Nghiên cứu ảnh hưởng trượt tương đối giữa ống thép và lõi bê tông đến khả năng chịu lực nén lệch tâm của cột ống thép nhồi bê tông

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu ảnh hưởng trượt tương đối giữa ống thép và lõi bê tông đến khả năng chịu lực nén lệch tâm của cột ống thép nhồi bê tông nghiên cứu ảnh hưởng của sự trượt tương đối giữa ống thép và lõi bê tông đến khả năng chịu lực nén lệch tâm của cột ống thép nhồi bê tông bằng thực nghiệm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu ảnh hưởng trượt tương đối giữa ống thép và lõi bê tông đến khả năng chịu lực nén lệch tâm của cột ống thép nhồi bê tông

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 15 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TRƯỢT TƯƠNG ĐỐI GIỮA ỐNG THÉP VÀ LÕI BÊ TÔNG ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC NÉN LỆCH TÂM CỦA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG INVESTIGATION INTO RELATIVE SLIDING EFFECT BETWEEN STEEL TUBE AND CONCRETE CORE ON ECCENTRIC COMPRESSION RESISTANCE OF CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMNS Lê Xuân Dũng, Phạm Mỹ Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; lexuandungbk@gmail.com; mypham.qn@gmail.com Tóm tắt - Trong thực tế, hầu hết các cấu kiện cột làm việc trong Abstract - In reality, most structural columns work in conditions under điều kiện chịu nén lệch tâm do tải trọng không thể đặt một cách lý eccentric compression load because the loads can not be ideally placed tưởng tại trọng tâm của tiết diện cột; việc chế tạo cột bao giờ in the center of the cross-section and the column fabrication always has cũng có sai số nhất định. Cột làm việc dưới tải trọng nén lệch a certain tolerance. Columns work under eccentric compression load, tâm, ngoài việc chịu nén, cột còn làm việc trong điều kiện chịu besides under subjected compression states.The columns also work in uốn, đặc biệt chịu ảnh hưởng của hiệu ứng − , gây cho cột bending conditions, particularly influenced by P-δ effect,causing many nhiều ứng xử phức tạp, nhất là đối với loại cột ống thép nhồi bê complicated behavior in columns, particularly for categories of concrete- tông. Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng của sự trượt tương đối giữa filled steel tube columns. This paper investigates the effects of the ống thép và lõi bê tông đến khả năng chịu lực nén lệch tâm của relative sliding effect between steel tube and concrete core resistant on cột ống thép nhồi bê tông bằng thực nghiệm. Kết quả được so eccentric compression force of concrete filled steel tube columns by sánh với kết quả giải tích nhận được từ sự phân tích số. Phương experiment. These results are compared with analytical results obtained pháp số sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) thiết lập from a numerical analysis. The numerical analysis uses the finite được mối quan hệ giữa độ trượt tương đối và ứng suất tiếp xúc element method (FEM) to establish the relationship between the relative kết; tải trọng nén lệch tâm và độ lệch ngang cột, và nhiều quan slip and bonding stress; eccentric compression load and the deflection hệ khác giữa ống thép và lõi bê tông. and many other relations between the steel tube and concrete core. Từ khóa - cột ống thép nhồi bê tông; hiệu ứng trượt tương đối; Key words - concrete-filled steel tube columns; relative sliding khả năng chịu lực nén lệch tâm; ứng suất tiếp xúc kết; mô hình effect; eccentric compression resistance; bonding stress; finite phần tử hữu hạn. element modeling. 