Phân Tích Ứng Xử Cột Ống Thép Nhồi Bê Tông Cường Độ Cao Trong Kỹ Thuật Xây Dựng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật xây dựng phân tích ứng xử cột ống thép nhồi bê tông ngắn sử dụng vật liệu cường độ cao và, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Chiêm Đặng Tứ Quốc
• Người hướng dẫn: TS. Thái Sơn
• Trường học: Đại Học Quốc Gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng
• Đề tài: Phân Tích Ứng Xử Cột Ống Thép Nhồi Bê Tông Cường Độ Cao
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG THỰC TẾ
• 1.1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC
• 1.2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU QUỐC TẾ
• 1.3. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA CỘT CFST
• 1.4. ỨNG DỤNG THỰC TIỄN TRONG LĨNH VỰC XÂY DỰNG
• 1.5. MỤC TIÊU VÀ SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.6. CẤU TRÚC ĐỀ TÀI
• 1.7. LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM CỘT CFST NGẮN
• 1.8. QUY ĐỊNH VỀ CƯỜNG ĐỘ GIỚI HẠN CỦA THÉP VÀ BÊ TÔNG TRONG CÁC TIÊU CHUẨN HIỆN HÀNH
• 1.9. CÔNG THỨC XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CỘT CFST THEO CÁC TIÊU CHUẨN HIỆN HÀNH
• 1.10. TIÊU CHUẨN CHÂU ÂU EC 4 [8]
• 1.11. TIÊU CHUẨN ÚC AS 2327 [13]
• 1.12. TIÊU CHUẨN HOA KỲ AISC 360-16 [12]
• 1.13. DỮ LIỆU THÍ NGHIỆM
• 1.14. TỔNG HỢP KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
• 1.15. SO SÁNH KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN TRONG CÁC TIÊU CHUẨN HIỆN HÀNH. KẾT QUẢ SO SÁNH
• 1.16. PHÂN TÍCH QUAN HỆ LỰC CHUYỂN VỊ CỦA CỘT CFST NGẮN
• 1.17. QUAN HỆ LỰC – CHUYỂN VỊ DỌC TRỤC CỦA CỘT CFST NGẮN CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM
• 1.18. CỘT CHỮ NHẬT
• 1.19. PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH FIBER CHO CỘT CFST NGẮN
• 1.19.1. TỔNG QUAN MÔ HÌNH FIBER TÍNH TOÁN CỘT CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM
• 1.19.2. MÔ HÌNH FBE CHO CỘT CFST TRÒN
• 1.19.3. SO SÁNH KẾT QUẢ
• 1.19.4. MÔ HÌNH FBE CHO CỘT CHỮ NHẬT
• 1.19.5. SO SÁNH KẾT QUẢ
• 1.20. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 1.21. NHỮNG MẶT HẠN CHẾ CỦA PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TRONG LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Cột ống thép nhồi bê tông (CFST) là một loại kết cấu kết hợp giữa thép và bê tông, tận dụng ưu điểm của cả hai vật liệu. Kết cấu này bao gồm ống thép rỗng với tiết diện tròn hoặc chữ nhật và phần lõi bên trong là bê tông. CFST được sử dụng rộng rãi trong xây dựng, như cọc, cột nhà cao tầng, và cầu. Ưu điểm nổi bật của cấu trúc cột này là khả năng chịu lực tốt, cho phép biến dạng lớn và hấp thụ năng lượng hiệu quả. Sự kết hợp giữa thép nhồi bê tông giúp cải thiện khả năng chịu lực của lõi bê tông nhờ vào hiệu ứng bó ngang, nơi mà ống thép ngăn cản bê tông nở hông. Điều này tạo ra một kết cấu có hiệu suất cao hơn so với các cấu trúc thông thường.

II. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng thực tế

Trong nước, nghiên cứu về cột CFST vẫn còn hạn chế. Việt Nam chưa có tiêu chuẩn riêng để tính toán thiết kế cho loại kết cấu này. Nhiều tài liệu chỉ dừng lại ở việc giới thiệu các công thức tính toán từ nước ngoài, mà chưa đi sâu vào việc phát triển và ứng dụng thực tế. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng, mặc dù có nhiều công trình ứng dụng bê tông cường độ cao, nhưng việc áp dụng các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành vẫn gặp khó khăn trong việc dự đoán khả năng chịu lực của cột CFST. Những vấn đề này đòi hỏi sự cần thiết phải nghiên cứu sâu hơn để cải thiện độ chính xác trong việc tính toán khả năng chịu lực của cột, từ đó hỗ trợ các kỹ sư trong việc thiết kế và thi công.

III. Phân tích ứng xử cột CFST

Phân tích ứng xử của cột ống thép nhồi bê tông ngắn là một phần quan trọng trong việc đánh giá khả năng chịu lực của cấu kiện này. Nghiên cứu đã thu thập và phân tích dữ liệu từ 678 mẫu cột tròn và 659 mẫu cột chữ nhật. Các kết quả thí nghiệm cho thấy rằng ứng xử của cột CFST ngắn chịu nén đúng tâm có thể được mô phỏng bằng các mô hình tính toán hiện đại. Việc phát triển mô hình Fiber cho cột CFST giúp dự đoán quan hệ lực-biến dạng dọc trục một cách chính xác hơn. Những phân tích này không chỉ cung cấp cơ sở lý thuyết mà còn giúp điều chỉnh các hệ số an toàn trong thiết kế, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng cột CFST trong thực tế.

IV. Tính toán khả năng chịu lực

Khả năng chịu lực của cột CFST được xác định dựa trên các công thức tính toán theo tiêu chuẩn AISC 360-16, EC4 và AS 2327. Việc so sánh kết quả thí nghiệm với các dự đoán từ các tiêu chuẩn cho thấy sự cần thiết phải điều chỉnh các hệ số thiết kế để phù hợp hơn với thực tế. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc áp dụng các vật liệu cường độ cao và siêu cao trong cột CFST có thể cải thiện đáng kể khả năng chịu lực. Tuy nhiên, việc dự đoán chính xác khả năng chịu lực của cột CFST ngắn vẫn còn nhiều thách thức và cần có thêm nhiều nghiên cứu thực nghiệm để củng cố các giả thuyết hiện tại.

V. Kết luận

Nghiên cứu về cột ống thép nhồi bê tông cường độ cao và siêu cao là một lĩnh vực còn nhiều tiềm năng chưa được khai thác. Các kết quả thu được từ các thí nghiệm và phân tích hiện tại sẽ là nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo. Việc cải thiện khả năng chịu lực và tối ưu hóa thiết kế cho cột CFST sẽ không chỉ nâng cao hiệu suất của các công trình xây dựng mà còn đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế trong thi công. Do đó, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các tiêu chuẩn thiết kế phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Kết cấu ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube - CFST) là một giải pháp kết cấu liên hợp tận dụng ưu điểm của thép và bê tông, được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cao tầng, cầu cống và các công trình công nghiệp. Theo ước tính, dữ liệu thí nghiệm tổng hợp trong nghiên cứu này bao gồm 678 mẫu cột tròn và 659 mẫu cột chữ nhật CFST ngắn chịu nén đúng tâm, sử dụng vật liệu cường độ cao và siêu cao. Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc phân tích ứng xử chịu nén của cột CFST ngắn với vật liệu mới vượt giới hạn cường độ trong các tiêu chuẩn hiện hành như Eurocode 4, AISC 360-16 và AS/NZS 2327-2017.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là khảo sát tính chính xác của các công thức thiết kế hiện hành đối với cột CFST ngắn cường độ cao, phân tích ảnh hưởng của các tham số vật liệu và hình học đến ứng xử chịu lực, đồng thời phát triển mô hình tính toán dựa trên phương pháp chia thớ (fiber model) để dự đoán quan hệ lực - biến dạng dọc trục. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi dữ liệu thí nghiệm thu thập từ các công trình công bố trước đây, tập trung vào cột CFST ngắn chịu nén đúng tâm với vật liệu cường độ cao và siêu cao.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học để điều chỉnh các hệ số an toàn và mở rộng phạm vi áp dụng tiêu chuẩn thiết kế cho kết cấu CFST cường độ cao, góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công trong ngành xây dựng hiện đại. Các chỉ số như khả năng chịu lực, độ cứng, biến dạng và dạng mất ổn định được phân tích chi tiết, giúp cải thiện độ tin cậy và tính kinh tế của kết cấu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết kết cấu liên hợp và lý thuyết ứng suất - biến dạng của vật liệu cường độ cao. Lý thuyết kết cấu liên hợp mô tả sự phối hợp làm việc giữa ống thép và lõi bê tông, trong đó hiệu ứng bó ngang của ống thép làm tăng cường độ chịu nén của bê tông. Lý thuyết ứng suất - biến dạng được áp dụng để mô hình hóa chính xác đặc tính phi tuyến của thép và bê tông cường độ cao, bao gồm các khái niệm chính như:

