Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU Cột thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube – CFST) càng ngày được sử dụng rộng rãi trong các kết cấu nhà cao tầng, cầu đường và các kết cấu phức tạp. Các cột thép / bê tông tổng hợp kết hợp các ưu điểm của cả hai loại vật liệu. Cột CFST bao gồm một ống thép của một mặt cắt tròn hoặc hình vuông chứa đầy bê tông. Đặc điểm chung của các kết cấu thì là khả năng chịu lực lớn so với mặt cắt tiết diện, có tính dẻo cao, khả năng phân tán năng lượng và quá trình thi công nhanh.
Đây cũng là những ưu điểm nổi bật của cột thép CFST. Vì những lý do này, các cột CFST đã ngày càng được nghiên cứu trong vài thập kỷ qua để hiểu rõ hơn về hành vi của chúng trong cấu trúc cao tầng.1 Mặt cắt tiết diện các loại cột CFST. ❖ Ưu điểm so với cột thép thuần túy: • Khả năng chống cháy và chịu lửa cao hơn; • Khả năng chịu uốn và chống va đập cao hơn • Sự mất ổn định cục bộ của ống thép bị ngăn chặn; • Hệ số dao động cao hơn; • Giảm được độ mảnh của cấu kiện; • Hạn chế ăn mòn cốt thép bề mặt bên trong; -1- • Đều thi công nhanh giống nhau. ❖ Ưu điểm so với cột bê tông cốt thép (BTCT) thông thường: • Cường độ chịu tải, độ cứng và độ dẻo cao hơn; • Thi công nhanh hơn; • Khả năng chịu uốn, chống va đập cao hơn; • Không có sự nứt vỡ của bê tông khi chịu lửa, dẫn đến khả năng chịu lửa, chống cháy cao hơn; • Co ngót khô và từ biến thấp hơn do bê tông không có sự trao đổi ẩm với môi trường bên ngoài.
❖ Ưu điểm so với các cột liên hợp thông thường khác không có ống thép bọc ngoài: • Hiệu ứng kiềm chế chế nở hông mạnh hơn dẫn đến tăng cường độ chịu tải nén và độ dẻo tốt hơn; • Thi công nhanh hơn; • Không có sự nứt vỡ của bê tông khi chịu lửa, dẫn đến khả năng chịu lửa và chống cháy cao hơn. Đã có nhiều nghiên cứu về mô hình vật liệu cho bê tông và công thức tính toán khả năng chịu lực của cấu kiện CFST. Các tiêu chuẩn thiết kế trên thế giới như EC- 4, ANSI-AISC, ACI, CISC, AS 5100, DBJ, GB5096 có các công thức tính khả năng chịu lực và các kết quả này cho ra các giá trị khác nhau. Vì vậy các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm vẫn tiếp tục thực hiện với một mục đích duy nhất là khảo sát ứng xử của cột CFST thông qua mô hình vật liệu và đồng thời đề xuất một công thức tính toán tin cậy phục vụ cho công tác thiết kế.
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghệ phần cứng của máy tính và các phần mềm ứng dụng, học viên sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn ABAQUS để mô phỏng ứng xử của cột CFST, đồng thời xác định được khả năng chịu nén cực hạn của cột. Kết quả mô phỏng số này giúp đánh giá ứng xử của lõi bê tông và vỏ thép một cách chính xác, hiệu quả, giảm chi kinh phí thí nghiệm và cho kết quả nhanh chóng.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU Các nghiên cứu mở rộng và thử nghiệm đã được tiến hành để tính hiểu hành vi và ứng xử của cột CFST chủ yếu từ những năm 1960 Shanmugam and Lakshmi (2001). Từ các nghiên cứu này, các tiêu chuẩn khác nhau trên thế giới đã xây dựng các công thức nhằm phản ảnh đúng ứng xử của các cột CFST, chẳng hạn như Úc, Trung Quốc, Nhật Bản, Mỹ Tao et al. Ngày nay, phương pháp phần tử hữu hạn đang trở nên phổ biến để mô hình hóa các cột CFST nhờ sự phát triển của các phần mềm thương mại như ABAQUS và ANSYS.
Phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn cho phép mô hình hóa trực tiếp kết hợp giữa bê tông và vỏ thép, và các yếu tố khác như sự không hoàn hảo về mặt tiết diện, ứng suất dư và điều kiện biên. Nhờ vậy có thể xem xét một cách chính xác các ứng xử thực tế gặp phải trong cột CFST. Tình hình nghiên cứu trên thế giới. Nghiên cứu Uy (1998) kể tới sự mất ổn định cục bộ của vỏ thép mỏng trong cấu tao cột thép nhồi bê tông.
Khái niệm về mất ổn định và ảnh hưởng của hiệu ứng này đến sức chịu tải sẽ được đề cập chi tiết trong nghiên cứu. Các thí nghiệm đa dạng cho hiệu ứng mất ổn định và ứng suất dư tại vỏ thép hàn tạo ra ứng suất kéo và nén trên vỏ thép. Giới hạn độ mảnh có được từ phân tích sẽ được so sánh với các tiêu chuẩn hiện tại của Úc và Anh. Nghiên cứu Uy (2000) đề cập tới các ứng xử của cột ngắn dưới tải trọng kết hợp như nén dọc trục và uốn.
Nghiên cứu đề cập đến ảnh hưởng của giới hạn độ mảnh của vỏ thép. Một một hình đơn giản cho việc xác định biểu đồ tương tác cho cả 2 kết quả từ thực nghiệm và mô hình số sẽ được phát triển trong nghiên cứu. Nghiên cứu Han (2002) ứng xử cột thép nhồi bê tông có tiết diện hình chữ nhật. Tổng cộng có 24 mẫu đã được nghiên cứu.
Các tham số chính khác nhau các thử nghiệm là: (1) hệ số ép ngang c có giới hạn từ 0. Mục tiêu chính của các thử nghiệm gồm 3 giai đoạn. Đầu tiên mô phỏng hàng loạt các thí nghiệm của cột CFST. Tiếp theo, phân tích ảnh hưởng của các tham số được nêu ở trên.
Cuối cùng, kiểm tra tính chính xác của mô hình -3- bằng các tiêu chuẩn hiện hành như LRFD, AIJ, EC4, GJB142. Kết quả thí nghiệm chỉ ra rằng các tham số kể trên có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu tải trọng nén dọc trục của cột. Nghiên cứu Hu et al. (2003) thành lập mô hình vật liệu thích hợp cho cột ống thép nhồi bê tông và kiểm tra bởi phần mềm thương mại ABAQUS trong nghiên cứu ứng xử phi tuyến của cột ngắn CFST chịu tải nén dọc trục.
Họ đề xuất một mô hình ứng xuất ép ngang cho bê tông cường độ cao và cường độ thường trong cột CFST tròn. Trong phương pháp số xem xét ba loại tiết diện: tròn, vuông và tiết diện vuông được gia cường bởi các thép thanh. Kết quả từ phân tích số kết luận rằng đối với các cột CFST tròn, ống thép giam cầm tạo ra ứng suất ép ngang rất tốt, đặc biệt là khi tỷ lệ bề dày và đường kính ống thép là nhỏ (D/t < 40). Đối với cột CFST vuông, ống thép không tạo ra hiệu ứng ép ngang tốt, đặc biệt khi tỷ lệ chiều rộng với bề dày lớn (B/t > 30).
