Tổng quan nghiên cứu

Cột ống thép tròn nhồi bê tông (CFST) là loại cấu kiện phổ biến trong xây dựng nhà cao tầng nhờ độ bền và độ cứng vượt trội so với kết cấu truyền thống. Theo ước tính, việc sử dụng CFST giúp tăng cường độ chịu lực và độ dẻo dai của lõi bê tông nhờ tác động “bó” của ống thép bao quanh. Tuy nhiên, các phương pháp phân tích phi tuyến và phi đàn hồi hiện nay chưa hoàn toàn xem xét đầy đủ tác động này, đặc biệt với bê tông cường độ cao và sự sai lệch hình học ban đầu của cấu kiện. Mục tiêu nghiên cứu là phát triển mô hình số dựa trên phương pháp dầm-cột kết hợp với phương pháp thớ để phân tích ứng xử tĩnh của cột CFST tròn nhồi bê tông cường độ cao dưới tải trọng dọc trục và mômen uốn, đồng thời xây dựng chương trình phân tích bằng MATLAB để kiểm chứng độ tin cậy mô hình.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các cấu kiện CFST tròn mảnh với các biến đổi về tỷ lệ độ mảnh, tỷ lệ độ lệch điểm đặt lực, cường độ chịu nén bê tông, cường độ chảy dẻo thép và tỷ lệ thép. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ tháng 01 đến tháng 06 năm 2015 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác của các phương pháp phân tích và thiết kế kết cấu CFST, góp phần phát triển tiêu chuẩn thiết kế trong nước và quốc tế, đồng thời hỗ trợ tối ưu hóa chi phí và hiệu quả thi công công trình dân dụng và công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai mô hình vật liệu cơ bản cho thép và bê tông trong cấu kiện CFST. Mô hình vật liệu thép được mô tả bằng đường cong ứng suất-biến dạng lý tưởng hóa thành các đoạn thang, trong đó có xét đến biến dạng chảy, tái bền và biến dạng cực hạn của thép cường độ cao. Mô hình vật liệu bê tông được xây dựng dựa trên mô hình ứng suất-biến dạng của bê tông bị “bó” trong ống thép, theo phương trình của Mander cùng cộng sự, có tính đến áp lực bó ngang lên lõi bê tông và sự gia tăng cường độ chịu nén cũng như độ dẻo dai của bê tông cường độ cao.

Phương pháp phân tích ứng xử phi tuyến phi đàn hồi của dầm-cột CFST tròn mảnh được phát triển dựa trên mô hình số của Liang, kết hợp phương pháp dầm-cột và phương pháp thớ để xác định trạng thái cân bằng trong phân tích ổn định phi đàn hồi. Mô hình số xem xét các yếu tố như tác động bó lõi bê tông, sự không hoàn hảo hình học ban đầu, độ mảnh cột, tỷ lệ độ lệch điểm đặt lực, cường độ chịu nén bê tông, cường độ chảy dẻo thép và tỷ lệ thép trong cấu kiện.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm các kết quả thực nghiệm từ các mẫu dầm-cột CFST tròn mảnh do các tác giả trong và ngoài nước thực hiện, cùng với các dữ liệu mô phỏng số được phát triển trong luận văn. Phương pháp phân tích sử dụng thuật toán lặp gia tăng tải trọng và tính toán vị trí trục trung hòa để xác định đường cong tải trọng - độ lệch của cấu kiện. Tiết diện dầm-cột được chia thành nhiều thớ thép và bê tông nhỏ để cập nhật liên tục ứng suất và biến dạng theo từng giai đoạn phân tích.

Chương trình phân tích được xây dựng bằng ngôn ngữ MATLAB, với cỡ mẫu gồm nhiều thớ phân chia theo phương bán kính và phương vòng của tiết diện, số bước lặp được điều chỉnh để đảm bảo hội tụ kết quả. Quá trình nghiên cứu kéo dài từ tháng 01 đến tháng 06 năm 2015, bao gồm giai đoạn phát triển mô hình, lập trình, kiểm chứng và khảo sát các tham số ảnh hưởng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ chính xác của mô hình số: Mô hình số phát triển cho kết quả cường độ cực hạn và đường cong tải trọng - độ lệch của dầm-cột CFST tròn mảnh tương đồng với kết quả thực nghiệm và mô hình của Liang, với sai số chấp nhận được trong khoảng 4-7%. Ví dụ, mẫu M5 có sai lệch cường độ cực hạn so với thực nghiệm khoảng 6%, mẫu C6 sai lệch khoảng 5%, và mẫu C10 sai lệch chỉ 4%.