• Hiệu ứng bó ngang (confinement effect): ống thép ngăn cản sự nở hông của bê tông, tạo ứng suất nén ba trục nâng cao cường độ bê tông.
• Độ mảnh tiết diện (slenderness ratio): ảnh hưởng đến dạng mất ổn định và khả năng chịu lực của cột.
• Mối quan hệ tải - biến dạng (load-displacement relation): phản ánh ứng xử phi tuyến của cột CFST dưới tải nén đúng tâm.
• Mô hình chia thớ (fiber model): phương pháp phân tích phi tuyến dựa trên chia tiết diện thành các phần tử nhỏ để tính toán ứng suất và biến dạng phân bố.

Các tiêu chuẩn thiết kế được khảo sát bao gồm Eurocode 4, AISC 360-16 và AS/NZS 2327-2017, với các công thức tính toán khả năng chịu nén dọc trục của cột CFST ngắn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là tập hợp 1.337 mẫu thí nghiệm cột CFST ngắn (678 mẫu tròn, 659 mẫu chữ nhật) thu thập từ các công trình nghiên cứu quốc tế và trong nước. Các mẫu này sử dụng bê tông và thép có cường độ cao và siêu cao, chịu nén đúng tâm. Phương pháp phân tích bao gồm:

• So sánh kết quả thí nghiệm với dự đoán của các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành để đánh giá độ chính xác và giới hạn áp dụng.
• Phân tích quan hệ lực - chuyển vị dọc trục dựa trên 570 biểu đồ tải - biến dạng thu được từ thí nghiệm, nhằm khảo sát ảnh hưởng của các tham số vật liệu và hình học.
• Phát triển mô hình chia thớ (fiber model) bằng chương trình máy tính để dự đoán ứng xử lực - biến dạng của cột CFST ngắn, sử dụng các mô hình ứng suất - biến dạng phi tuyến cho thép và bê tông.
• Cỡ mẫu lớn và đa dạng giúp tăng độ tin cậy của kết quả. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tổng hợp dữ liệu thực nghiệm có sẵn, đảm bảo tính đại diện cho các loại vật liệu và hình học phổ biến.
• Timeline nghiên cứu từ tháng 2/2022 đến tháng 6/2022, bao gồm thu thập dữ liệu, phân tích, mô phỏng và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Độ chính xác của các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành: Kết quả so sánh cho thấy các công thức trong Eurocode 4, AISC 360-16 và AS/NZS 2327-2017 có độ sai số trung bình khoảng 5-10% so với kết quả thí nghiệm, tuy nhiên đều có xu hướng đánh giá thấp khả năng chịu lực của cột CFST sử dụng vật liệu cường độ siêu cao. Đặc biệt, các tiêu chuẩn giới hạn cường độ thép và bê tông làm hạn chế việc áp dụng cho vật liệu mới.

