Tổng quan nghiên cứu

Cột thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube – CFST) ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng nhà cao tầng, cầu đường và các kết cấu phức tạp nhờ khả năng chịu lực lớn, tính dẻo cao và thi công nhanh. Theo báo cáo ngành, các cột CFST kết hợp ưu điểm của thép và bê tông, như khả năng chống cháy, chịu uốn, chống va đập vượt trội so với cột thép thuần túy và bê tông cốt thép thông thường. Tuy nhiên, các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành trên thế giới như EC-4, ANSI-AISC, ACI, CISC, AS 5100, DBJ, GB5096 lại đưa ra các công thức tính toán khả năng chịu lực khác nhau, gây khó khăn trong việc áp dụng thống nhất.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích ứng xử của cột CFST dưới tải trọng nén dọc trục, đề xuất mô hình vật liệu bê tông mới và công thức tính toán lực nén tới hạn chính xác hơn, dựa trên dữ liệu hơn 900 mẫu thí nghiệm quốc tế và trong nước. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào cột CFST tiết diện tròn và vuông, với tỷ lệ chiều dài trên đường kính L/D ≤ 3.5, sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn ABAQUS để mô phỏng ứng xử phi tuyến của kết cấu.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy của các công thức thiết kế, góp phần phát triển tiêu chuẩn thiết kế cột CFST phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam và xu hướng ứng dụng vật liệu cường độ cao trong xây dựng hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về cơ học vật liệu và kết cấu, bao gồm:

  • Lý thuyết đàn hồi: Nghiên cứu tính chất đàn hồi của vật liệu, mô tả quan hệ ứng suất – biến dạng trong giai đoạn đàn hồi, làm cơ sở cho phân tích ứng xử kết cấu.
  • Tensor ứng suất và biến dạng: Sử dụng tensor bậc hai để mô tả trạng thái ứng suất và biến dạng tại một điểm trong vật liệu, bao gồm các thành phần ứng suất pháp và ứng suất tiếp, cũng như tensor biến dạng Green – St Venant.
  • Mô hình vật liệu bê tông phá hoại dẻo (Concrete Damage Plasticity – CDP): Mô hình này mô tả ứng xử phi tuyến của bê tông chịu nén và chịu kéo, bao gồm các tham số như năng lượng phá hoại, bề mặt chảy dẻo, và các đường cong ứng suất – biến dạng đặc trưng.
  • Mô hình vật liệu thép: Áp dụng mô hình đàn dẻo lý tưởng hoặc mô hình đàn hồi tăng bền đa tuyến tính tùy theo loại tiết diện, với các tham số như cường độ chảy dẻo (fy), biến dạng dẻo (εy), biến dạng giới hạn (εu), và cường độ giới hạn (fu).
  • Cơ chế tương tác giữa vỏ thép và lõi bê tông: Bao gồm các yếu tố như độ bám dính, ma sát, liên kết chống cắt và sự khác biệt hệ số nở hông giữa thép và bê tông, ảnh hưởng đến khả năng chịu lực và độ dẻo của cột CFST.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập và tổng hợp hơn 900 mẫu thí nghiệm từ các công bố quốc tế và phòng thí nghiệm trong nước, bao gồm các mẫu cột CFST tiết diện tròn và vuông với các cường độ vật liệu khác nhau.
  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn ABAQUS để mô phỏng ứng xử phi tuyến của cột CFST dưới tải nén dọc trục. Mô hình phần tử được lựa chọn gồm phần tử khối C3D8R cho lõi bê tông và vỏ thép tiết diện vuông, phần tử tấm S4R và phần tử CAX4R cho tiết diện tròn nhằm tối ưu độ chính xác và hiệu quả tính toán.
  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu gồm các bước chính: xây dựng mô hình vật liệu bê tông và thép, thiết lập mô hình phần tử hữu hạn, mô phỏng các trường hợp thí nghiệm, kiểm chứng mô hình với dữ liệu thực nghiệm, và đề xuất công thức thiết kế mới. Thời gian thực hiện kéo dài trong khóa học cao học 2017-2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình vật liệu bê tông mới: Mô hình ứng suất – biến dạng bê tông (σ – ε) được đề xuất có xét đến phi tuyến vật liệu và ứng suất dư trong vỏ thép, được đánh giá trên 80 mẫu thí nghiệm với đường cong lực – biến dạng. Mô hình này cho kết quả dự đoán lực nén tới hạn (Nu) chính xác hơn, với tỷ số Ntest/Nu gần 1, thể hiện độ tin cậy cao.

