Luận Văn Thạc Sĩ Về Ứng Xử và Khả Năng Chịu Uốn Của Kết Cấu Ống Thép Nhồi Bê Tông

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật xây dựng phân tích ứng xử và tính toán khả năng chịu uốn của kết cấu ống thép nhồi bê tông, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Nguyễn Lê Xuân Trường
• Người hướng dẫn: TS. Thái Sơn
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Phân Tích Ứng Xử và Tính Toán Khả Năng Chịu Uốn Kết Cấu 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
• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu
• 2. CHƯƠNG 2: CÔNG THỨC ĐƠN GIẢN CHO TIẾT DIỆN CFST CHỊU UỐN
• 2.1. Các phương pháp tính toán khả năng chịu uốn cho cấu kiện CFST
• 2.2. Phương pháp phân bố ứng suất dẻo (PSDM)
• 2.3. Phương pháp tương thích biến dạng (SCM)
• 2.4. Phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi (ESDM)
• 2.5. Phương pháp ứng suất–biến dạng hiệu quả (ESSM)
• 2.6. Giới hạn tính toán cho cấu kiện CFST chịu tải uốn
• 2.7. Cường độ vật liệu
• 2.8. Tỷ lệ tham gia chịu lực của thép kết cấu
• 2.9. Công thức tính toán cường độ kháng uốn đơn giản cho cấu kiện CFST theo các tiêu chuẩn phổ biến
• 2.10. Công thức tính toán độ cứng kháng uốn đơn giản của tiết diện CFST theo các tiêu chuẩn phổ biến
• 3. CHƯƠNG 3: PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH PHẦN TỬ THỚ CHO TIẾT DIỆN CHỊU UỐN
• 3.1. Biểu đồ Moment – độ cong
• 3.2. Độ cong thu được từ kết quả thí nghiệm
• 3.3. Độ cứng kháng uốn của tiết diện
• 3.4. Phương pháp phần tử chia thớ để tính toán biểu đồ Moment – độ cong
• 3.5. Biểu đồ ứng suất – biến dạng của vật liệu
• 3.5.1. Tiết diện tròn
• 3.5.2. Tiết diện chữ nhật
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ĐƠN GIẢN THEO CÁC TIÊU CHUẨN
• 4.1. Dữ liệu phân tích
• 4.2. Cường độ kháng uốn của tiết diện
• 4.3. Ảnh hưởng của cường độ chảy dẻo ống thép fy
• 4.4. Ảnh hưởng của cường độ nén bê tông f’c
• 4.5. Ảnh hưởng của độ mảnh tiết diện
• 4.6. Độ cứng kháng uốn của tiết diện
• 4.7. Dữ liệu thí nghiệm
• 4.8. Kết quả tính toán cho tiết diện CFST hình tròn
• 4.9. Kết quả tính toán cho tiết diện CFST hình chữ nhật
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN TỪ MÔ HÌNH PHẦN TỬ THỚ
• 5.1. Dữ liệu phân tích
• 5.2. Cường độ kháng uốn của tiết diện
• 5.3. Kết quả tính toán biểu đồ Momen – Độ cong
• 5.4. Xem xét ảnh hưởng của các tham số lên kết quả tính toán
• 5.4.1. Cường độ chảy của thép fy
• 5.4.2. Cường độ nén của bê tông
• 5.4.3. Độ mảnh tiết diện
• 5.5. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu

Trong phần này, nghiên cứu sẽ tổng quan về tình hình nghiên cứu liên quan đến phân tích ứng xử và tính toán khả năng chịu uốn của kết cấu ống thép nhồi bê tông cường độ cao. Cấu kiện ống thép nhồi bê tông (CFST) đã được áp dụng rộng rãi trong xây dựng nhờ vào khả năng chịu lực tốt và tính năng vượt trội. Nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng chất liệu xây dựng và cấu trúc chịu lực đóng vai trò quan trọng trong việc gia tăng khả năng chịu lực của CFST. Các phương pháp tính toán hiện tại cũng được khảo sát, bao gồm tiêu chuẩn AISC, EC4 và AS 2327, nhằm đánh giá tính chính xác và hiệu quả của các phương pháp này trong việc dự đoán khả năng chịu uốn của cấu kiện CFST.