1. Đặt vấn đề tiếp cận theo hướng kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, Những năm gần đây, nhu cầu sử dụng cột ống thép nhồi khảo sát ứng xử của cột ống thép nhồi bê tông dạng ngắn bê tông ngày càng tăng, cột ống thép nhồi bê tông có xu [10, 11], trong mô hình của Schneider đã khảo sát trên 14 hướng tiến đến thay thế cho cột bê tông cốt thép truyền mẫu và tập trung vào nghiên cứu ảnh hưởng hình dạng mặt thống và chúng được sử dụng rộng rãi trong nhà ở, nhà nhiều cắt ngang của cột và bề dày của ống thép đến cường độ tới tầng và trong kết cấu cầu [1]. Cột ống thép nhồi bê tông có hạn của cột ống thép nhồi bê tông. Vấn đề cuối cùng được đề những ưu điểm vượt trội: về mặt kỹ thuật có độ cứng lớn [2], cập trong bài báo này là sự bất ổn định cục bộ và tổng thể độ chống cháy cao [3-5], về mặt công nghệ cột ống thép nhồi của cột ống thép nhồi bê tông, trong đó Russell Q. Bridge bê tông dễ thi công hơn, không cần hệ thống hệ thống ván [12] đã thực hiện một loạt các thí nghiệm khảo sát về ảnh khuôn [6]. Đặc biệt loại cột này sẽ phát huy hiệu quả trong hưởng chiều dài cột, tỷ lệ bề rộng/đường kính cột đối với thi công tầng hầm bằng phương pháp top-down, hoặc các mố chiều dày ống thép đến bất ổn định cục bộ của cột. Brian Uy trụ cầu, cầu vòm ống thép nhồi bê tông. Ngoài ra, khi thi [13] tiến hành khảo sát cột ống thép nhồi bê tông với ống công cột ống thép nhồi bê tông sẽ làm giảm giá thành xây thép cường độ cao. Trong quá trình khảo sát đã xây dựng dựng và rút ngắn thời gian thi công của công trình [2, 7]. Vì được những chỉ dẫn thiết kế cho những cột có độ mảnh lớn vậy, hiện nay có nhiều nghiên cứu tập trung vào khảo sát đặc nhằm loại bỏ sự bất ổn định cục bộ và tổng thể của cột. điểm, tính chất và những công nghệ tiên tiến để phát triển Hiện nay loại kết cấu ống thép nhồi bê tông đã bắt đầu loại kết cấu này. Bài báo này sơ lược tóm tắt một số nghiên triển khai phổ biến tại Việt Nam, nhưng chưa có nhiều cứu tiêu biểu liên quan đến những vấn đề mà nghiên cứu nghiên cứu về loại kết cấu này để có thể ứng dụng phù đang tập trung khảo sát. Điển hình là nghiên cứu của G. hợp với điều kiện xây dựng tại Việt Nam. Một trong số Giakoumelis [8] về ứng xử của cột ống thép nhồi bê tông với các tài liệu nghiên cứu về kết cấu ống thép nhồi bê tông ở sự thay đổi cường độ bê tông dưới tác động của lực dọc trục. Việt Nam hiện nay là cuốn sách về “Kết cấu Ống thép Trong nghiên cứu này, Giakoumelis đã khảo sát ảnh hưởng nhồi bê tông” của GS. TS. Nguyễn Viết Trung [14]. Nội bề dày của ống thép, cường độ liên kết giữa bê tông và ống dung của cuốn sách giới thiệu tổng quan về loại kết cấu thép đến hiệu quả làm việc của cột, kết quả được so sánh với ống thép nhồi bê tông, nhằm giúp người đọc có kiến thức tiêu chuẩn Eurocode 4, tiêu chuẩn Úc và tiêu chuẩn Mỹ. Một cơ bản về kết cấu này. Các tài liệu nghiên cứu chuyên sâu nghiên cứu khác khảo sát sự ảnh hưởng thanh gia cường dọc vẫn còn rất ít. Một trong những nghiên cứu chuyên sâu cột đến tính hiệu quả làm việc của cột [9]. Nghiên cứu này được tác giả xem xét là nghiên cứu của TS. Chu Thị Bình tập trung thiết kế những thanh gia cường trên cơ sở phân tích về ứng xử của cột ống thép nhồi bê tông trong điều kiện phi tuyến về sự làm việc của nó. Một nghiên cứu khác được chịu cháy [15]. Vì vậy, cần có nhiều nghiên cứu chuyên
16 Lê Xuân Dũng, Phạm Mỹ sâu nhằm giúp cho người thiết kế tại Việt Nam có hiểu Chú ý rằng, nếu tải trọng phụ thuộc vào chuyển vị (ví biết nhiều hơn về loại kết cấu này. Đây cũng chính là lý dụ áp lực trên bề mặt xoay), ma trận độ cứng bao gồm một do tác giả đề xuất đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng trượt sự đóng góp độ cứng tải trọng. Sau đó dạng và tính tương đối giữa ống thép và lõi bê tông đến khả năng chịu toán dựa vào trạng thái cập nhật của mô hình, . lực nén lệch tâm của cột ống thép nhồi bê tông”. Sự khác nhau giữa tổng tải trọng tác dụng, và nội 2. Khảo sát bài toán bằng lý thuyết và thực nghiệm lực, được gọi là số dư lực, , và nó được tính như: 2.1. Phân tích phần tử hữu hạn đối với cột ống thép = − (8) nhồi bê tông Nếu là rất nhỏ trong dung sai giới hạn cho phép tại 2.1.1. Phương trình chủ đạo/phương trình cân bằng của bài toán mọi bậc tự do trong mô hình, thì kết cấu là cân bằng. Phương pháp PTHH nhằm tìm kiếm trường chuyển vị Dung sai này phải nhỏ hơn 