CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu về kết cấu thép ống nhồi bê tông Ống thép nhồi bê tông là kết cấu mà chịu lực chính là ống thép rỗng được nhồi đặc bằng bê tông. Thường dùng các ống thép hình tròn hoặc vuông, chữ nhật.1 : Các dạng tiết diện ống thép nhồi bê tông CFST [13] Kết cấu CFST cung cấp nhiều lợi ích bao gồm: cường độ cao, kháng lửa, độ dẻo và khả năng hấp thụ năng lượng lớn…Việc nhồi bê tông vào ống thép nâng cao độ bền chống ăn mòn của thép, tăng độ ổn định cục bộ của thành ống làm tăng khả năng chống móp méo, biến dạng của vỏ ống khi chịu va đập. Ngoài ra không cần sử dụng ván khuôn trong công tác bê tông do đó tiết kiệm được về chi phí và thời gian thi công.
Ở Nga, năm 1936 dưới sự chỉ đạo của viện sĩ G. Pêrêdêri người Nga đã xây dựng xong chiếc cầu nhịp 110 m qua sông Neeva ở Xanh Pêtecbua. Kết cấu dạng dàn với cánh trên là bó 40 ống thép đường kính 140 x 5 mm nhồi bê tông. Trong những năm 40 của thế kỷ 19 giáo sư V.A Rasnôpski đã dùng ống thép mỏng nhồi bê tông làm kết cấu chịu lực của nhiều đồ án thiết kế.
[13] 4 Công trình dân dụng đầu tiên dùng kết cấu CFST là tòa nhà Millennium Tower (Vienna –Austria) [11], gồm 55 tầng, cao hơn 202 m, diện tích sàn hơn 1000 m2, hoàn thành trong 8 tháng từ tháng 5 đến 12 năm 1998. Sử dụng hệ dầm sàn composite và cột nhồi bê tông.2 : Tòa nhà Millennium Tower (Vienna –Austria) ( Nguồn: Internet ) Tại Việt Nam kết cấu ống thép nhồi bê tông được ứng dụng trong xây dựng cầu. Cây cầu đầu tiên áp dụng loại kết cấu này là cầu Ông Lớn ( Tp Hồ Chí Minh) nằm trên đường Nguyễn Văn Linh bắc qua rạch Ông Lớn, được đưa vào sử dụng năm 2004. Gần đây cầu Đông Trù ( Hà Nội ) là cây cầu vòm ống thép nhồi bê tông, gồm 3 nhịp, nối từ xã Đông Hội, huyện Đông Anh sang phường Ngọc Thụy, quận Long Biên.
Cầu dài 1140m bố trí 8 làn xe.3 : Cầu Đông Trù ( Hà Nội ) ( Nguồn: Internet ) Kết cấu CFST cho hiệu quả cao khi sử dụng cho các kết cấu chịu nén và được sử dụng rộng rãi trong xây dựng cầu và kết cấu cột nhà cao tầng. Còn đối với kết cấu dầm CSFT chịu uốn thì có những ưu điểm gì? Đã có nhiều nghiên cứu thực nghiệm và PTHH trên thế giới về dầm CFST và cho kết quả khả quan như: + Khảo sát dầm CFST tiết diện chữ nhật, vuông, tròn, elip chịu uốn thuần túy; + Khảo sát dầm CFST tiết diện tròn chịu tải trọng tuần hoàn; + Phân tích ứng xử phi tuyến của dầm CFST tiết diện tròn; + Phân tích PTHH dầm CFST tiết diện vuông bằng phần mềm Ansys … Từ những nghiên cứu trước đây trên thế giới và Việt Nam về dầm CFST, học viên đã chọn hướng nghiên cứu về khả năng chịu uốn của dầm CFST tiết diện tròn theo hướng tìm hiểu lý thuyết tính toán và mô phỏng tính toán dầm CFST bằng PTHH, từ đó đưa ra nhận xét về khả năng chịu lực và chuyển vị của dầm CFST, so sánh với dầm thép rỗng. Đề xuất ứng dụng dầm CFST vào thực tiễn. Tình hình nghiên cứu và sự đóng góp của đề tài 1.