  2. Ảnh hưởng của ứng suất ép ngang (fB): Công thức tính ứng suất ép ngang của vỏ thép tác động lên lõi bê tông được xác định qua hồi quy đa biến với các tham số như tỷ số D/t (hoặc Beq/t), cường độ bê tông (fc’), và cường độ thép (fy). Kết quả cho thấy ứng suất ép ngang đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ chịu nén và độ dẻo của cột CFST, đặc biệt với tiết diện tròn.

  3. So sánh với các tiêu chuẩn hiện hành: Công thức đề xuất tính lực nén tới hạn của cột CFST cho kết quả dự đoán gần sát với thực nghiệm hơn so với các tiêu chuẩn như EC-4, ACI, AIJ, và các công thức trước đây. Đặc biệt, công thức mới mở rộng được phạm vi áp dụng cho vật liệu cường độ cao và siêu cao.

  4. Ảnh hưởng của tiết diện và vật liệu: Cột CFST tiết diện vuông có xu hướng mất ổn định cục bộ sớm hơn so với tiết diện tròn do ứng suất ép ngang không phân bố đều. Thép trong cột tiết diện vuông thường không đạt giai đoạn tăng bền, do đó mô hình thép đàn dẻo lý tưởng phù hợp hơn. Ngược lại, cột tiết diện tròn có thể mô phỏng chính xác với mô hình thép đàn hồi tăng bền đa tuyến.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do sự tương tác phức tạp giữa lõi bê tông và vỏ thép, trong đó ứng suất ép ngang từ vỏ thép đóng vai trò kiềm chế sự nở hông của bê tông, làm tăng cường độ và độ dẻo của kết cấu. Việc sử dụng mô hình vật liệu bê tông CDP kết hợp với mô hình vật liệu thép phù hợp giúp mô phỏng chính xác ứng xử phi tuyến của cột CFST.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả luận văn khẳng định tính ưu việt của mô hình đề xuất trong việc dự đoán lực nén tới hạn, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học để điều chỉnh các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành. Các biểu đồ lực – biến dạng và tỷ số Ntest/Nu được trình bày rõ ràng trong luận văn giúp minh họa sự phù hợp của mô hình với dữ liệu thực nghiệm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình vật liệu bê tông CDP trong thiết kế cột CFST: Khuyến nghị các kỹ sư và nhà thiết kế sử dụng mô hình vật liệu bê tông CDP đã được hiệu chỉnh để mô phỏng ứng xử phi tuyến, nhằm nâng cao độ chính xác trong tính toán khả năng chịu lực. Thời gian áp dụng trong vòng 1-2 năm, chủ thể là các công ty thiết kế kết cấu.

  2. Sử dụng công thức tính ứng suất ép ngang mới: Đề xuất áp dụng công thức hồi quy đa biến xác định ứng suất ép ngang fB dựa trên tỷ số D/t, cường độ bê tông và thép để tính toán lực nén tới hạn. Giải pháp này giúp cải thiện dự đoán khả năng chịu lực, đặc biệt với vật liệu cường độ cao. Chủ thể thực hiện là các viện nghiên cứu và tổ chức tiêu chuẩn.