1.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của nghiên cứu này là phát triển một mô hình phân tích có khả năng dự đoán chính xác khả năng chịu uốn của các cấu kiện CFST. Nghiên cứu sẽ thu thập và phân tích dữ liệu thực nghiệm từ nhiều nguồn tài liệu để xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của CFST. Đặc biệt, việc áp dụng vật liệu cường độ cao trong kết cấu sẽ được xem xét để nâng cao hiệu quả sử dụng và giảm thiểu trọng lượng kết cấu. Mô hình phân tích sẽ được xây dựng dựa trên phương pháp phần tử chia thớ, cho phép phân tích chi tiết hơn về ứng suất và biến dạng trong cấu kiện.

II. Phương pháp tính toán khả năng chịu uốn

Trong phần này, nghiên cứu sẽ trình bày các phương pháp tính toán khả năng chịu uốn cho cấu kiện CFST. Các phương pháp như phân bố ứng suất dẻo (PSDM), phương pháp tương thích biến dạng (SCM), và phương pháp ứng suất-biến dạng hiệu quả (ESSM) sẽ được phân tích chi tiết. Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến kết quả tính toán. Đặc biệt, nghiên cứu sẽ chỉ ra cách mà các yếu tố như cường độ vật liệu, tỷ lệ tham gia chịu lực của thép, và độ mảnh tiết diện tác động đến khả năng chịu uốn của cấu kiện. Kết quả từ các phương pháp này sẽ được so sánh với dữ liệu thực nghiệm để đánh giá tính chính xác và độ tin cậy của chúng.

2.1 Các phương pháp tính toán

Các phương pháp tính toán hiện có cho khả năng chịu uốn của CFST đều dựa trên nguyên lý cơ bản của vật lý và cơ học. Phương pháp PSDM tập trung vào việc phân bố ứng suất trong cấu kiện, trong khi SCM sử dụng các giả định về biến dạng để dự đoán khả năng chịu lực. Phương pháp ESSM kết hợp cả ứng suất và biến dạng để đưa ra các mô hình chính xác hơn. Nghiên cứu này sẽ chỉ ra rằng việc lựa chọn phương pháp phù hợp không chỉ dựa vào tính toán lý thuyết mà còn phải xem xét đến các yếu tố thực nghiệm nhằm tối ưu hóa thiết kế kết cấu.

III. Kết quả tính toán và phân tích

Kết quả tính toán khả năng chịu uốn của các cấu kiện CFST sẽ được trình bày trong phần này. Nghiên cứu sẽ sử dụng dữ liệu từ các thí nghiệm thực tế để so sánh với kết quả tính toán theo các tiêu chuẩn thiết kế. Các yếu tố như cường độ chảy dẻo của ống thép và cường độ nén của bê tông sẽ được phân tích để đánh giá ảnh hưởng của chúng đến khả năng chịu uốn. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng vật liệu cường độ cao có thể làm tăng đáng kể khả năng chịu lực của kết cấu. Nghiên cứu cũng sẽ chỉ ra các yếu tố tiềm năng có thể ảnh hưởng đến kết quả tính toán, từ đó đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo.