2. Ảnh hưởng của vật liệu và hình học: Khả năng chịu lực danh nghĩa của cột CFST tăng trung bình 15-20% khi sử dụng bê tông cường độ siêu cao so với bê tông cường độ cao thông thường. Độ mảnh tiết diện ảnh hưởng rõ rệt đến dạng mất ổn định và độ cứng của cột, với cột tròn có độ mảnh thấp hơn cho độ dẻo và khả năng chịu lực tốt hơn cột chữ nhật tương ứng.

3. Quan hệ lực - chuyển vị dọc trục: Phân tích 570 biểu đồ tải - biến dạng cho thấy cột CFST trải qua 3 giai đoạn chính: đàn hồi, phi tuyến và suy thoái. Độ cứng ban đầu tăng theo cường độ bê tông và giới hạn chảy của thép, trong khi giai đoạn phi tuyến thể hiện sự tương tác phức tạp giữa ống thép và lõi bê tông.

4. Hiệu quả mô hình chia thớ: Mô hình fiber phát triển dự đoán chính xác quan hệ lực - biến dạng với sai số trung bình dưới 7%, phù hợp với cả cột tròn và chữ nhật. Mô hình này cho phép mô phỏng ứng xử phi tuyến và dạng mất ổn định cục bộ của ống thép, đồng thời phản ánh hiệu ứng bó ngang của bê tông.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt giữa kết quả thí nghiệm và dự đoán tiêu chuẩn là do các tiêu chuẩn hiện hành chưa cập nhật đầy đủ các đặc tính vật liệu cường độ siêu cao và chưa tính đến hiệu ứng bó ngang mạnh mẽ hơn trong vật liệu mới. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả luận văn phù hợp với xu hướng nâng cao khả năng chịu lực khi sử dụng vật liệu cường độ cao, đồng thời bổ sung thêm dữ liệu thực nghiệm đa dạng về hình học và vật liệu.

Việc phân tích quan hệ tải - biến dạng qua biểu đồ giúp minh họa rõ ràng các giai đoạn làm việc của cột CFST, có thể trình bày qua biểu đồ tải - biến dạng dọc trục để trực quan hóa sự thay đổi độ cứng và khả năng chịu lực. Mô hình chia thớ được đánh giá là công cụ hiệu quả để dự đoán ứng xử phi tuyến, hỗ trợ thiết kế và kiểm tra kết cấu trong thực tế.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc mở rộng phạm vi áp dụng tiêu chuẩn thiết kế, giúp kỹ sư có cơ sở khoa học để điều chỉnh hệ số an toàn và lựa chọn vật liệu phù hợp, đồng thời nâng cao độ tin cậy và hiệu quả kinh tế của công trình sử dụng cột CFST cường độ cao.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Cập nhật tiêu chuẩn thiết kế: Khuyến nghị các cơ quan quản lý và tổ chức tiêu chuẩn xem xét điều chỉnh giới hạn cường độ vật liệu và bổ sung các công thức tính toán phù hợp với vật liệu cường độ cao và siêu cao trong thiết kế cột CFST ngắn. Thời gian thực hiện dự kiến trong 2-3 năm, do các tổ chức tiêu chuẩn chủ trì.

2. Phát triển phần mềm mô phỏng ứng xử phi tuyến: Đề xuất phát triển và ứng dụng rộng rãi mô hình chia thớ (fiber model) trong phần mềm thiết kế kết cấu để dự đoán chính xác quan hệ lực - biến dạng và dạng mất ổn định. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và doanh nghiệp phần mềm kỹ thuật, trong vòng 1-2 năm.

3. Nâng cao chất lượng vật liệu và kiểm soát thi công: Khuyến khích áp dụng vật liệu cường độ cao và siêu cao trong thi công kết cấu CFST, đồng thời tăng cường kiểm tra chất lượng bê tông và thép để đảm bảo tính đồng nhất và hiệu quả liên kết. Chủ thể là nhà thầu xây dựng và đơn vị giám sát, thực hiện liên tục trong quá trình thi công.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ sư thiết kế: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế và phân tích kết cấu CFST sử dụng vật liệu cường độ cao, cập nhật kiến thức về tiêu chuẩn mới và công nghệ mô phỏng. Chủ thể là các trường đại học, viện đào tạo và các tổ chức chuyên ngành, thực hiện định kỳ hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và công cụ tính toán chính xác cho việc thiết kế cột CFST sử dụng vật liệu cường độ cao, giúp nâng cao hiệu quả và độ an toàn công trình.

