tiêu nghiên cứu bao gồm việc mô phỏng và phân tích các đặc trưng cơ học của dầm CFST dưới tác động của tải lặp, từ đó rút ra những kết luận có giá trị cho việc thiết kế và thi công.

1.1. Nghiên cứu tổng quan về ống thép nhồi bê tông

Ống thép nhồi bê tông (CFST) đã được nghiên cứu và ứng dụng từ đầu thế kỷ 20. Sự kết hợp giữa bê tông và thép không chỉ giúp tăng cường khả năng chịu lực mà còn cải thiện khả năng chống ăn mòn và giảm thiểu sự co ngót của bê tông. Nghiên cứu chỉ ra rằng dầm CFST có thể chịu tải trọng lớn hơn so với các cấu kiện bê tông truyền thống. Ngoài ra, việc sử dụng CFST cũng giúp giảm thiểu lượng rác thải trong quá trình thi công, từ đó tạo ra một giải pháp xây dựng bền vững hơn. Từ đó, nhiều tiêu chuẩn và quy định đã được ban hành nhằm hướng dẫn việc thiết kế và thi công các cấu kiện này, ví dụ như EUROCODE 4 và BS5400.

1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế

Tình hình nghiên cứu về dầm CFST trong nước và quốc tế cho thấy có sự quan tâm lớn từ các nhà khoa học và kỹ sư. Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện để phân tích ứng xử của dầm thép nhồi bê tông dưới các điều kiện tải trọng khác nhau, đặc biệt là tải lặp. Các nghiên cứu này không chỉ tập trung vào lý thuyết mà còn áp dụng thực nghiệm để kiểm chứng các mô hình. Tại Việt Nam, một số công trình đã ứng dụng CFST thành công, tuy nhiên, số lượng nghiên cứu còn hạn chế so với quốc tế. Việc nghiên cứu ứng xử của dầm CFST là rất cần thiết để nâng cao hiệu quả và tính an toàn cho các công trình xây dựng.

II. Mô phỏng ứng xử của dầm CFST

Mô phỏng ứng xử của dầm ống thép nhồi bê tông được thực hiện bằng phần mềm ABAQUS, một công cụ mạnh mẽ trong việc phân tích cơ học. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được áp dụng để mô hình hóa các đặc trưng cơ học của dầm CFST khi chịu tải lặp. Các thông số vật liệu như cường độ của thép và bê tông được xác định để đảm bảo tính chính xác của mô hình. Kết quả mô phỏng cho thấy sự suy giảm độ cứng của dầm CFST khi số vòng lặp tăng lên, điều này có thể ảnh hưởng lớn đến tính ổn định của cấu kiện trong thực tế. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng ứng suất Von-Mises tập trung chủ yếu ở các cạnh trên và dưới của dầm thép, trong khi ứng suất của bê tông chủ yếu tập trung ở thớ trên. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc phân tích ứng suất trong thiết kế cấu kiện.

2.1. Phân tích ứng xử của dầm CFST chịu tải lặp

Phân tích ứng xử của dầm CFST dưới tải lặp cho thấy rằng độ cứng của cấu kiện giảm dần theo số vòng lặp. Kết quả cho thấy rằng độ cứng tăng tải giảm 4,3% mỗi vòng lặp, trong khi độ cứng giảm tải giảm 2,4% mỗi vòng lặp. Sự suy giảm này có thể dẫn đến biến dạng dẻo và ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của dầm thép nhồi bê tông. Việc hiểu rõ ứng xử này không chỉ giúp trong việc thiết kế các cấu kiện bền hơn mà còn giúp dự đoán tuổi thọ và độ tin cậy của các công trình trong điều kiện thực tế.

2.2. Ảnh hưởng của cường độ vật liệu đến ứng xử của dầm CFST

Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng cường độ của thép ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử của dầm CFST. Khi cường độ của thép tăng, sự suy giảm độ cứng tăng tải cũng tăng lên. Cụ thể, khi cường độ thép tăng từ 484,56 MPa lên 630 MPa, sự suy giảm độ cứng tăng tải đạt 6,3% mỗi vòng lặp. Ngược lại, khi cường độ giảm, sự suy giảm này cũng giảm theo. Điều này cho thấy rằng việc lựa chọn thép với cường độ phù hợp là rất quan trọng trong thiết kế dầm CFST nhằm đảm bảo tính an toàn và hiệu quả cho các công trình xây dựng.