Các công trình nghiên cứu trên thế giới - Năm 2001 Elchalakani M, Zhao XL, Grzebieta RH [12] đã đưa ra nghiên cứu về ứng xử uốn của dầm CFST tiết diện tròn. Với tỉ lệ đường kính với chiều dày D/t từ 12 – 110, nghiên cứu so sánh ứng xử của dầm thép rỗng tròn với dầm CFST tròn chịu uốn dẻo thuần túy. Kết quả đưa ra với 13 < D/t < 40 , CFST đã ngăn chặn được mất ổn định cục bộ gây ra chuyển vị lớn. Xuất hiện nhiều biến dạng dẻo hình sóng hình thành trong miền đàn hồi khi 74 < D/t < 110.
Nói chung CFST tăng cường khả năng chịu lực, độ dẻo và hấp thu năng lượng lớn. Dựa vào các số đo vật liệu, giới hạn dẻo D/t được tìm thấy là 112. Nghiên cứu đưa ra công thức đơn giản để xác định khả năng chịu uốn cực hạn của CFST. Các quy tắc thiết kế hiện tại cho phép xác định mô men cực hạn trong giới hạn độ mảnh 100 đến 188.
- Năm 2004 Mohamed Elchalakani, Xiao-Ling Zhao, Raphael Grzebieta [14] công bố nghiên cứu ứng xử không đàn hồi của dầm CFST khi chịu tải trọng lặp. Thí nghiệm này thực hiện bằng cách cho lịch sử tải trọng tác dụng lên các mầu CFST có tỷ lệ D/t từ 20 đến 162. Ứng xử của dầm CFST cho thấy thông tin về sự chảy dẻo của thép , tiếp đến là sự giảm nhanh chóng độ cứng, độ bền dựa vào tỷ lệ D/t. Tải chu kì có tác dụng đáng kể đến dầm CFST đặc biệt là những dầm mảnh.
Lực giới hạn của CFST dưới tải tuần hoàn và tải tĩnh lần lượt gấp 1.24 lần dầm rỗng. Số đường gợn sóng tăng thêm ít nhất 1.5 lần khi CFST chịu tải tuần hoàn. - Năm 2007 , Lanhui Guo, Sumei Zang, Wha Jung Kim và Gianluca Ranzi đã khảo sát hiện tượng mất ổn định cục bộ trong ống thép rỗng và ống thép được nhồi đầy bê tông ứng với những tỷ số đường kính và chiều dày ống khác nhau. Các thí nghiệm được tiến hành và thu thập kết quả từ 24 mẫu thử được trình bày trong nghiên cứu này.
Những mẫu thử có tỷ lệ đường kính trên chiều dày ống từ 50 đến 125. Trong trường hợp bê tông được nhồi đầy vào ống thép, trạng thái mất ổn định cục bộ được quan sát và người ta thấy rằng khả năng chịu mất ổn định cục bộ được nâng cao đáng kể. 7 Kết luận được đưa ra là hiện tượng mất ổn định cục bộ có thể bỏ qua trong trường hợp tỷ số đường kính chia chiều dày ống thép dưới 50, khi tỷ số này nằm trong khoảng 50 đến 120 thì cần xét đến vấn đề ổn định cục bộ trong quá trình tính toán, khi tỷ số lớn hơn 120 thì sự mất ổn định cục bộ trong ống thép tăng cao. - Năm 2010 Soundararajan Arivalagan [17] đã nghiên cứu ứng xử uốn và cắt của dầm CFST tiết diện hình vuông 72 mm x 3.2 m, bằng phần mềm Ansys.
So sánh kết quả thực nghiệm dầm thép rỗng, dầm CFST thông thường và dầm CFST có phụ gia là chất thải dầu mỏ với PTHH. Ống thép được mô phỏng bằng mô hình vật liệu đàn hồi dẻo lý tưởng. Thép và bê tông được mô phỏng bằng phần tử khối 8 nút với 45 bậc tự do mỗi nút. Ống thép được chia thành khoảng 2000 phần tử với 2040 nút, bê tông 7140 phần tử và 10251 nút.