0,5% lực tác dụng trung bình của một kết cấu, u, như vậy: lời giải phải liên tục qua các theo thời gian trong cấu trúc. Chúng ta đánh giá độ hội tụ biên của phần tử; sự cân bằng phải đạt được, và điều kiện cân bằng dựa vào hai điều kiện sau: biên được áp đặt phải được thỏa mãn. Đây là bài toán  nằm trong dung sai cho phép; tĩnh, vì vậy giới hạn của lời giải trong nghiên cứu chỉ xét  ≪ ∑# . sự cân bằng tĩnh của kết cấu. Phát biểu cơ bản về sự cân bằng tĩnh là nội lực áp đặt lên nút, I, là kết quả từ ứng suất 2.1.3. Xây dựng ma trận độ cứng. trên phần tử và ngoại lực, P, yếu tố mà lực tác động lên Trong mô hình 3D của cấu kiện cột ống thép nhồi bê tông, các nút trên vật thể phải cân bằng, nghĩa là: ống thép và bê tông sử dụng phần tử khối 3 chiều 8 nút để rời ( )− ( )=0 (1) rạc mô hình trong phương pháp PTHH. Đây là loại phần tử đẳng tham số, khi nó có hàm dạng cụ thể của một phần tử thì Phương trình (1) là phương trình tổng quát và không có hình học của một phần tử khối đẳng tham số có thể viết: giả thiết nào cho dạng của P(u) và I(u). Trong bài toán này, chúng ta sử dụng lời giải phi tuyến để giải quyết bài toán nhằm = = = (9) xác định được sự bất ổn định trong cột ống thép nhồi bê tông. trong đó, 2.1.2. Giải phương trình chủ đạo/phương trình cân bằng phi tuyến 0 0 0 0 ⋯ 0 Phương trình cân bằng tĩnh (1) được viết lại như sau, [ ]= 0 0 0 0 0 ⋯ 0 (10) 0 0 0 0 0 ⋯ = (2) Còn ( , , ) là các toạ độ của nút trong hệ tọa độ Tuy nhiên P và K phụ thuộc vào trường chuyển vị . tổng thể vuông góc. Và các hàm chuyển vị theo các Vì vậy, chúng ta không thể giải bài toán để xác định phương , , của hệ trục tọa độ tổng thể vuông góc cũng trường chuyển vị u một cách trực tiếp. Bài toán phi tuyến có thể được biểu diễn cùng các hàm dạng trên, nghĩa là: được giải một cách tổng quát bằng cách sử dụng kỹ thuật gia số và lặp. Kỹ thuật gia số là các cấp lực được gia tăng = = = (11) trong một quy trình được lặp đi lặp lại cho đến khi tải trọng ở cấp lực cuối cùng được áp dụng. trong đó, ( , , ) là các bậc tự do của nút sử dụng phương trình (11), biến dạng của phần tử có thể được tính Để giải phương trình cân bằng trong bài toán phi thông qua véc tơ chuyển vị nút của phần tử như sau: tuyến hình học, thông thường sử dụng lời giải gia số-lặp dựa trên kỹ thuật Newton-Raphson. Phương pháp giải này { } = [ ]{ } (12) giả sử rằng lời giải đối với gia số lực ở bước trước đó là trong đó, { } = (13) được biết. Giả sử rằng sau một bước lặp, , một trường và ma trận biến dạng [ ] là: chuyển vị xấp xỉ, , của lời giải nhận được. Đặt là sự khác nhau giữa lời giải này với lời giải chính xác trong hệ [ ] = [ ] = [[ ] [ ] [ ] ⋯ [ ] ] (14) phương trình cân bằng (1) để: Để chuyển đổi các hàm dạng trong các biến tọa độ ( + )− ( + )=0 (3) tự nhiên (, , ) sang hệ tọa độ tổng thể vuông góc Khai triển vế trái phương trình (3) trong chuỗi Taylor (x, y, z ), phương trình (15) sử dụng ma trận Jacobian đối với lời giải xấp xỉ, , chúng ta có: được định nghĩa như trong phương trình (16): ( ) ( ) ( )− ( )+ + + ⋯ = 0 (4) =[ ] (15)    Bằng cách bỏ qua các số hạng bậc cao, phương trình với: (4) được viết lại như sau: , , , , , , = ( )− ( ) (5) = , , , = , , , (16) ( ) ( ) , , , , , , trong đó, = + (6) và hàm dạng của phần tử khối tuyến tính đẳng tham số là ma trận độ cứng tiếp tuyến. Bước xấp xỉ kế tiếp lời giải được cho như sau: của nó là: 1 = (1 ± )(1 ± )(1 ± ) (17) = + (7) 8