III. Kết luận và kiến nghị

Kết quả nghiên cứu về ứng xử của dầm ống thép nhồi bê tông đã chỉ ra rằng cấu kiện này có khả năng chịu tải tốt dưới tác động của tải lặp. Tuy nhiên, sự suy giảm độ cứng và ứng suất cần được xem xét kỹ lưỡng trong thiết kế. Nghiên cứu này góp phần làm rõ các đặc trưng cơ học của dầm CFST, đồng thời mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng. Để nâng cao tính chính xác và hiệu quả trong thiết kế, cần tiếp tục nghiên cứu về ứng xử của dầm CFST dưới các điều kiện khác nhau, bao gồm cả tải trọng động và môi trường khắc nghiệt.

3.1. Kiến nghị cho nghiên cứu tiếp theo

Để phát triển hơn nữa lĩnh vực nghiên cứu về dầm thép nhồi bê tông, cần thiết lập các tiêu chuẩn và quy định rõ ràng hơn về thiết kế và thi công. Bên cạnh đó, việc thực hiện các thí nghiệm thực tế để kiểm chứng các mô hình mô phỏng là rất quan trọng. Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc phân tích ứng xử của dầm CFST trong các điều kiện tải trọng phức tạp hơn, cũng như ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến độ bền và tuổi thọ của cấu kiện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 là chương giới thiệu và tổng quan, trong đó giới thiệu sơ lược về đề tài nghiên cứu, mục tiêu và nội dung nghiên cứu, tính cần thiết và ý nghĩa thực tiễn của đề tài. Bên cạnh đó, tổng quan về tình hình nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước về CFST nói chung và dầm CFST nói riêng. Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết để ứng dụng vào phân tích ứng xử của dầm CFST chịu tải lặp. Đưa ra cơ sở lý thuyết về mô hình vật liệu cấu thành nên cấu kiện.

Chương 3 trình bày mô phỏng dầm CFST, áp dụng lý thuyết vào quá trình xây dựng và phân tích ứng xử của dầm CFST chịu tải lặp. Chương 4 là chương 4 phân tích kết quả thu được từ mô phỏng dầm CFST bằng phần mềm ABAQUS. Kết quả được sử dụng để phân tích các đặc trưng cơ học của dầm CFST. Chương 5 tổng kết các kết quả đạt được từ chương 4 và đưa ra các kết luận.

Bên cạnh đó, đưa ra một số kiến nghị phát triển đề tài trong tương lai.4 Tổng quan về ống thép nhồi bề tông 1.1 Quá trình hình thành và phát triển CFST CFST được Sewell công bố năm 1901 [5], lý do ông đưa ra để bảo vệ ý kiến này là dùng để chống gỉ bên trong cột ống thép. Tuy nhiên trong quá trình sử dụng, ông đã phát hiện ra một số cột có thể chịu tải trọng ngẫu nhiêu rất lớn. Từ thực nghiệm, ông đã đưa ra kết luận rằng độ cứng của các cột đã được tăng ít nhất là 25%. Năm 1903 và 1906, phát hiện của Concedère [5] về trạng thái kiềm chế của cát và bê tông, hiệu suất giãn nở được công bố.

Tất cả những nghiên cứu và phát hiện trên đều là tiền đề cho việc kết hợp giữa bê tông và ống thép rỗng ra đời. Trong suốt hơn 40 năm qua, các dự án nghiên cứu chuyên sâu về kết cấu rỗng đã được thực hiện dưới sự chỉ đạo của CIDECT (International Committee for the Development and Study of Tubular Structures) và IIW (International Institute of Welding) [6]. Hơn 12 hội nghị quốc tế về cấu kiện hình ống đã được tổ chức từ năm 1984 (IIW 1984, năm 1986 K. Makino, năm 1989 Niemi và Mäkeläinen , năm 1991 Wardenier và P.

Shahi, 1993 Coutie và Davies, năm 2001 Puthli và Herion, năm 2003 Jaurrieta và cộng sự, năm 2006 Packer and Willibad, năm 2008 Shen và cộng sự). Ngoài ra, còn một số hội nghị quốc tế được tổ chức bởi hiệp hội ASCCS (Association for Steel-Concrete Composite Structures) từ năm 1985 và rất nhiều bài báo về CFST. Dưới đây là một vài bài báo về CFST tiêu biểu như năm 1997 Shams và Saadeghvaziri, năm 1998 Schneider, năm 2001 Shanmugam và cộng sự, năm 2002 Nishiyama và cộng sự, năm 2002 Han và năm 2008 Gourley và cộng sự. Năm 1931, một trong những công trình đầu tiên sử dụng CFST là cây cầu vòm nhịp 9m được xây dựng ở ngoại ô Paris, kết cấu gồm 6 CFST cho mỗi vòm.