3.1 So sánh kết quả thực nghiệm và tính toán

Kết quả từ các thí nghiệm được so sánh với các giá trị tính toán theo các tiêu chuẩn phổ biến như AISC và EC4. Sự khác biệt giữa các giá trị này sẽ được phân tích để xác định độ chính xác của các phương pháp tính toán. Đặc biệt, nghiên cứu sẽ chỉ ra rằng mặc dù các tiêu chuẩn hiện tại có thể cung cấp các giá trị gần đúng, nhưng vẫn cần có những điều chỉnh để phù hợp hơn với thực tế. Việc phát triển một công thức tính toán đơn giản nhưng chính xác cho CFST là rất cần thiết nhằm cải thiện hiệu quả thiết kế trong thực tiễn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Cấu kiện ống thép nhồi bê tông (Concrete-Filled Steel Tube - CFST) là giải pháp kết cấu phổ biến trong xây dựng nhà cao tầng và công trình hạ tầng, nhờ khả năng tận dụng ưu điểm của thép và bê tông để nâng cao độ cứng, cường độ và tính dẻo của cấu kiện. Theo báo cáo tổng hợp, có khoảng 131 mẫu tiết diện hình hộp chữ nhật và 111 mẫu tiết diện hình tròn CFST chịu uốn thuần túy được khảo sát từ các nghiên cứu quốc tế. Tuy nhiên, các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành như Eurocode 4 (EC4:2004), AISC 360-16 và AS/NZS 2327:2017 vẫn còn hạn chế trong việc dự đoán chính xác khả năng chịu uốn của CFST, đặc biệt khi sử dụng vật liệu cường độ cao vượt giới hạn tiêu chuẩn.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào phân tích ứng xử chịu uốn của cấu kiện CFST sử dụng vật liệu cường độ cao, khảo sát ảnh hưởng của các tham số vật liệu như cường độ nén bê tông, cường độ chảy dẻo thép, hiệu ứng bó ngang và hiện tượng mất ổn định cục bộ của vỏ thép. Nghiên cứu cũng đề xuất mô hình phân tích phần tử thớ để tính toán biểu đồ momen – độ cong, kiểm chứng độ tin cậy của các công thức tính toán đơn giản trong tiêu chuẩn và các mô hình ứng suất – biến dạng hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào cấu kiện CFST chịu uốn thuần túy không có liên kết kháng cắt, với dữ liệu thí nghiệm thu thập từ năm 1994 đến 2022, tại nhiều địa phương và công trình thực tế.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác của phương pháp tính toán khả năng chịu uốn cho CFST, góp phần phát triển tiêu chuẩn thiết kế phù hợp với vật liệu cường độ cao, đồng thời hỗ trợ ứng dụng rộng rãi trong các công trình xây dựng hiện đại, đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Phương pháp phân bố ứng suất dẻo (Plastic Stress Distribution Method - PSDM): Giả định thép đạt ứng suất chảy dẻo trên toàn bộ phần chịu kéo và nén, bê tông vùng nén đạt 0.85f’c, cân bằng lực để xác định trục trung hòa và khả năng chịu lực.

• Phương pháp tương thích biến dạng (Strain Compatibility Method - SCM): Giả định biến dạng phân bố tuyến tính trên tiết diện, với biến dạng nén lớn nhất của bê tông là 0.003, sử dụng quan hệ ứng suất – biến dạng thực nghiệm cho thép và bê tông.

• Phương pháp ứng suất – biến dạng hiệu quả (Effective Stress-Strain Method - ESSM): Phát triển từ SCM, bổ sung hiệu ứng mất ổn định cục bộ, chảy dẻo thép và bó ngang bê tông, sử dụng mô hình ứng suất – biến dạng hiệu chỉnh để tính toán chính xác hơn.

• Mô hình phân tích phần tử thớ (Fiber Element Analysis): Phương pháp số chia tiết diện thành các phần tử thớ nhỏ, áp dụng mô hình ứng suất – biến dạng riêng biệt cho từng vật liệu, tính toán biểu đồ momen – độ cong chi tiết, xem xét ảnh hưởng của các hiệu ứng vật liệu và hình học.

Các khái niệm chính bao gồm: cường độ chảy dẻo của thép (fy), cường độ nén bê tông (f’c), độ mảnh tiết diện, hiệu ứng bó ngang (confinement), mất ổn định cục bộ (local buckling), mô đun đàn hồi (Es, Ec), và biểu đồ momen – độ cong (M-φ).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là tập hợp 242 mẫu thí nghiệm CFST chịu uốn thuần túy, gồm 131 mẫu tiết diện chữ nhật và 111 mẫu tiết diện tròn, thu thập từ các công bố quốc tế và nghiên cứu thực nghiệm trong giai đoạn 1994-2022. Dữ liệu bao gồm các thông số vật liệu (fy, f’c), kích thước tiết diện, độ mảnh, và kết quả thí nghiệm momen – độ cong.

Phương pháp phân tích sử dụng mô hình phần tử thớ được phát triển dựa trên giả định liên kết hoàn hảo giữa thép và bê tông, tiết diện phẳng sau biến dạng, bỏ qua ứng suất kéo bê tông và hiện tượng co ngót. Mô hình ứng suất – biến dạng vật liệu tuân thủ theo tiêu chuẩn ACI 318-19 và các nghiên cứu quốc tế uy tín.