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 17 Trong đó, chạy trên toàn bộ số nút trong phần tử. tông sử dụng trong bài báo này có tham khảo các nghiên Hàm dạng là hàm của các tọa độ đẳng tham số, ,  và cứu của Lee and Fenves, 1998 [18], Lubliner, 1989 [19], . Các mặt của phần tử nằm tại các tọa độ  = ±1, cụ thể được tóm tắt dưới đây.  = ±1 và  = ±1. Sử dụng phương pháp PTHH, ma Đáp ứng đàn hồi-đàn dẻo đối với mô hình phá hoại trận độ cứng phần tử được cho như sau: dẻo của bê tông được mô tả trong số hạng của ứng suất hiệu dụng và biến hóa cứng. [ ] = [ ] [ ][ ]| |    (18) ≝ : ( − ) ∈ { | ( , ̃ ) ≤ 0} ̃̇ = ℎ( , ̃ ) ∙ ̃̇ (24) Xây dựng ma trận độ cứng tổng thể thông qua ma trận ( ) ̇ =l ̇ kết nối phần tử [ ] , như: Trong đó l̇ và tuân theo điều kiện kuhn-Tucker: [ ]= [ ] [ ] [ ] (19) ̇l = 0; l̇ ≥ 0; ≤ 0. Ứng suất Cauchy được tính trong số hạng của biến suy giảm độ cứng, = ( , ̃ ) và ứng trong đó là số lượng phần tử trong kết cấu. suất hiệu dụng. Quan hệ vật liệu đối với đáp ứng đàn hồi- 2.1.4. Xây dựng véc tơ tải phần tử đàn dẻo, phương trình (24) tạo ra mô hình rất thuận lợi Một cách tổng quát theo phương pháp PTHH, véc tơ trong lời giải số. tải phần tử được xây dựng như sau: 2.1.7. Mô phỏng 1 { } = [ ] { } + [ ] { } + [ ] [ ]{ } Quy trình khảo sát ứng xử phi tuyến của cột CFST 2 1 (20) được trình bày trong các mục 2.1.1 - 2.1.5. Trong mô hình − [ ] { } 2 này, cả hai vật liệu thép và bê tông đều sử dụng phần tử khối 8 nút đã được trình bày trong Mục 2.1.3 để phát sinh Bằng cách tương tự, véc tơ tải phần tử tổng thể được lưới cho cấu kiện cột ống thép nhồi bê tông được mô tả tính như sau: trong Hình 1. Kích thước của phần tử được chọn một cách { }= [ ] { } (21) tối ưu giữa độ chính xác về lời giải của bài toán và tốc độ tính toán. Phần tử này còn có khả năng cho phép sử dụng kỹ thuật giảm tối thiểu số điểm tích phân Gauss trong 2.1.5. Phân tích mặt tiếp xúc giữa ống thép và bê tông phần tử, cùng với kỹ thuật điều khiển dạng hourglass Tiếp xúc giữa ống thép và lõi bê tông được mô hình trong phần tử để xây dựng phần tử mô phỏng nhanh hơn, bởi phần tử tiếp xúc. Phần tử tiếp xúc bao gồm hai mặt tin cậy hơn. Phần tử này có rất nhiều các ưu điểm, ví dụ tiếp xúc ghép chung của phần tử ống thép và phần tử lõi cho phép giảm thời gian tính toán, tăng độ tin cậy trong bê tông. Mặt cơ sở tương tác với mô hình tiếp xúc cứng trường hợp biến dạng lớn. theo phương pháp tuyến, và một mô hình bù trong Mô hình vật liệu sử dụng trong mô phỏng đặc biệt là phương pháp tuyến đối với mặt tiếp xúc giữa ống thép và mô hình vật liệu của bê tông được mô tả trong Mục 2.1.6, lõi bê tông sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. Ma sát thuộc tính vật liệu sử dụng trong mô phỏng được lấy từ giữa hai mặt tiếp xúc được duy trì cho đến khi những mặt kết quả thí nghiệm trong Mục 2.2.1-b. này vẫn còn tiếp xúc. Phần tử tiếp xúc cho phép những mặt này tách ra dưới tác động của lực kéo. Ngược lại, hai phần tử tiếp xúc không cho phép thâm nhập vào lẫn nhau. Để đánh giá lực tiếp xúc, chúng ta dựa vào mô hình tiếp xúc của Hertz [16] như: = + ̇ (22) Chia lưới cột không có Chia lưới cột có liên Chia lưới cột có liên kết ̇ trong đó, là lực pháp tuyến, tốc độ thâm nhập, và liên kết chịu cắt kết chịu cắt chịu cắt là các hệ số hằng của độ cứng và cản nhớt tương ứng. Hình 1. Mô hình chia lưới cột CFST Để đánh giá lực ma sát trượt, tron bài báo này sử dụng 2.2. Khảo sát cột ống thép nhồi bê tông chịu tải trọng mô hình của Coulomb như: nén lệch tâm bằng thực nghiệm = (23) 2.2.1. Quy trình thí nghiệm trong đó, là hệ số ma sát tham khảo trong nhiên cứu a) Chế tạo mẫu Hallquist [17]. Mẫu cột được chế tạo từ ống thép đường kính 141mm, có độ dày 0,396 mm, cao 2.25m. Trên thân ống được 2.1.6. Mô hình vật liệu bê tông khoét 1 cửa có kích thước 100 (mm) x 50 (mm) là nơi sau Vật liệu bê tông trong nghiên cứu này sử dụng mô này thao tác dán các strain gauges đo chuyển vị của thép, hình phá hoại dẻo. Dưới áp lực hãm bê tông thấp, bê tông các vị trí khoét có kích thước 10 (mm) x 90 (mm) để dán ứng xử như một vật liệu giòn, cơ chế phá hoại của nó là các strain gauges đo chuyển vị bê tông sau khi bê tông nứt dưới lực kéo, và vỡ dưới tác động của lực nén. Ứng được nhồi vào ống thép. Hai đầu ống thép được cắt một xử giòn của vật liệu bê tông không xuất hiện áp lực hãm cách chính xác bằng máy phay tại xưởng cơ khí để đảm đủ lớn để ngăn chặn vết nứt lan tỏa. Mô hình vật liệu bê bảo rằng mặt phẳng hai đầu ống là song song với nhau.