Ảnh hưởng của ứng suất ép ngang trong cột CFST vuông được gia cường các thanh cột thép được tăng cao, đặc biệt khi khoảng cách các thanh thép nhỏ và số lượng hoặc đường kính các thanh thép lớn. Nghiên cứu Giakoumelis and Lam (2004) nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của ống thép nhồi bê tông với các cường độ bê tông khác nhau dưới tải trọng nén dọc trục. Các tác động bởi bề dày ống thép, cường độ bám dính giữa bê tông và ống thép, và tác động ép ngang của vỏ thép lên lõi bê tông ảnh hưởng đến khả năng chịu nén của cột CFST tròn ngắn được khảo sát. Cường độ cột thực nghiệm được so sánh với các giả trị tính theo tiêu chuẩn Eurocode 4, Úc và Mỹ.
15 mẫu đã được thực nghiệm với cường độ bê tông lần lợt là 30, 60 và 100 MPa với tỷ lệ đường kính và chiều dày ống thép từ 22. Tất cả các cột đều có đường kính 114mm và chiều cao cột 300mm. Đối với bê tông cường độ cao thì ảnh hưởng bởi co ngót bê tông là lớn và không đáng kể. Cả ba tiêu chuẩn thiết kế trên đều dự đoán giá trị thấp hơn so với kết quả thí nghiệm.
Eurocode 4 dự đoán tốt nhất cho cột ống thép nhồi bê tông so với 2 tiêu chuẩn hiện hành còn lại cho cả hai trường hợp bê tông cường độ thấp và bê tông cường độ cao. -4- Nghiên cứu Sakino et al. (2004) các thử nghiệm này là làm rõ sự tương tác giữa ống thép và bê tông đổ đầy, và đưa ra các phương pháp để mô tả mối quan hệ biến dạng tải trọng của các cột CFT. Tổng cộng có 114 mẫu được chế tạo và thử nghiệm trong giai đoạn thử nghiệm điều tra trên các cột ngắn và CFT được tải tập trung.
Các thông số cho các bài kiểm tra như: hình dạng ống, ứng suất chảy dẻo ống, tỷ lệ đường kính ống với độ dày và cường độ bê tông. Khi xác định phạm vi của các tham số, người ta nhấn mạnh vào việc thu được một phạm vi dữ liệu thử nghiệm rộng để thiết lập một phương pháp thiết kế áp dụng chung cho các hệ thống cột CFT. Các công thức thiết kế để ước tính khả năng tải nén dọc trục được đề xuất cho các cột CFT với cả phần hình tròn và hình vuông dựa trên kết quả thử nghiệm được mô tả trong nghiên cứu này. Nghiên cứu Liu and Gho (2005) tiến hành thử nghiệm nén dọc trục các cột có tiết diện hình chữ nhật.
tổng cộng có 26 mẫu được nén đồng tâm. Với kết quả so sánh với các tiêu chuẩn ACI và AISC cho dự đoán gần chính xác so với thực nghiệm. Chênh lệch lần lượt giũa 2 tiêu chuẩn 7% và 8%. Mặt khác với EC4 thì cho ra kết quả thấp hơn so với thực nghiệm lớn.
Một mô hình vật liệu bê tông mới cho phép dự đoán chính xác ứng xử phi tuyết của các cột CFST sử dụng vật liệu cường độ cao. Nghiên cứu Han et al. (2005a) chỉ ra ứng xử của các cột bê tông cốt thép rỗng (HSS) và cột thép nhồi bê tông (CFST) chịu tải trọng nén dọc trục. Tổng cộng có 50 mẫu thí nghiệm.
Các tham số chính khác nhau trong thí nghiệm là: (1) mặt cắt tiết diện ngang (tròn hoặc vuông); (2) cường độ chảy dẻo của thép trong khoảng từ 282 MPa đến 404 MPa; và (3) tỷ lệ đường kính hoặc chiều rộng với bề dày thành ống (D/t hoặc B/t) trong khoảng 30 đến 134. Một mô hình cơ học được phát triển trong nghiên cứu trên. Một lý thuyết thống nhất được trình bày trong nghiên cứu theo đó một hệ số ép ngang đưa ra để mô tả tác động của thép và bê tông trong cột CFST. Tải trọng dự đoán so với mới quan hệ biến dạng phù hợp với kết quả thí nghiệm.