Quá trình nghiên cứu gồm các bước: tổng hợp dữ liệu thí nghiệm, khảo sát các công thức tính toán trong tiêu chuẩn EC4, AISC 360-16, AS/NZS 2327, phát triển mô hình phần tử thớ để tính toán biểu đồ momen – độ cong, so sánh kết quả tính toán với dữ liệu thực nghiệm, phân tích ảnh hưởng các tham số vật liệu và hình học.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 02/2022 đến tháng 06/2022, với sự hướng dẫn khoa học của TS. Thái Sơn và phản biện bởi các chuyên gia trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của cường độ chảy dẻo thép (fy): Kết quả tính toán cho thấy cường độ chịu uốn của CFST tăng rõ rệt khi fy tăng. Ví dụ, với tiết diện tròn, khi fy tăng từ khoảng 230 MPa lên 460 MPa, cường độ chịu uốn tăng khoảng 25%. Tương tự, tiết diện chữ nhật cũng ghi nhận mức tăng tương tự, khẳng định vai trò quan trọng của thép trong chịu lực uốn.

2. Ảnh hưởng của cường độ nén bê tông (f’c): Mặc dù bê tông chịu nén tốt, ảnh hưởng của f’c đến cường độ chịu uốn không lớn, chỉ khoảng 5-10% khi f’c thay đổi từ 20 MPa đến 100 MPa. Điều này phù hợp với cơ chế làm việc của CFST, trong đó thép chịu kéo chủ yếu.

3. Ảnh hưởng độ mảnh tiết diện: Độ mảnh tiết diện (tỷ lệ D/t hoặc b/t, h/t) ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu uốn và độ cứng. Tiết diện mảnh (slender) có cường độ chịu uốn thấp hơn 15-20% so với tiết diện đặc chắc (compact), do hiện tượng mất ổn định cục bộ của vỏ thép.

4. Độ chính xác của các tiêu chuẩn thiết kế: So sánh kết quả tính toán theo công thức đơn giản của EC4, AISC 360-16 và AS/NZS 2327 với dữ liệu thí nghiệm cho thấy:

   • EC4 thường dự đoán quá an toàn đối với tiết diện tròn và chưa chính xác với tiết diện chữ nhật sử dụng vật liệu cường độ cao.
   • AISC 360-16 dự đoán độ cứng kháng uốn phù hợp với tiết diện chữ nhật, nhưng chưa chính xác với tiết diện tròn.
   • AS/NZS 2327 cung cấp dự đoán cường độ chịu uốn phù hợp nhất trong phạm vi vật liệu cường độ cao.

5. Hiệu quả mô hình phân tích phần tử thớ: Mô hình phần tử thớ phát triển trong nghiên cứu cho kết quả biểu đồ momen – độ cong rất gần với dữ liệu thí nghiệm, với sai số trung bình dưới 5% cho cả tiết diện tròn và chữ nhật. Mô hình cũng cho phép phân tích chi tiết ảnh hưởng của các hiệu ứng vật liệu như bó ngang bê tông và mất ổn định cục bộ thép.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt giữa các tiêu chuẩn và thực nghiệm là do các công thức đơn giản chưa tính đầy đủ các hiệu ứng vật liệu và hình học phức tạp, đặc biệt khi sử dụng vật liệu cường độ cao vượt giới hạn tiêu chuẩn. Mô hình phần tử thớ với khả năng mô phỏng chi tiết ứng suất – biến dạng từng phần tử vật liệu giúp cải thiện độ chính xác tính toán.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả nghiên cứu này mở rộng phạm vi dữ liệu với số lượng mẫu lớn hơn và bao gồm cả vật liệu cường độ cao, đồng thời phát triển mô hình tính toán mới phù hợp hơn với thực tế. Việc trình bày dữ liệu qua biểu đồ momen – độ cong và bảng so sánh kết quả tính toán giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của từng tham số.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học để điều chỉnh hoặc phát triển tiêu chuẩn thiết kế CFST phù hợp với vật liệu hiện đại, đồng thời hỗ trợ kỹ sư thiết kế lựa chọn phương pháp tính toán chính xác, đảm bảo an toàn và tối ưu chi phí.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Cập nhật tiêu chuẩn thiết kế: Khuyến nghị các tổ chức tiêu chuẩn xem xét điều chỉnh giới hạn cường độ vật liệu và công thức tính toán khả năng chịu uốn của CFST, đặc biệt cho vật liệu cường độ cao, nhằm nâng cao độ chính xác và an toàn thiết kế trong thực tế.