18 Lê Xuân Dũng, Phạm Mỹ Phía trong lòng ống được vệ sinh sạch sẽ để đảm bảo kết - Lõi bê tông: Đối với lõi bê tông, tiến hành lấy mẫu dính tốt giữa lõi bê tông và ống thép. thí nghiệm hình trụ theo tiêu chuẩn (xem Hình 4). Sau khi gia công vỏ thép, tiến hành gia công chân và đầu cột. Chân cột được chế tạo là tấm thép dày 40mm, được hàn chắc chắn vào thân cột với các sườn đứng gia cường, đảm bảo khi làm việc như là một liên kết ngàm cứng tại vị trí chân cột. Đối với cột có liên kết chịu cắt, trước khi đổ bê tông sẽ khoan thủng thành ống thép và tạo ren cho lỗ khoan để lắp đặt những bu lông chịu cắt. Bu Hình 4. Công tác thí nghiệm nén mẫu bê tông lông M16 mác 5.6 chiều dài 50 mm được sử dụng như Kết quả thí nghiệm được sử dụng trong các tính toán những liên kết chịu cắt/bu lông chịu cắt của những mẫu và mô phỏng. thí nghiêm này. Ống thép được đổ đầy bê tông theo c) Thiết bị thí nghiệm phương đứng, lõi bê tông được nén chặt bằng cách sử dụng bê tông tự lèn và được đầm với loại đầm tần số cao, - Strain gauges được sử dụng trong thí nghiệm là loại nhằm mục đích loại bỏ bọt khí bên trong để lõi bê tông Tokyo Sokki Kenkyujo.Co.,Ltd do Nhật Bản sản xuất, với đồng nhất. Tất cả các mẫu thí nghiệm đều được kiểm tra những tính năng cơ lý và độ chính xác cao (xem Hình 5-a). cường độ ở tuổi 28 ngày tính từ ngày đổ bê tông. - Data logger TDS-303 với 30 kênh thu dữ liệu do Bê tông đạt được cường độ sau 28 ngày. Đầu cột được chế hãng Tokyo Sokki Kenkyujo.Co.,Ltd, Nhật Bản sản xuất. tạo là tấm thép hình chữ nhật dày 40mm, kích thước 350x550 Thiết bị này dùng để thu thập tín hiệu biến dạng từ strain mm, là nơi sẽ đặt lực lệch tâm trong quá trình thí nghiệm. gauges với độ ổn định và chính xác rất cao, khoảng đo b) Vật liệu 64000.010-6 strain và độ phân giải 1.610-6 strain (Hình 5-b). Trước khi làm thí nghiệm khảo sát về khả năng chịu - Load cell là loại BL-100TE do hãng A&D, Nhật Bản lực của cột ống thép nhồi bê tông, tiến hành lấy các mẫu sản xuất, với công suất danh nghĩa 1MN và tỷ lệ đầu ra vật liệu: ống thép, cát, đá, xi măng v.v. Thực hiện các thí 1mV/V (2000m/m) hoặc lớn hơn, đảm bảo độ chính xác nghiệm vật liệu đầu vào, kiểm tra cường độ chịu kéo của cho thí nghiệm. thép, thiết kế thành phần cấp phối bê tông. - LVDT (Linear Variable Displacement Transducer), - Ống thép: Mẫu thép được lấy kích thước dài 30 cm, cảm biến do chuyển vị, trong thí nghiệm này sử dụng bề rộng khảo sát từ 3-4 cm được cắt ra từ ống thép mẫu DCTH10000C với khoảng đo 250 mm, sai số làm cột thí nghiệm. Các mẫu thép được kiểm tra kích
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 19 trạng thái thứ nhất là 19,3%, ở trạng thái thứ nhì 32,4%, trạng thái cuối 28,8%. Đối với kết quả thí nghiệm, ở trạng thái thứ nhất 19,5%, ở trạng thái thứ nhì 33,4% và trạng thái cuối cùng là 28,9%. Như vậy, cũng cùng một cấu tạo cột, nhưng khi đặt thêm các bu lông chịu cắt thì khả năng chịu nén lệch tâm của cột tăng đáng kể, tùy thuộc vào từng giai đoạn mà khả năng này thay đổi. Cụ thể, trong giai đoạn thứ nhất khả năng này tăng khoảng 19%, ở trạng thái thứ hai tăng khoảng 32,5%, và giai đoạn cuối là khoảng 29%. Bởi vì bu lông chịu cắt làm tăng khả năng liên kết giữa bê tông và ống thép, khi bê tông có xu hướng a) b) tách khỏi ống thép thì được các bu lông chịu cắt kháng Hình 6. Thiết bị thí nghiệm lại, các bu lông này đồng thời chống sự trượt xảy ra giữa 3. Kết quả và thảo luận ống thép và lõi bê tông. Do vậy, ở trạng thái thứ hai, sự trượt xuất hiện rất bé, mà nguyên nhân do liên kết bu lông Kết quả được trình bày dưới dạng biểu đồ. Trong đó, chịu cắt lúc này bị biến dạng uốn nhỏ. Vì vậy, kết quả cho kết quả so sánh giữa thực nghiệm và mô phỏng được biểu thấy, trong giai đoạn thứ nhì, cột được bố trí bu lông chịu diễn trên cùng một hệ tọa độ để cho thấy sự sai khác của cắt làm việc hiệu quả nhất. Khi lực nén lệch tâm tiếp tục hai phương pháp khảo sát. Phần sai khác đó được hiểu tăng đến khi cường độ ứng suất tập trung xung quanh liên như là sai số do nhiều nguyên nhân ảnh hưởng khác nhau. kết quá lớn, làm vùng bê tông xung quanh nó bị phá hoại Sau đây, chúng ta sẽ phân tích các kết quả thí nghiệm và cục bộ, lúc này sự trượt bắt đầu phát triển với tốc độ khá mô phỏng của nhiều thông số để thấy rõ bản chất vật lý về nhanh cho đến khi cột bị phá hoại. ảnh hưởng của sự trượt đến khả năng