  2. Ảnh hưởng của độ mảnh cột (L/r): Khi độ mảnh tăng từ 22 đến 100, độ cứng chống uốn và cường độ tải cực hạn giảm đáng kể, trong khi độ lệch giữa nhịp tăng lên. So sánh với mô hình của Liang cho thấy sai số khoảng 3%, khẳng định tính tin cậy của mô hình.

  3. Ảnh hưởng của tỷ lệ độ lệch điểm đặt lực (e/D): Tỷ lệ e/D nhỏ hơn 0.6 giúp tăng độ cứng và cường độ cực hạn của cấu kiện. Khi tăng e/D, cường độ tải trọng dọc trục giảm và cấu kiện dễ bị uốn hơn. Sai số so với mô hình Liang khoảng 2.7%.

  4. Ảnh hưởng của cường độ chịu nén bê tông (f'c): Khi tăng f'c từ 70 MPa lên 110 MPa, cường độ dọc trục tăng khoảng 13%. Đường cong tải trọng - độ lệch cũng thể hiện sự gia tăng độ cứng và cường độ. Sai số so với mô hình Liang khoảng 7%.

  5. Ảnh hưởng của cường độ chảy dẻo thép (fsy): Cường độ chảy dẻo thép không ảnh hưởng nhiều đến độ cứng ban đầu nhưng làm tăng cường độ lực dọc cực hạn lên đến 8% khi tăng fsy từ 500 MPa lên 690 MPa. Sai số so với mô hình Liang khoảng 6%.

  6. Ảnh hưởng của tỷ lệ thép (p): Tăng tỷ lệ thép từ 0.04 lên 0.16 làm tăng độ cứng và cường độ cực hạn của dầm-cột CFST tròn mảnh lên đến 16%. Sai số so với mô hình Liang dưới 5%.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy mô hình số phát triển có khả năng mô phỏng chính xác ứng xử phi tuyến phi đàn hồi của dầm-cột CFST tròn mảnh cường độ cao dưới tải trọng dọc trục và mômen uốn. Việc xem xét tác động bó lõi bê tông và sự không hoàn hảo hình học ban đầu giúp cải thiện độ chính xác so với các phương pháp phân tích truyền thống. Các biểu đồ tải trọng - độ lệch minh họa rõ ràng sự ảnh hưởng của các tham số kỹ thuật đến hiệu suất chịu lực của cấu kiện.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, mô hình này khắc phục được hạn chế về việc chưa xét đến tác động bó bê tông và vật liệu cường độ cao, đồng thời cung cấp công cụ phân tích và thiết kế hiệu quả cho các kỹ sư xây dựng. Kết quả cũng góp phần làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền và độ dẻo của cấu kiện, từ đó hỗ trợ việc tối ưu hóa thiết kế và nâng cao an toàn công trình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình số trong thiết kế kỹ thuật: Khuyến nghị các đơn vị thiết kế và thi công sử dụng chương trình phân tích phát triển để dự đoán chính xác ứng xử và cường độ chịu lực của dầm-cột CFST tròn mảnh, đặc biệt với bê tông cường độ cao, nhằm nâng cao độ an toàn và hiệu quả kinh tế.

  2. Tăng cường nghiên cứu thực nghiệm: Đề xuất thực hiện thêm các thí nghiệm quy mô lớn với đa dạng kích thước và vật liệu để bổ sung dữ liệu kiểm chứng, giảm thiểu sai số và hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế trong nước.