2. Nhà thầu xây dựng và giám sát thi công: Thông tin về ứng xử vật liệu và đặc tính kết cấu hỗ trợ kiểm soát chất lượng thi công, lựa chọn vật liệu phù hợp và xử lý các vấn đề kỹ thuật phát sinh.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Luận văn tổng hợp dữ liệu thực nghiệm phong phú và phương pháp phân tích hiện đại, là tài liệu tham khảo quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo về kết cấu liên hợp.

4. Cơ quan quản lý và tổ chức tiêu chuẩn: Kết quả nghiên cứu giúp đánh giá và điều chỉnh các quy định thiết kế hiện hành, mở rộng phạm vi áp dụng cho vật liệu mới, nâng cao tính thực tiễn và an toàn của tiêu chuẩn.

Câu hỏi thường gặp

1. Cột CFST là gì và ưu điểm chính của nó?
   Cột CFST là kết cấu ống thép nhồi bê tông, kết hợp ưu điểm chịu kéo của thép và chịu nén của bê tông. Ưu điểm gồm khả năng chịu lực cao, biến dạng lớn, thi công nhanh và hiệu ứng bó ngang giúp tăng cường độ bê tông.

2. Vật liệu cường độ cao và siêu cao ảnh hưởng thế nào đến cột CFST?
   Sử dụng vật liệu cường độ cao và siêu cao làm tăng khả năng chịu lực danh nghĩa trung bình 15-20%, cải thiện độ cứng và độ dẻo của cột, đồng thời ảnh hưởng đến dạng mất ổn định và ứng xử phi tuyến.

3. Các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành có phù hợp với vật liệu mới không?
   Các tiêu chuẩn như Eurocode 4, AISC 360-16 và AS/NZS 2327-2017 có giới hạn cường độ vật liệu, do đó chưa hoàn toàn phù hợp với vật liệu cường độ siêu cao, dẫn đến đánh giá thấp khả năng chịu lực thực tế.

4. Mô hình chia thớ (fiber model) có ưu điểm gì?
   Mô hình chia thớ cho phép phân tích ứng xử phi tuyến của cột CFST bằng cách chia tiết diện thành các phần tử nhỏ, dự đoán chính xác quan hệ lực - biến dạng và dạng mất ổn định, hỗ trợ thiết kế và kiểm tra kết cấu.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
   Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng bằng cách cập nhật tiêu chuẩn thiết kế, sử dụng phần mềm mô phỏng fiber model, lựa chọn vật liệu phù hợp và đào tạo kỹ sư thiết kế để nâng cao hiệu quả và độ an toàn công trình.

Kết luận

• Luận văn đã tổng hợp và phân tích dữ liệu thí nghiệm của 1.337 mẫu cột CFST ngắn sử dụng vật liệu cường độ cao và siêu cao, cung cấp cái nhìn toàn diện về ứng xử chịu nén dọc trục.
• Các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành chưa hoàn toàn phù hợp với vật liệu mới, cần được điều chỉnh để phản ánh chính xác khả năng chịu lực và biến dạng.
• Mô hình chia thớ phát triển trong nghiên cứu dự đoán chính xác quan hệ lực - biến dạng, hỗ trợ thiết kế và phân tích kết cấu CFST.
• Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế, thi công và kiểm soát chất lượng kết cấu CFST trong xây dựng hiện đại.
• Đề xuất các hướng phát triển tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu cho cột CFST dài chịu nén uốn đồng thời và ứng dụng mô hình trong phần mềm thiết kế chuyên dụng.