chịu nén lệch tâm của cột CFST thông qua việc so sánh đối với hai loại cột Hình 7-b mô tả quan hệ giữa ứng xuất và biến dạng có và không có bu lông chịu cắt. của ống trụ thép trong cột CFST. Về mặt vật lý của ứng xử, trong quan hệ này hoàn toàn tương tự như trong quan hệ giữa lực nén lệch tâm và độ trượt, chỉ khác trong trạng thái thứ nhì, khi sự trượt bắt đầu phát triển làm mất lực liên kết giữa ông thép và lõi bê tông. Lúc này biến dạng trong ống thép bắt đầu phát triển, làm xuất hiện thềm chảy ngang trong trạng thái thứ hai này, Hình 7-b, cho đến khi thế năng của lực nén lệch tâm giảm tạm thời, làm giảm a) b) ứng suất trong vỏ ống, sau đó nó được củng cố và tiếp tục Hình 7. a) Quan hệ giữa lực nén lệch tâm và độ trượt tương đối phát triển cho đến khi kết cấu bị phá hoại. giữa ống thép và lõi bê tông; b) Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong ống vỏ trụ Đầu tiên, chúng ta phân tích giữa lực nén lệch tâm và độ trượt tương đối giữa ống thép và lõi bê tông qua kết quả thể hiện trên Hình 7-a. Đối với cột không sử dụng bu lông chịu cắt, kết quả thực nghiệm cho thấy rằng khi lực nén lệch tâm bắt đầu tăng từ 0 đến 186.3 kN, tương ứng với kết a) b) quả mô phỏng là 202.5 kN thì ứng xử của quan hệ lực nén lệch tâm và độ trượt tương đối là tuyến tính. Khi lực nén Hình 8. Biến dạng trong ống thép đối với tải trọng lệch tâm (0-150) lệch tâm vượt quá hai ngưỡng trên một cách tương ứng thì kN trong trường hợp cột không có (a) và có bu lông chịu cắt (b) độ trượt tương đối bắt đầu xuất hiện. Kết quả làm giảm độ cứng của cột, cột bắt đầu biến dạng lớn làm giảm thế năng của lực nén lệch tâm. Do đó trong lúc này, lực nén lệch tâm bị giảm đến giá trị 155.94 kN (kết quả thí nghiệm) và 172.5 kN (kết quả mô phỏng), tương ứng với độ trượt 2.325mm và 2.4mm. Tại trạng thái này, cấu kiện đạt đến trạng thái cân bằng mới, ở trạng thái này, độ cứng cột được củng cố và có khả năng tiếp tục chịu lực đến giá trị cực hạn 255.3 Hình 9. Ứng xử của cột giữa mô phỏng và thực nghiệm kN (giá trị thí nghiệm) và 277.5 kN (giá trị mô phỏng). Tại trạng thái này, cột bắt đầu bị phá hoại và mất khả năng chịu Tiếp theo, chúng ta khảo sát ứng xử của sự trượt giữa lực, độ trượt tiếp tục tăng, lực nén lệch tâm suy giảm. ống thép và lõi bê tông thông qua biến dạng phân bố dọc theo chiều cao của cột. Đầu tiên, chúng ta phân tích kết Khi so sánh giữa kết quả mô phỏng và thí nghiệm ở quả thu được trong Hình 8. Đây là biến dạng trong ống trạng thái đầu tiên, sai số khoảng 8%, trạng thái thứ nhì thép ở hai trường hợp: cột được bố trí và không được bố sai số khoảng 9,6% và trạng thái cuối cùng là 8%. trí các bu lông chịu cắt. Trong cả hai trường hợp, biến So sánh kết quả giữa cột không sử dụng bu lông và cột dạng phân bố lớn nhất ở khoảng 2/3 chiều cao cột. Vì cột sử dụng bu lông chịu cắt. Đối với kết quả mô phỏng, ở chịu nén lệch tâm, chân cột liên kết ngàm, nên chuyển vị
20 Lê Xuân Dũng, Phạm Mỹ gần chân cột bị hạn chế do hiệu ứng ngàm. Vì vậy, cột bị uốn nhiều nhất tại khu vực 2/3 chiều cao cột là hợp lý. Hình 9 cho thấy kết quả giữa thí nghiệm và mô phỏng cũng đã thống nhất, biến dạng đạt giá trị lớn nhất tại khoảng 2/3 chiều cao cột. Biến dạng cột theo chiều cao cũng tương tự, biểu diễn trên Hình 9 đến Hình 14. Kết quả từ Hình 8 đến Hình 14 có chung quy luật, khi tải trong còn bé (dưới 150 kN), sai số và độ lệch giữa kết a) b) quả thí nghiệm bé. Nhưng khi tải trọng lớn (trên 150 kN), sai số và độ lệch giữa kết quả đo lớn do dung sai và nhiễu Hình 12. Biến dạng lõi bê tông đối với tải trọng lệch tâm từ (50- 150) kN, trường hợp cột không có (a) và có liên kết chịu cắt (b) do dao động của các thiết bị đo lớn. Khi tải trọng dưới 150 kN, biến dạng giữa cột được và không được gia cố bằng các bu lông chịu cắt chênh lệch nhau không lớn. Phần chênh lệch này là do cột được gia cố bu lông chịu cắt chia sẻ biến dạng cùng với lõi bê tông. Do đó, biến dạng này bé hơn so với cột không được gia cố bu lông chịu cắt và phân bố xuống gần chân cột hơn. a) b) Hình 13. Biến dạng lõi bê tông đối với tải trọng lệch tâm từ (200-300)kN, trường hợp cột không có (a) và có liên kết chịu lực cắt (b) Khi tải trọng lớn hơn 200 kN thì biến dạng trong lõi bê tông của cột không được gia cố bu lông chịu cắt tăng đến a) khoảng 1400x10-6 và không tăng được nữa do lúc này sự trượt b) xuất hiện lớn