  3. Phát triển tiêu chuẩn thiết kế CFST: Khuyến nghị các cơ quan quản lý xây dựng và viện nghiên cứu xây dựng phối hợp xây dựng tiêu chuẩn thiết kế kết cấu CFST phù hợp với điều kiện Việt Nam, dựa trên kết quả nghiên cứu và mô hình số đã phát triển.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo, hội thảo chuyên sâu về phân tích và thiết kế CFST cho kỹ sư xây dựng, đồng thời chuyển giao phần mềm phân tích để nâng cao năng lực chuyên môn và ứng dụng thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Nghiên cứu cung cấp công cụ và kiến thức để phân tích chính xác ứng xử phi tuyến của dầm-cột CFST, hỗ trợ thiết kế an toàn và tối ưu.

  2. Nhà thầu thi công công trình cao tầng: Hiểu rõ đặc tính chịu lực và các yếu tố ảnh hưởng giúp kiểm soát chất lượng thi công, lựa chọn vật liệu phù hợp và dự báo hiệu suất công trình.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành xây dựng: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về kết cấu liên hợp thép - bê tông, đặc biệt trong lĩnh vực kết cấu cao tầng.

  4. Cơ quan quản lý và xây dựng tiêu chuẩn: Cung cấp cơ sở khoa học để phát triển tiêu chuẩn thiết kế và quy định kỹ thuật liên quan đến kết cấu CFST, góp phần nâng cao chất lượng công trình xây dựng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình số có thể áp dụng cho các loại cột CFST khác không?
    Mô hình được phát triển chủ yếu cho cột CFST tròn mảnh với bê tông cường độ cao. Tuy nhiên, nguyên lý và thuật toán có thể điều chỉnh để áp dụng cho các tiết diện khác như vuông hoặc chữ nhật, cần bổ sung dữ liệu kiểm chứng phù hợp.

  2. Tác động “bó” lõi bê tông ảnh hưởng thế nào đến khả năng chịu lực?
    Tác động “bó” làm tăng đáng kể cường độ chịu nén và độ dẻo dai của lõi bê tông, giúp cấu kiện chịu tải lớn hơn và duy trì biến dạng lớn mà không bị phá hoại đột ngột.

  3. Sai số giữa mô hình số và thực nghiệm có đáng kể không?
    Sai số trong nghiên cứu dao động từ 4% đến 7%, nằm trong giới hạn chấp nhận được cho các mô hình phân tích kết cấu, cho thấy độ tin cậy cao của mô hình.

  4. Phần mềm MATLAB được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    MATLAB được dùng để lập trình thuật toán phân tích phi tuyến phi đàn hồi, xử lý dữ liệu đầu vào, tính toán ứng suất, biến dạng và xuất kết quả đường cong tải trọng - độ lệch, hỗ trợ kiểm chứng mô hình.

  5. Làm sao để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế thực tế?
    Kết quả nghiên cứu cung cấp các công thức và mô hình phân tích chính xác, có thể tích hợp vào phần mềm thiết kế kết cấu hoặc sử dụng trực tiếp trong tính toán để đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế cho công trình.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công mô hình số phân tích ứng xử phi tuyến phi đàn hồi của dầm-cột CFST tròn mảnh cường độ cao, có xét đến tác động bó lõi bê tông và sai lệch hình học ban đầu.
  • Chương trình phân tích bằng MATLAB cho kết quả chính xác, tương đồng với thực nghiệm và các mô hình số uy tín, sai số trong khoảng 4-7%.
  • Các tham số kỹ thuật như độ mảnh cột, tỷ lệ độ lệch điểm đặt lực, cường độ chịu nén bê tông, cường độ chảy dẻo thép và tỷ lệ thép ảnh hưởng rõ rệt đến ứng xử và cường độ chịu lực của cấu kiện.
  • Nghiên cứu góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học cho thiết kế và phân tích kết cấu CFST, hỗ trợ phát triển tiêu chuẩn thiết kế trong nước.
  • Đề xuất tiếp tục mở rộng nghiên cứu thực nghiệm, phát triển tiêu chuẩn và đào tạo chuyển giao công nghệ để ứng dụng rộng rãi trong ngành xây dựng.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị thiết kế và nghiên cứu nên áp dụng mô hình và chương trình phân tích này để nâng cao độ chính xác trong thiết kế kết cấu CFST, đồng thời phối hợp với các cơ quan quản lý để phát triển tiêu chuẩn kỹ thuật phù hợp.