Các kỹ sư và nhà nghiên cứu nên áp dụng kết quả nghiên cứu để cập nhật thiết kế, đồng thời phối hợp với các tổ chức tiêu chuẩn để điều chỉnh quy định phù hợp với vật liệu cường độ cao và siêu cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU Kết cấu ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tubes – CFST) tận dụng được ưu điểm của cả hai loại vật liệu thép và bê tông. CFST bao gồm ống thép rỗng có tiết diện chữ nhật hoặc tiết diện tròn và phần lõi bên trong là bê tông hoặc bê tông cốt thép. CFST đã được sử dụng rộng rãi trong những thiết kế kết cấu thông dụng như là cọc, cột nhà cao tầng, cổng cầu,…Những ưu điểm tuyệt vời của kết cấu CFST là: khả năng chịu lực tốt, cho phép biến dạng lớn, hấp thụ năng lượng tốt, thi công nhanh,… Hình 1.

Các tiết diện chính của cột CFST [1] Có một số ưu điểm khác biệt của kết cấu CFST và kết cấu thông thường khác đó chính là hiệu ứng bó ngang. Sự mất ổn định cục bộ liên quan đến ống thép thành mỏng do ứng suất bên trong lõi tác dụng lên. Hơn nữa, khả năng chịu lực của lõi bê tông được cải thiện do ống thép không cho bê tông nở hông (hiệu ứng bó ngang). Sự phân phối của vật liệu trong tiết diện cũng làm tăng hiệu quả chịu lực của kết cấu.

Ống thép được bố trí nằm ở biên ngoài kết cấu nơi mà thép được cho là hoạt động hiệu quả nhất khi chịu cắt và uốn. Ống thép cũng cung cấp độ cứng lớn nhất vì vật liệu nằm xa nhất từ trục trung hòa. Điều này, kết hợp với mô đun đàn hồi lớn hơn nhiều của thép, đóng góp lớn nhất vào khả năng chịu uốn, trong khi đó lõi bê tông chống lại sự nén dọc trục rất hiệu quả. 2 Trong những năm gần đây, sự phát triển của vật liệu thép và bê tông cường độ cao đã có những bước phát triển nhảy vọt, và cột CFST cường độ cao đã được sử dụng nhiều trong kết cấu xây dựng hiện nay.

Những ứng dụng nổi bật trên đã nói lên tầm quan trọng của việc sử dụng kết cấu CSFT cường độ cao trong kết cấu xây dựng hiện nay. Nhưng việc giới hạn về cường độ vật liệu trong những tiêu chuẩn thiết kế đã làm cho người thiết kế gặp những vấn đề khó khăn trong việc dự đoán khả năng chịu lực cho kết cấu CFST cường độ cao. Cho đến nay đã có nhiều nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng được đề xuất cho cột CFST ngắn chịu nén đúng tâm thông thường. Việc thí nghiệm và phân tích ứng xử cột CFST ngắn giúp các nghiên cứu và kĩ sư thiết kế hiểu được sự làm việc của kết cấu CFST, từ đó áp dụng vào việc phân tích và tính toán các cấu kiện chịu lực thông thường (cột chịu nén đúng tâm, cột chịu nén lệch tâm,…).

Trong khi đó, việc phân tích ứng xử và dự đoán cường độ cho cột CFST ngắn chịu nén đúng tâm cường độ cao và siêu cao thì chưa được nghiên cứu đầy đủ. Chính vì vậy, việc tính toán và mô phỏng cho cột ống thép nhồi bê tông (CFST) ngắn cường độ cao và siêu cao là thật sự cần thiết, nhằm cung cấp cơ sở lý luận về ứng xử và dự đoán khả năng chịu lực cho cột CFST ngắn cường độ cao và siêu cao đến kĩ sư thiết kế. Từ đó giúp cho việc dự đoán khả năng chịu lực của cột CFST ngắn cường độ cao được cải thiện đáng kể và điều chỉnh những hệ số an toàn cho phù hợp. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG THỰC TẾ 1.

TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC Việt Nam vẫn chưa ban hành tiêu chuẩn để tính toán thiết kế cấu kiện CFST. Các tài liệu và nghiên cứu xuất bản trong nước mới chỉ dừng lại ở việc giới thiệu các công thức tính toán thiết kế của nước ngoài, hoặc giới thiệu công nghệ thi công, hoặc giới thiệu phần mềm phân tích thiết kế. Các công trình nghiên cứu gần đây: 3 Chu Thị Bình [2] đã nghiên cứu ứng xử khi chịu cháy của cột ống thép nhồi bê tông tự đầm có thép hình làm cốt. Trong ngiên cứu này, Chu Thị Bình [2] đã thí nghiệm trên mười mẫu cột ống thép nhồi bê tông trong đó có hai mẫu được sơn phủ chống cháy.

Kết quả thí nghiệm của cột ống thép nhồi bê tông tự đầm chịu cháy đã cung cấp các kiến thức về truyền nhiệt và ứng xử cơ học của loại cột này khi chịu cháy. Phần mềm phân tích phi tuyến kết cấu SAFIR được dùng để mô phỏng phân tích nhiệt và ứng xử cơ học của cột ống thép nhồi bê tông. Kết quả thí nghiệm và mô phỏng tương đối giống nhau. Có thể nói rằng phần mềm SAFIR có thể mô phỏng tương đối chính xác sự làm việc của cột ống thép nhồi bê tông khi chịu cháy.

Dạng mất ổn định của cột ống thép nhồi bê tông trong nghiên cứu của Chu Thị Bình [2] Phan Đình Hào và Trịnh Hữu Hiệp [3] đã tiến hành mô phỏng cột ngắn ống thép nhồi bê tông cường độ cao chịu nén đúng tâm bằng phần mềm ABAQUS để tìm khả năng chịu lực tới hạn và ứng xử cơ học của cột ống thép nhồi bê tông. Trong nghiên cứu này, Phan Đình Hào và Trịnh Hữu Hiệp [3] đã chỉ ra rằng ứng xử cơ học và khả năng chịu nén cực hạn của cột ống thép nhồi bê tông phụ thuộc vào cách gia tải được áp dụng khi nén lên cột và các đặc tính của vật liệu cấu thành. Trong ba trường hợp đặt tải thì trường hợp đặt tải vào lõi bê tông cho kết quả cường độ chịu nén tối đa của cột lớn nhất 4 so với hai cách đặt tải còn lại. Bên cạnh đó, cường độ chịu nén của bê tông có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực tối đa của cột ống thép nhồi bê tông.

Hiệu ứng bó ngang của bê tông cũng tạo ra ứng suất nén ba trục và làm tăng cường độ chịu nén của lõi bê tông một cách đáng kể. Đinh Thị Như Thảo và cộng sự [4] đã phân tích cột ống thép nhồi bê tông chịu tải trọng tĩnh có kể đến tác động bậc hai và ứng xử phi đàn hồi bằng một chương trình máy tính được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình C++. Trong nghiên cứu này, Đinh Thị Như Thảo và cộng sự [4] đã dùng phương pháp phân tích bằng ma trận độ cứng tiếp tuyến phi tuyến của phần tử cột được thiết lập bằng nguyên lý Rayleigh-Ritz với giả thiết liên kết giữa ống thép và bê tông là liên kết lý tưởng. Bên cạnh đó, thuật toán chiều dài cũng được áp dụng để giải hệ phương trình cân bằng phi tuyến.

Kết quả phân tích thì tương đồng với kết quả thí nghiệm, điều này chứng tỏ rằng chương trình đã phát triển dự đoán tương đối chính xác ứng xử phi tuyến của cột ống thép nhồi bê tông. Lê Xuân Dũng và Phạm Mỹ [5] đã nghiên cứu ảnh hưởng của sự trượt tương đối giữa ống thép và lõi bê tông đến khả năng chịu lực nén lệch tâm của cột ống thép nhồi bê tông. Trong nghiên cứu này, Lê Xuân Dũng và Phạm Mỹ [5] đã xem xét đến các điều kiện không lý tưởng như là: vị trí đặt tải, sai số do chế tạo, ngoài chịu nén thì cột còn làm việc trong điều kiện chịu uốn, đặc biệt ảnh hưởng của hiệu ứng P-δ gây cho cột nhiều ứng xử phức tạp, nhất là đối với loại cột ống thép nhồi bê tông. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng xác định sự trượt tương đối giữa ống thép và bê tông trong cấu kiện ống thép nhồi bê tông chỉ mang tính định lượng.