phá hủy lực liên kết giữa ống thép và lõi bê tông, Hình 10. Biến dạng trong ống thép đối với tải trọng lệch tâm cho nên ống thép không truyền lực liên kết sang lõi bê tông. (200-300) kN, trường hợp cột không có (a) và có bu lông chịu cắt (b) Trong khi đó, trong cột được gia cố liên kết bu lông chịu cắt Sai số và độ lệch của kết quả đo trong cột không được thì biến dạng của lõi bê tông tăng cho đến khi bê tông trong lõi gia cố bu lông chịu cắt lớn hơn trong cột được gia cố bu bị phá hoại cục bộ tại các bu lông chịu cắt (xem Hình 13). lông chịu cắt vì khi sự trượt xuất hiện sẽ xuất hiện những chấn động gây nhiễu các strain gauges đặt trọng cấu kiện. Ngoài ra, trạng thái làm việc và ứng xử của cột CFST phức tạp, vì vậy kết quả trong Hình 10 là hợp lý. a) b) Hình 14. Sự so sánh biến dạng giữa ống thép và lõi bê tông Hình 14 so sánh biến dạng của ống thép và lõi bê tông a) trong cả hai loại cột ở hai cấp lực 100 kN, 250 kN. Kết quả b) trong hình cho cho thấy rằng: Đối với cấp lực 100 kN thì Hình 11. So sánh biến dạng trong ống thép giữa cột có biến dạng giữa ống thép và lõi bê tông gần như nhau, trong và không có bu lông chịu cắt cả hai loại cột biến dạng này cũng tương đương với nhau. Khi tải trọng lớn hơn 200 kN thì sự chênh lệch biến dạng Khi tăng cấp lực lên 250 kN thì đối với cột không gia cố bu giữa cột được gia cố và không được gia cố bu lông chịu cắt lông chịu cắt, biến dạng giữa ống thép và lõi bê tông tại cấp lớn đến 28% vì ảnh hưởng của sự trượt diễn ra khác nhau lực này chênh lệch nhau lớn khoảng 36%. Trong khi đó, đối như đã phân tích như trong kết quả Hình 7. Ngoài ra, biến với cột có gia cố bu lông chịu cắt, độ chênh lệch biến dạng dạng trong cột không được gia cố bu lông chịu cắt tập trung giữa ống thép và lõi bê tông tương ứng với cấp lực 250 kN là lớn tại một mặt cắt ngang. Trong khi đó, cột được gia cố 8%. Kết quả này cũng được so sánh với kết quả mô phỏng, bằng bu lông chịu cắt biến dạng phân bố ra cho nhiều mặt sự sai lệch này khoảng dưới 12%. Kết quả so sánh ở mọi cắt. Đây chính là nguyên nhân làm giảm giới hạn chảy của phương diện đều cho thấy sự hợp lý cả về mặt đo đạc, tính thép, dẫn đến hiệu quả làm việc cột này cao hơn, đồng thời toán và bản chất vật lý về ứng xử của các loại cột này. biến dạng này phân bố xuống gần chân cột lớn hơn. Hình 15 so sánh đường cong quan hệ giữa lực tác Hình 12 mô tả biến dạng của lõi bê tông trong hai loại cột dụng và biến dạng của ống thép tại tiết diện đầu cột. Quy được mô tả trên. Khi cấp lực nhỏ hơn 150 kN thì biến dạng luật biến dạng trong cả hai loại cột tương tự nhau, chỉ trong lõi bê tông của hai loại cột không chênh lệch nhau lớn, khác đối với cột được gia cố bu lông chịu cắt, biến dạng vì lúc này sự trượt chưa diễn ra, ống thép và lõi bê tông làm này bé hơn đến 30%. Cùng với các kết quả trên, khi so việc đồng thời với nhau tốt. Sự phân bố biến dạng giữa ống sánh tất cả các tham số thì cột được gia cố bu lông chịu thép và lõi bê tông cũng chênh lệch nhau rất nhỏ. cắt làm việc hiệu quả hơn từ (15-30)%. Quan hệ này cũng
ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(98).2016 21 cho thấy: khi lực tác dụng bắt đầu 200 kN thì cả hai loại cắt. Qua nghiên cứu, chúng ta khẳng định một số kết quả đạt cột ứng xử theo quy luật phi tuyến. được, giúp cho chúng ta có cái nhìn chính xác hơn về ứng xử của loại kết cấu này và đúc kết được một số vấn đề sau: - Xác định một cách định lượng sự trượt tương đối giữa ống thép và lõi bê tông của cấu kiện cột ống thép nhồi bê tông trong điều kiện chịu nén lệch tâm. - Kết quả cho thấy sự trượt đóng một vai trò hết sức a) b) quan trọng và ảnh hưởng rất lớn đến khả năng làm việc Hình 15. Quan hệ giữa tải trọng nén lệch tâm của cột ống thép nhồi bê tông chịu tải trọng nén lệch tâm. đối với biến dạng ống thép tại tiết diện 1-1 - Cho thấy quá trình phân phối lại ứng suất và biến dạng của cả hai trường hợp cột có và không có các bu lông chịu cắt. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tao, Z., L.-H. Han, and D.-Y. Wang, Strength and ductility of a) b) stiffened thin-walled hollow steel structural stub columns filled Hình 16. Quan hệ lực liên kết đối với độ trượt tương đối with concrete. Thin-Walled Structures, 2008. 46(10): p. 1113-1128. giữa ống thép và lõi bê tông [2] Roeder, C.W., Overview of hybrid and composite systems for Một yếu tố quan trọng khác cần khảo sát là ảnh hưởng seismic design in the United States. Engineering Structures, 1998. 