2. Ứng dụng mô hình phân tích phần tử thớ: Đề xuất sử dụng mô hình phân tích phần tử thớ trong thiết kế và kiểm tra kết cấu CFST chịu uốn thuần túy, giúp dự đoán chính xác biểu đồ momen – độ cong, từ đó đánh giá độ cứng, độ dẻo và khả năng chịu lực của cấu kiện.

3. Thử nghiệm bổ sung: Khuyến nghị tiến hành thêm các thí nghiệm uốn thuần túy với tiết diện CFST có vật liệu cường độ cao và tiết diện mảnh để hoàn thiện cơ sở dữ liệu, phục vụ cho việc hiệu chỉnh mô hình và tiêu chuẩn thiết kế.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Khuyến nghị các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp xây dựng tổ chức các khóa đào tạo về phương pháp phân tích phần tử thớ và ứng dụng trong thiết kế CFST, nhằm nâng cao năng lực chuyên môn và áp dụng công nghệ mới.

5. Thời gian thực hiện: Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 2-3 năm tới, với sự phối hợp giữa cơ quan quản lý, viện nghiên cứu và doanh nghiệp xây dựng để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Luận văn cung cấp phương pháp tính toán chính xác và mô hình phân tích hiện đại, giúp kỹ sư nâng cao hiệu quả thiết kế cấu kiện CFST chịu uốn, đặc biệt khi sử dụng vật liệu cường độ cao.

2. Nhà nghiên cứu và giảng viên: Tài liệu tổng hợp dữ liệu thí nghiệm phong phú và phát triển mô hình phân tích phần tử thớ, là nguồn tham khảo quý giá cho các nghiên cứu tiếp theo về kết cấu liên hợp và giảng dạy chuyên ngành kỹ thuật xây dựng.

3. Cơ quan quản lý và tiêu chuẩn: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xem xét điều chỉnh tiêu chuẩn thiết kế CFST, phù hợp với xu hướng sử dụng vật liệu mới và yêu cầu an toàn ngày càng cao trong xây dựng.

4. Doanh nghiệp xây dựng và sản xuất vật liệu: Thông tin về ảnh hưởng của vật liệu cường độ cao đến khả năng chịu uốn và độ cứng của CFST giúp doanh nghiệp tối ưu sản phẩm và áp dụng công nghệ thi công hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

1. CFST là gì và tại sao được sử dụng phổ biến?
   CFST là cấu kiện ống thép nhồi bê tông, tận dụng ưu điểm chịu kéo của thép và chịu nén của bê tông, giúp tăng cường độ, độ cứng và tính dẻo cho kết cấu, phù hợp với công trình cao tầng và hạ tầng hiện đại.

2. Các tiêu chuẩn thiết kế CFST hiện nay có hạn chế gì?
   Các tiêu chuẩn như EC4, AISC 360-16 và AS/NZS 2327 có giới hạn về cường độ vật liệu và chưa tính đầy đủ các hiệu ứng vật liệu phức tạp, dẫn đến sai số trong dự đoán khả năng chịu uốn, đặc biệt với vật liệu cường độ cao.

3. Mô hình phân tích phần tử thớ có ưu điểm gì?
   Mô hình này chia tiết diện thành các phần tử nhỏ, mô phỏng chính xác ứng suất – biến dạng từng phần tử, giúp dự đoán biểu đồ momen – độ cong chi tiết, từ đó đánh giá chính xác khả năng chịu uốn và độ cứng của CFST.

4. Ảnh hưởng của cường độ vật liệu đến khả năng chịu uốn của CFST?
   Cường độ chảy dẻo thép ảnh hưởng lớn đến cường độ chịu uốn, tăng fy giúp tăng khả năng chịu lực. Cường độ nén bê tông ảnh hưởng nhỏ hơn nhưng vẫn cần xem xét trong thiết kế tổng thể.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
   Kết quả nghiên cứu có thể được áp dụng trong thiết kế kết cấu CFST bằng cách sử dụng mô hình phân tích phần tử thớ để tính toán chi tiết, đồng thời tham khảo các công thức điều chỉnh trong tiêu chuẩn thiết kế mới, giúp nâng cao độ chính xác và an toàn.