  3. Cập nhật tiêu chuẩn thiết kế cột CFST: Khuyến nghị các cơ quan quản lý xây dựng và tiêu chuẩn kỹ thuật xem xét bổ sung công thức và mô hình mới vào các tiêu chuẩn thiết kế quốc gia, nhằm đồng bộ hóa với thực tiễn và nâng cao an toàn công trình. Thời gian thực hiện trong 3-5 năm.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ mô phỏng phần tử hữu hạn: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về phần mềm ABAQUS và mô hình phần tử hữu hạn cho kỹ sư xây dựng, giúp nâng cao năng lực phân tích kết cấu phức tạp. Chủ thể là các trường đại học và trung tâm đào tạo chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Nắm bắt các mô hình vật liệu và công thức tính toán mới giúp thiết kế cột CFST chính xác, tiết kiệm vật liệu và đảm bảo an toàn công trình.

  2. Nhà nghiên cứu và giảng viên đại học: Cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm phong phú để phát triển nghiên cứu sâu hơn về vật liệu và kết cấu CFST.

  3. Cơ quan quản lý và xây dựng tiêu chuẩn: Tham khảo để cập nhật và hoàn thiện các tiêu chuẩn thiết kế phù hợp với xu hướng phát triển vật liệu và công nghệ xây dựng hiện đại.

  4. Doanh nghiệp thi công và tư vấn xây dựng: Hiểu rõ ứng xử thực tế của cột CFST giúp tối ưu hóa quy trình thi công, kiểm soát chất lượng và dự báo hiệu suất công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình vật liệu bê tông CDP có ưu điểm gì so với mô hình truyền thống?
    Mô hình CDP mô tả chính xác ứng xử phi tuyến của bê tông, bao gồm cả phá hoại dẻo và ảnh hưởng của ứng suất ép ngang, giúp dự đoán lực nén tới hạn sát với thực nghiệm hơn. Ví dụ, mô hình này đã được kiểm chứng trên hơn 80 mẫu thí nghiệm với sai số nhỏ.

  2. Tại sao ứng suất ép ngang của vỏ thép lại quan trọng trong cột CFST?
    Ứng suất ép ngang giúp kiềm chế sự nở hông của lõi bê tông, tăng cường độ chịu nén và độ dẻo của cột. Nghiên cứu cho thấy với tỷ số D/t nhỏ, hiệu ứng này càng rõ rệt, đặc biệt ở cột tiết diện tròn.

  3. Phần mềm ABAQUS được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    ABAQUS được dùng để mô phỏng phần tử hữu hạn, phân tích ứng xử phi tuyến của cột CFST dưới tải nén dọc trục, giúp giảm chi phí thí nghiệm và cho kết quả nhanh chóng, chính xác.

  4. Công thức đề xuất có áp dụng cho vật liệu cường độ cao không?
    Có, công thức được hiệu chỉnh và kiểm chứng trên dữ liệu vật liệu cường độ cao và siêu cao, mở rộng phạm vi áp dụng so với các tiêu chuẩn hiện hành.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế thiết kế?
    Kỹ sư thiết kế có thể sử dụng mô hình vật liệu và công thức tính toán đề xuất để phân tích và thiết kế cột CFST, đồng thời phối hợp với phần mềm mô phỏng để kiểm tra ứng xử kết cấu trước khi thi công.

Kết luận

  • Đã phát triển mô hình vật liệu bê tông mới (σ – ε) cho cột CFST, xét đến phi tuyến và ứng suất dư, được kiểm chứng trên hơn 80 mẫu thí nghiệm.
  • Đề xuất công thức tính ứng suất ép ngang vỏ thép dựa trên hồi quy đa biến với các tham số hình học và vật liệu, nâng cao độ chính xác dự đoán lực nén tới hạn.
  • So sánh với hơn 900 mẫu thí nghiệm quốc tế, mô hình và công thức mới cho kết quả dự đoán sát thực tế hơn các tiêu chuẩn hiện hành.
  • Đề xuất cập nhật tiêu chuẩn thiết kế và đào tạo kỹ sư sử dụng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn để nâng cao chất lượng thiết kế và thi công.
  • Khuyến nghị các bước tiếp theo gồm áp dụng mô hình trong thiết kế thực tế, mở rộng nghiên cứu cho các loại tải trọng phức tạp và vật liệu mới.

Hành động tiếp theo là triển khai đào tạo, cập nhật tiêu chuẩn và áp dụng mô hình trong các dự án xây dựng thực tế nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn công trình.