Tương tác giữa thép và bê tông được mô phỏng bằng kỹ thuật “surface to surface”. Kết quả nghiên cứu: Trong giai đoạn đàn hồi, thực nghiệm và PTHH cho kết quả như nhau, đến giai đoạn chảy dẻo thì kết quả có sự chênh lệch nhưng không nhiều; Tải trọng cực hạn cho giá trị gần bằng nhau; Ứng suất cho bởi PTHH có giá trị lớn hơn thực nghiệm với dầm CFST; Từ kết quả cho thấy dầm CFST cho giá trị ứng suất tăng, độ võng thấp hơn, cứng hơn so với dầm rỗng; Khi đến giai đoạn làm việc phi tuyến có sự chênh lệch giữa thí nghiệm và PTHH. Từ kết quả nghiên cứu chúng ta có thể thấy phương pháp PTHH có thể hỗ trợ tốt cho việc thiết kế dầm CFST. - Tháng 4 năm 2014 Qing-Xin Ren, Lin-Hai Han, DennisLam, Wei Li [15] đã khảo sát ứng xử của dầm CFST tiết diện elip dựa vào việc thay đổi tỉ lệ giữa vị trí đặt tải và đường kính ống a/B, so sánh kết quả với tiết diện tròn tương ứng và ống thép rỗng cùng tiết diện.
a : Khoảng cách từ gối tựa đến điểm đặt tải B: trục lớn của tiết diện elip 8 Hình 1.4 : Tiết diện elip trong thí nghiệm [15 ] Nghiên cứu đã đưa ra những kết luận là không có sự khác biệt đáng kể giữa mẫu CFST elip và tròn tương ứng; Tỷ lệ a/B cũng ảnh hưởng đến ứng xử của dầm elip CFST, Khả năng chịu uốn tăng 12% đến 22,3 % ứng với a/B từ 1.65; khả năng chịu uốn của dầm CFST tăng 1.41 lần so với dầm thép rỗng; Ứng xử của dầm CFST có thể dự đoán theo tiêu chuẩn EU4, DBJ/T13-51-2003, kết quả chênh lệch không lớn lắm. - Công thức tính mô men uốn giới hạn của tiêu chuẩn các nước: + Theo Eurocode 4 [11]: Khả năng chịu uốn tới hạn của CFST được kí hiệu Mpl.Rd = wpafyd + wpsfsd + wpcfcd/2 Mn.Rd = wpanfyd + wpsnfsd + wpcnfcd/2 wpcn = (d - 2t)hn2 wpan = bhn2 – wpcn - wpsn N pm.Rd Asn 2 f sd f cd hn 2bf cd 4t 2 f yd f cd N pm.Rd Ac fcd fcd = fck wpan : mô đun dẻo của ống thép; wpsn : mô đun dẻo của cốt thép; wpcn : mô đun dẻo của bê tông; fyd : giới hạn chảy của thép; fsd : giới hạn chảy của cốt thép; fck cường độ chịu nén bê tông; Asn diện tích cốt thép; Ac diện tích bê tông; t chiều dày ống thép; b đường kính ống thép. 9 + Theo AISC – LRFD [18] mục I4 Công thức đơn giản để tính lực tới hạn của tiết diện composite ( công thức C- 14-1) 1 h A f M n Zf y h2 2Cr Ar f yr 2 w y Aw f y 3 2 1.7 f c h1 Mn mô men giới hạn của tiết diện; Aw diện tích ống thép; Ar diện tích cốt thép; Z mô đun dẻo của ống thép; Cr khoảng cách trung bình từ mép kéo, nén đến cốt thép dọc; h1 bề rộng tiết diện composite vuông góc với mặt phẳng uốn; h2 bề rộng tiết diện composite song song với mặt phẳng uốn; fc khả năng chịu nén của mẫu bê tông hình trụ; fyr giới hạn chảy của cốt thép; fy giới hạn chảy của ống thép. Các công trình nghiên cứu trong nước - Năm 2012 TS Chu Thị Bình [1] đã đưa ra kết quả nghiên cứu thực nghiệm cột ống thép nhồi bê tông trong điều kiện cháy và so sánh với kết quả mô phỏng bằng phần mềm SAFIR.
Kết quả tính độ dãn dài của cột ở 5 phút đầu đốt thì lớn hơn so với kết quả đo. Nhưng sau đó, kết quả thí nghiệm và kết quả đo tương đối giống nhau. Trong mô phỏng, cột có độ dẻo kém hơn so với kết quả thí nghiệm.