Kết luận

• Luận văn đã tổng hợp và phân tích dữ liệu thí nghiệm của 242 mẫu CFST chịu uốn thuần túy, bao gồm tiết diện tròn và chữ nhật sử dụng vật liệu cường độ cao.
• Các công thức tính toán đơn giản trong tiêu chuẩn EC4, AISC 360-16 và AS/NZS 2327 có giới hạn về độ chính xác, đặc biệt với vật liệu cường độ cao và tiết diện mảnh.
• Mô hình phân tích phần tử thớ được phát triển cho phép tính toán biểu đồ momen – độ cong chính xác, phản ánh đầy đủ các hiệu ứng vật liệu và hình học.
• Nghiên cứu đề xuất các giải pháp cập nhật tiêu chuẩn, ứng dụng mô hình phân tích hiện đại và mở rộng thử nghiệm để nâng cao hiệu quả thiết kế CFST.
• Các bước tiếp theo bao gồm hoàn thiện mô hình, thử nghiệm bổ sung và chuyển giao công nghệ, nhằm hỗ trợ phát triển kết cấu CFST trong xây dựng hiện đại.

Hãy áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao chất lượng thiết kế và thi công các công trình sử dụng cấu kiện CFST, đồng thời đóng góp vào sự phát triển bền vững của ngành xây dựng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN dựng bộ dữ liệu để phân tích khả năng chịu uốn thuần túy của cấu kiện CFST, tuy nhiên lại chưa đề xuất được các phương pháp tính toán cụ thể cho tiết diện CFST.s [15] đã tiến hành thí nghiệm uốn thuần túy với 3 mẫu CFST tròn thuộc tiết diện mảnh (slender) có fy=400 MPa và f’c=19.4 MPa, cùng với đó là 9 mẫu CFST tròn thuộc tiết diện đặc chắc (Compact) có fy=365-456 MPa và f’c=19. Nghiên cứu cỏ Elchalakani và cộng sự đã đề xuất được một mô hình đơn giản để tính toán khả năng chịu uốn cho tiết diện CFST tròn, khi so sánh với kết quả thí nghiệm trong nghiên cứu này, mô hình được đề xuất cho kết quả dự đoán tốt với các mẫu có tiết diện đặc chắc (Compact), nhưng lại quá an toàn đối với các mẫu “slender”, mặt khác bộ dữ liệu của nghiên cứu còn hạn chế nên chưa xác thực được độ tin cậy của mô hình tính toán khả năng chịu uốn cho tiết diện CFST tròn được đề xuất. Năm 2004, Han [16] đã thực hiện thí nghiệm uốn thuần túy với 16 mẫu CFST có tiết diện hình chữ nhật sử dụng vật liệu thép có fy=293.1 MPa và bê tông có f’c=22.7 MPa, đồng thời đề xuất được công thức đơn giản để tính toán khả năng chịu uốn cho tiết diện CFST, công thức này sau đó được so sánh với các kết quả thí nghiệm từ các nghiên cứu trước, kết quả tính toán cho thấy phương pháp tính toán của Han là hiệu quả cho tiết diện chữ nhật, nhưng lại quá an toàn đối với tiết diện CFST hình tròn, do đó mô hình này chưa thể thống nhất cách tính toán cho các mẫu tiết diện tròn. Mô hình được Han đề xuất được nghiên cứu mở rộng bỏi Han và c.s năm 2006 [17], mô hìn này được sử dụng để xem xét các mẫu thí nghiệm với bộ dữ liệu được mở rông, kết quả cũng tương tự với nghiên cứu năm 2004, cho thấy công thức chưa thực sự hiệu quả đối với việc tính toán cường độ chịu uốn thuần túy của tiết diện CFST tròn.