20(4–6): p. 355-363. của ứng suất tiếp xúc kết đối với sự trượt giữa ống thép và [3] Al-Khaleefi, A.M., et al., Prediction of fire resistance of concrete lõi bê tông. Chúng ta nhận thấy rằng: Ứng suất tiếp xúc kết filled tubular steel columns using neural networks. Fire Safety tăng khi độ trượt tăng từ 0 đến 1mm, và sẽ giảm đi khi độ Journal, 2002. 37(4): p. 339-352. trượt vượt quá 1mm, vì lúc này, liên kết giữa ống thép và [4] Chung, K., S. Park, and S. Choi, Fire resistance of concrete filled lõi bê tông bị phá hủy. Trong quan hệ này, chúng ta chỉ square steel tube columns subjected to eccentric axial load. International Journal of Steel Structures, 2009. 9(1): p. 69-76. khảo sát bằng mô phỏng. Trên thực tế, việc đo đạc quan hệ [5] Kodur, V., J.M. Franssen, and M.S. University, Structures in Fire: ứng xử này trong cột ống thép nhồi bê tông, dưới tác dụng Proceedings of the Sixth International Conference. 2010: DEStech của tải trọng lệch tâm khá phức tạp và bị hạn chế bởi thiết Publications. bị đo. Đối với cột được gia cố bu lông chịu cắt thì ứng suất [6] Hajjar, J.F., Composite steel and concrete structural systems for tiếp xúc lớn hơn 28,6%. Điều này đánh giá khả năng chịu seismic engineering. Journal of Constructional Steel Research, lực của cột loại này cao hơn rất nhiều so với cột không 2002. 58(5–8): p. 703-723. được gia cố bu lông chịu cắt khoảng 28,6%. [7] Varma, A.H., et al., Experimental behavior of high strength square concrete-filled steel tube beam-columns. Journal of Structural Engineering, 2002. 128(3): p. 309-318. [8] Giakoumelis, G. and D. Lam, Axial capacity of circular concrete- filled tube columns. Journal of Constructional Steel Research, 2004. 60(7): p. 1049-1068. [9] Tao, Z., et al., Analysis and design of concrete-filled stiffened thin- walled steel tubular columns under axial compression. Thin-Walled Structures, 2009. 47(12): p. 1544-1556. a) b) [10] Sakino, K., et al., Behavior of centrally loaded concrete-filled steel- Hình 17. Quan hệ giữa tải trọng nén lệch tâm tube short columns. Journal of Structural Engineering, 2004. 130(2): p. 180-188. đối với độ lệch ngang đầu cột [11] Schneider, S.P., Axially loaded concrete-filled steel tubes. Journal Cuối cùng, chúng ta so sánh khả năng chịu lực lệch tâm of Structural Engineering, 1998. 124(10): p. 1125-1138. của hai loại cột này thông qua quan hệ giữa lực tác dụng và [12] Bridge, R.Q. and M.D. O'Shea, Behaviour of thin-walled steel box độ lệch ngang của đầu cột. Cột nào chịu được lực nén lệch sections with or without internal restraint. Journal of tâm lớn hơn mà chuyển vị ngang bé hơn thì khả năng làm Constructional Steel Research, 1998. 47(1–2): p. 73-91. việc trong điều kiện lệch tâm sẽ lớn hơn. Quan hệ này còn [13] Uy, B. and S.B. Patil, Concrete filled high strength steel box columns for tall buildings: Behaviour and design. The Structural cho thấy khả năng chịu lực của cấu kiện một cách trực tiếp Design of Tall Buildings, 1996. 5(2): p. 75-94. và chính xác vì thông qua kết quả đo đạc một cách trực [14] Nguyễn Tiến Trung, Kết cấu ống thép nhồi bê tông, NXB. Xây tiếp. Kết quả được so sánh với kết quả mô phỏng cho thấy dựng, 2006. rằng: Giữa lý thuyết và mô phỏng tương đối thống nhất. [15] Bình, C.T., Nghiên cứu thực nghiệm cột ống thép nhồi bê tông Điều này chứng tỏ kết quả khảo sát có độ tin cậy cao. trong điều kiện cháy, Đại học kiến trúc Hà Nội. [16] Rothbart, H.A., Mechanical design and systems handbook. 1964: 4. Kết luận McGraw-Hill Companies. [17] Hallquist, J.O., LS-DYNA theory manual. Livermore Software Bài báo đã tiến hành nghiên cứu khảo sát sự trượt tương Technology Corporation, 2006. 3. đối giữa ống thép và bê tông trên cả hai mô hình lý thuyết và [18] Plastic-Damage Model for Cyclic Loading of Concrete Structures. thực nghiệm. Kết quả khảo sát cho thấy cơ chế ảnh hưởng Journal of Engineering Mechanics, 1998. 124(8): p. 892-900. của độ trượt đến khả năng làm việc của cột ống thép nhồi bê [19] Lubliner, J., et al., A plastic-damage model for concrete. International tông trong cả hai trường hợp có và không có bu lông chịu Journal of Solids and Structures, 1989. 25(3): p. 299-326. (BBT nhận bài: 15/12/2015, phản biện xong: 28/12/2015)