Bên cạnh đó, sự trượt đóng vai trò hết sức quan trọng và ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm việc của cột ống thép nhồi bê tông khi chịu tải trọng nén lệch tâm. Lê Xuân Dũng và Phạm Mỹ [5] đã dùng phương pháp phần tử hữu hạn để thiết lập mối quan hệ trượt tương đối và ứng suất tiếp xúc; tải trọng nén lệch tâm và độ lệch ngang của cột; và nhiều mối quan hệ khác giữa ống thép và bê tông. Hoàng Mạnh Hiền [6] đã nghiên cứu cách tính toán nội lực cầu vòm ống thép nhồi bê tông liên hợp với hệ treo. Trong nghiên cứu này, Hoàng Mạnh Hiền [6] đã chỉ ra rằng 5 cầu vòm liên hợp đã khắc phục lực đẩy ngang đáng kể, các nội lực trong các kết cấu đã giảm đi rất nhiều.

Bên cạnh đó, nhờ vào hiệu ứng bó ngang của kết cấu ống thép nhồi bê tông đã làm tăng khả năng chịu lực của kết cấu. Ngoài ra, độ ổn định của của cầu vòm ống thép nhồi bê tông tốt hơn nhiều so với cầu vòm ống thép. Qua nghiên cứu này, Hoàng Mạnh Hiền [6] đã đề xuất sơ đồ tính cầu vòm ống thép nhồi bê tông với chiều dài nhịp L = (80 – 200) m để phù hợp về kinh tế và kỹ thuật. Nguyễn Đình Hòa và Nguyễn Quốc Cường [7] đã trình bày cách tính toán cột liên hợp thép – bê tông theo tiêu chuẩn EC 4 [8] và đánh giá hiệu quả của cột liên hợp thép – bê tông trong nhà công nghiệp tiền chế.

Trong nghiên cứu này, Nguyễn Đình Hòa và Nguyễn Quốc Cường [7] đã chỉ ra rằng sử dụng cột liên hợp thép – bê tông đã làm tăng độ cứng khung, nâng cao khả năng chịu lực so với cột thép thuần túy. Bên cạnh đó, cột liên hợp thép – bê tông trong nhà công nghiệp còn đảm bảo trạng thái giới hạn về khả năng chịu lực và trạng thái giới hạn về sử dụng đều đạt hiệu quả cao. Ngoài ra, khi sử dụng cột liên hợp thép – bê tông còn đảm bảo về khả năng chịu lửa, chống ăn mòn tốt hơn so với cột thép thuần túy. Thái Sơn và cộng sự [9] đã nghiên cứu ứng xử cột ống thép nhồi bê tông cường độ cao tiết diện chữ nhật chịu nén đúng tâm bằng phần mềm phân tích phi tuyến ABAQUS.

Trong nghiên cứu này, Thái Sơn và cộng sự [9] đã dùng phần mềm ABAQUS để giải thích phi tuyến hình học, tính cơ học của vật liệu. Bên cạnh đó, Thái Sơn và cộng sự [9] cũng đề xuất mô hình sử dụng ứng suất dư cho thép tổ hợp và những điều kiện không lý tưởng ban đầu. Ngoài ra, lý thuyết ứng suất – biến dạng của bê tông bó ngang được đề xuất để giải thích cho sự làm việc liên hợp. Kết quả mô phỏng đã chỉ ra rằng mô hình đề xuất dự đoán chính xác khả năng chịu lực, mối quan hệ tải – biến dạng, dạng mất ổn định của cột ống thép nhồi bê tông.

Phạm Thái Hoàn [10] đã dùng thuật toán XGBoost, một trong những kỹ thuật trí tuệ nhân tạo (AI) để ước lượng khả năng chịu nén đúng tâm của cột ống thép nhồi bê tông.