Gho và Liu 2004 [18], Wheeler và Bridge 2006 [19] đã lần lượt thực hiện thêm các thí nghiệm về ứng xử của cấu kiện CFST chịu uốn thuần túy, tuy nhiên cả hai tác giả trên đều chưa đề xuất được mô hình thay thế hiệu quả cho cả tiết diện CFST tròn hoặc tiết diện chữ nhật, các nghiên cứu này góp phần bổ sung vào bộ dữ liệu khảo sát cho các nghiên cứu tiếp theo. 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Năm 2009, Chitawadagi và Naraimhan [20] đã tiến hành thêm thử nghiệm về ứng xử uốn thuần túy của tiết diện CFST tròn với 18 mẫu thử nghiệm sử dụng thép có fy=250 MPa và bê tông có f’c=21. Tác giả đã đề xuất một mô hình tương tác để tính toán khả năng chịu uốn cho tiết diện CFST tròn sử dụng bộ dữ liệu gồm 99 mẫu sử dụng bê tông có f’c=20-40 MPa và D/t=22.8 MPa, kết quả thu được từ mô hình này đã cho thấy kết quả chấp nhận được đối với các mẫu tiết diện tròn nhưng lại quá an toàn đối các mẫu tiết diện CFST hình chữ nhật, vì vậy mô hình này chưa thể thống nhất được cách tính toán khả năng chịu uốn thuần túy cho tiết diện CFST phổ biến. Li và cộng sự, 2017 [21] đã tiến hành thử nghiệm thêm 6 mẫu CFST tiết diện vuông chịu uốn thuần túy sử dụng vật liệu cường độ cao với thép có fy= 416.6 MPa và bê tông có f’c=87.2 MPa, nghiên cứu đã chỉ ra rằng kết quả dự đoán khả năng chịu uốn thuần túy của tiết diện CFST với công thức đơn giản của Eurocode 4, phát hành năm 2004 cho thấy tính hiệu quả cao với 6 kết quả thử nghiệm này.

Tuy nhiên, tập hợp mẫu này còn khá hạn chế về số lượng và chỉ giới hạn với tiết diện CFST chữ nhật sử dụng vật liệu cường độ cao, nên các nghiên cứu khác với tập hợp mẫu lớn hơn cho cả tiết diện CFST tròn và chữ nhật sử dụng vật liệu cường độ cao cần được xem xét thêm trong các nghiên cứu tiếp theo. Năm 2017, Xiong và cộng sự [22] đã tiến hành thêm các thử nghiệm uốn thuần túy cho nhiều loại cấu kiện CFST sử dụng vật liệu cường độ cao như thép có fy lên đến 780 MPa và bê tông có f’c lên đến 180 MPa, các kết quả thử nghiệm này được dùng để so sánh với kết quả tính toán từ công thức đơn giản của Eurocode 4 cho cường độ chịu uốn và độ cứng kháng uốn của tiết diện CFST. Nghiên cứu này kết luận kết quả tính toán đối với cường độ chịu uốn và dộ cứng kháng uốn theo mô hình đơn giản của Eurcode 4 là không an toàn. Các thử nghiệm khác về cấu kiện CFST chịu uốn thuần túy khác cũng đã được thực hiện bởi các tác giả khác như Lu và cộng sự, 2007, Nghiem và cộng sự, 2018, Al-Shaar và Göğüş, 2018, Liu và cộng sự, 2020, Huang và cộng sự, 2020, Fang và Han, 2022, Yang và cộng sự, 2022, Roeder và cộng sự, 2016 [23]–[30].

Các nghiên cứu này tuy chưa đề xuất được mô hình tính toán đơn giản nào hiệu quả hơn, nhưng 6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN đã cung cấp thêm nguồn dữ liệu để xác thực các mô hình tính toán khả năng chịu uốn của cấu kiện CFST. Năm 2021, Wang và cộng sự [31] đã tiến hành nghiên cứu về ứng xử uốn của cấu kiện CFST có tiết diện chữ nhật sử dụng vật liệu cường độ cao. Trong nghiên cứu này, 14 mẫu thí nghiệm uốn thuần túy đối với cấu kiện CFST tiết diện chữ nhật đã được tiến hành, bên cạnh đó 30 kết quả thí nghiệm uốn thuần túy của tiết diện CFST tiết diện chữ nhật sử dụng vật liệu cường độ cao cũng đã được tác giả tổng hợp để xem xét ảnh hưởng của các tham số lên kết quả thí nghiệm. Một mô hình phần tử hữu hạn chi tiết cũng đã được tác giả phát triển để nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số như: cường độ nén của bê tông, cường độ chảy dẻo của thép và chiều cao của ống thép.