Năm 1936, tổ 5 hợp gồm 40 CFST đường kính 140mm và dày 50mm tạo nên cạnh hình parabol của kết cầu cây cầu dài 101m vượt sông Neeva ở thành phố Xanh-Pêterbua. Giai đoạn từ năm 1990 đến 1992, ba tiêu chuẩn kỹ thuật CECS28-90, DLGJ99-91 và DLGJ-SII- 92 được ban hành ở Trung Quốc mở ra kỷ nguyên mới về ứng dụng cấu kiện CFST cho đất nước tỉ dân này. Tháng 6 năm 2000, cầu Yajisha ở Guangzhou như Hình 1.4 với nhịp 360 được khánh thành, đây được xem như là cây cầu đầu tiên ở Trung Quốc được thiết kế 6 CFST và đạt được nhiều kỉ lục thế giới. Năm 2016, Tháp Poly Diamond Lantern như Hình 1.5 tại Bắc Kinh, Trung Quốc cũng được xây khánh thành.4 Cầu Yajisha ở Guangzhou ở Trung Quốc [7] Hình 1.5 Tháp Poly Diamond Lantern (2016), Bắc Kinh, Trung Quốc [7].

6 Việt Nam cũng là một trong những quốc gia tiếp cận được với cấu kiện CFST, cụ thể một số công trình đã được xây dựng như Hình 1. Năm 2017, Nguyễn Viết Trung và cộng sự [5] đã viết cuốn sách về “Cầu Vòm ống thép nhồi bê tông”. Năm 2020, Cù Việt Hưng [7] và cộng sự đã viết lại cuốn sách “Cầu Vòm ống thép nhồi bê tông” dựa trên các nghiên cứu và công trình thực tiễn của tác giả Trần Bảo Xuân (Chen Baochun).6 Cầu Rạch Chiếc – Tp. Hồ Chí Minh [5] Hình 1.7 Tào nhà Viettin Bank Tower – Tp.

Hồ Chí Minh [5].2 Những đặc điểm nổi bậc của CFST Khi chịu cùng ứng suất như nhau thì kết cấu nhồi bê tông trong ống thép có những đặc điểm nổi bậc như: - Khi so sánh với kết cấu bê tông có tiếp xúc với môi trường bên ngoài bê tông trong ống thép có đặc điểm: + Độ bền của lõi bê tông tăng khoảng 2 lần; + Bê tông không bị co ngót mà bị trương nở vì không có sự trao đổi giữa bê tông và môi trường bên ngoài; + Sau 2 – 3 ngày tuổi thì không xuất hiện thêm vết nứt; + Tính phi tuyến của biến dạng từ biến sẽ mất đi sau 2 – 7 ngày tuổi; + Không cần cốp pha trong thi công. - Khi so sánh với kết cấu dạng ống: + Tăng khả năng chống biến dạng của ống thép; + Độ bền ăn mòn và chống gỉ của mặt trong ống thép cao hơn; + Giảm độ mảnh của cấu kiện; - Khi so sánh với kết cấu sử dụng thép hình có mặt cắt hở: + Mặt ngoài của kết cấu CFST nhỏ hơn do đó chi phí sơn phủ và bảo dưỡng thấp hơn; + Độ bền chống gỉ cao hơn; + Khả năng ổn định nhiều hơn; + Giảm được ảnh hưởng của tải trọng gió; 8 + Tăng độ cứng chống xoắn.5 Tình hình nghiên cứu ở trong nước Năm 2012, Chu Thị Bình [8] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm cột CFST trong điều kiện cháy. Mười cột thép nhồi bê tông với 5 loại tiết diện khác nhau (cả cột vuông và tròn được bao bọc bởi một thép hình khác bên trong), có chiều dài 3310 mm đã được thí nghiệm tại phòng thí nghiệm cháy – trường đại học Liege. Trong đó có hai cấu kiện được sơn phủ chống cháy bằng sơn phồng (intumescent paint) và thí nghiệm xác định khả năng chịu cháy.