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra: (1) cường độ kháng uốn của cấu kiện CFST tiết diện chữ nhật sử dụng vật liệu cường độ cao tăng khi ứng suất chảy dẻo của thép và bề rộng của ống thép tăng nhưng giảm khi độ mảnh tiết diện tăng; (2) độ cứng kháng uốn của cấu kiện CFST tiết diện chữ nhật sử dụng vật liệu cường độ cao tăng khi tăng bề rộng của ống thép hoặc khi dộ mảnh của tiết diện tăng, nhưng không bị ảnh hưởng đáng kể bởi ứng suất chảy dẻo của ống thép; (3) Ảnh hưởng của cường độ nén bê tông là rất nhỏ. Nghiên cứu của Wang và cộng sự cũng chỉ ra rằng tiêu chuẩn AISC 360-16 có thể dự đoán độ cứng một cách phù hợp cường độ chịu uốn của cấu kiện CFST tiết diện chữ nhật sử dụng vật liệu cường độ cao, trong khi tiêu chuẩn AIJ cung cấp kết quả dự đoán chính xác đối với độ cứng kháng uốn sử dụng (service-level flexural stiffness). Bên cạnh các thí nghiệm được thực hiện, có nhiều phương pháp cũng được phát triển để tính toán khả năng chịu uốn cho tiết diện ống thép nhồi bê tông, phổ biến nhất là phương pháp sử dụng mô hình phân bố ứng suất với giả thiết tiết diện chảy hoàn toàn theo tiêu chuẩn Eurocode 4 và AS/NZ 2737, ngoài ra còn có AISC 360-16 với sự bổ sung của việc phân loại tiết diện cùng các công thức tình toán cường độ chịu uốn phù hợp cho từng loại tiết diện. Tuy nhiên đây là những mô hình đơn giản phục vụ cho thực hành nên chưa mang lại giá trị chính xác cho việc nghiên cứu khả năng chịu uốn của tiết diện CFST, đặc biệt khi sử dụng vật liệu cường độ cao.

Để đáp ứng nhu cầu này Liang [32] đã đề xuất phương pháp phân tích phi tuyến sử dụng phần tử 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN thớ (nonliner fiber element analysis method) để xác định các biểu đồ tương tác tải trọng dọc trục - cường độ mô men đối với các cột bê tông hình ống thép ngắn (CFST) dưới tải trọng dọc trục và uốn hai trục, nghiên cứu đã kết luận kỹ thuật phân tích thớ phần tử (fiber element analysis technique) được đề xuất có thể được sử dụng trực tiếp trong thiết kế dầm - cột CFST trong thực tế và được thực hiện trong phân tích nâng cao của các cột và khung liên hợp mảnh mai (slender). Lần lượt sau đó các bài nghiên cứu của Liang [33]–[35] đã ứng dụng phương pháp phân tích thớ phần tử cho phân tích dựa trên khả năng (performance-based analysis - PBA) để tính toán thực hành khả năng chịu lực của cấu kiện ống thép nhồi bê tông và so sánh với các kết quả tính toán khác, các báo cáo này cũng chỉ ra rằng: (1) kỹ thuật PBA được phát triển dự đoán rất tốt hiệu suất độ cứng, độ bền và độ dẻo của cột-dầm CFST thành mỏng dưới tải trọng dọc trục và uốn hai trục và có thể được sử dụng trực tiếp trong thiết kế dựa trên hiệu suất của cột-dầm (beam-column) CFST thành mỏng, (2) sự mất ổn định cục bộ của các ống thép làm giảm đáng kể độ cứng, độ bền và độ dẻo của dầm - cột CFST thành mỏng và phải được tính đến trong thiết kế dựa trên khả năng (performance- based design). Các kết quả nghiên cứu này cho thấy tiềm năng của phương pháp phân tích phần tử thớ. Tuy nhiên, các bài báo này tập trung chủ yếu vào kết quả của thí nghiệm cột CFST chịu nén và chịu nén uốn đồng thời, với số lượng mẫu nhỏ và chưa ứng dụng được cho tiết diện CFST chịu uốn thuần túy.

Năm 2021, Anwar và Akansha [36] đã xuất bản nghiên cứu của mình về tiềm năng của biểu đồ Moment – độ cong trong việc phân tích ứng xử của các cấu kiện chịu nén và chịu uốn như dầm, cột và tường chịu cắt. Nghiên cứu đã nêu rõ những thông số có thể thu được từ biểu đồ moment – độ cong như: độ cứng tiết diện, độ dẻo, góc xoay, độ võng, khoảng cách và bề rộng vết nứt, cùng với đó là tiềm năng phát triển chương trình tính toán dựa trên biểu đồ moment – độ cong.