Các kết quả về chuyển vị đứng tại đỉnh cột và chuyển vị ngang tại giữa cột đều được ghi lại trong suốt quá trình thí nghiệm. Thí nghiệm tập trung vào phân tích các thông số: hình dạng tiết diện và hệ số tải trọng sử dụng (tỉ số giữa tải trọng tác dụng lên cột khi cháy Nft và khả năng chịu tải trọng của cột ở nhiệt độ thường Nu). Thí nghiệm cho thấy sự mất ổn định cục bộ của ống thép bao ngoài. Sau 30 phút chịu cháy, thép bên ngoài đạt trên 6000C, cường độ và độ cứng trong phép giảm gần hết, hầu như toàn bộ lực truyền sang lõi bê tông bên trong.

Như vậy, sự mất ổn định cục bộ của lõi thép ngoài gần như không ảnh hưởng đến khả năng chịu cháy của cột. Kết quả thí nghiệm về cột thép nhồi bê tông tự đầm chịu cháy đã cung cấp các kiến thức về truyền nhiệt và ứng xử cơ học của các loại cột CFST khi chịu cháy. Kết quả thực nghiệm được so sánh với kết quả mô phỏng bằng phần mềm SAFIR cho thấy được kết quả mô phỏng là tương đối chính xác. Năm 2019, Vũ Quang Việt và cộng sự [9] đã sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, để nghiên cứu khả năng chịu uốn của cấu kiện ống tròn hai lớp thép nhồi bê tông (CFDST) có mối nối ở giữa.

Mô hình PTHH của thí nghiệm uốn 4 điểm trên cấu kiện CFDST có mối nối được mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS. Mô hình được xây dựng để khảo sát khả năng chịu uốn của cấu kiện CFDST dưới sự thay đổi lần lượt của cường độ thép và cường độ chịu nén của bê tông. Dữ liệu thu được từ mô hình phân tích cho kết quả tương đồng với dữ liệu thực nghiệm trước đó. Năm 2021, Lê Bá Khánh và cộng sự [10] đã tiến hành nghiên cứu ứng xử của CFST dưới tác động xoắn thuần túy.

Các mô hình của ống thép được mô phỏng bằng phần 9 mềm ABAQUS. Các mô hình này sau đó được kiểm chứng bằng cách so sánh với kết quả thực nghiệm và được dùng để khảo sát các tham số ảnh hưởng đến khả năng chịu mô men xoắn của cấu kiện CFST. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng cường độ nén của bê tông ảnh hưởng không nhiều đến khả năng chịu xoắn của CFST, tuy nhiên bê tông ngăn chặn được hiện tượng vênh và giúp cho ống thép hoạt động một cách hiệu quả. Kết quả còn chỉ ra rằng, cường độ của thép ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu mô men xoắn của CFST.

Cụ thể, khi ta tăng cường độ thép từ 235 MPa đến 420 MPa, khả năng chịu mô men xoắn của CFST tăng đến 50%. Khả năng chịu mô men xoắn của ống thép có ảnh hưởng lớn đến mô men chảy của CFST, xếp sau là tỉ lệ giữa đường kính và độ dày của ống thép. Trong khi đó các thông số liên quan đến cường độ nén của bê tông không đem lại hiệu quả nhiều cho khả năng chịu mô men xoắn của CFST. Năm 2020, Vũ Quang Việt và cộng sự [11] đã tiến hành nghiên cứu ứng xử của cấu kiện ống thép hai lớp nhồi bê tông (CFDST) có hệ neo chống cắt, chịu uốn thuần túy bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH).

Mô hình 3D của cấu kiện CFDST có hệ neo chống cắt dạng đinh mũ được xây dựng và phân tích bằng phần mềm ABAQUS. Mô hình PTHH của cấu kiện CFDST được kiểm chứng bằng cách so sánh với kết quả thí nghiệm. Kết quả kiểm chứng này cho thấy mô hình được xây dựng tương đối chính xác với kết quả thực nghiệm. Từ các kết quả đạt được tác giả đã đưa ra kết luận, tỉ số độ mảnh của ống thép ngoài (Do/to), tỉ số độ mảnh của ống thép trong (Di/ti), và tỉ số giữa đường kính ống thép trong và ống thép ngoài (Di/Do) ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu uốn của cấu kiện CFDST.

Năm 2016, Phan Đình Hào và cộng sự [12] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của cường độ bê tông đến khả năng chịu lực của cột nhồi bê tông (CFST) dưới tác dụng của lực nén dọc trục bằng cách mô phỏng bằng phần mềm ABAQUS. Mô hình phần tử hữu hạn 3 chiều đã được xây dựng và thực hiện phân tích số cho cột ngắn CFST.