Tài liệu Khảo sát sự làm việc của ống thép có đường hàn xoắn nhồi bê tông

Ọ TRƢỜNG ĐẠI HỌ TẠ O O NG TRƢNG KHẢO SÁT SỰ LÀM VIỆC CỦA ỐNG THÉP Ó ĐƢỜNG HÀN XOẮN NHỒI BÊ TÔNG LUẬN VĂN T ẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Đ N N Ọ TRƢỜNG ĐẠI HỌ TẠ O O NG TRƢNG KHẢO SÁT SỰ LÀM VIỆC CỦA ỐNG THÉP Ó ĐƢỜNG HÀN XOẮN NHỒI BÊ TÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình DD&CN Mã số: 60.58.02.08 LUẬN VĂN T ẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP N ƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. PHẠM MỸ Đ N N i LỜI M ĐO N Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào. TÁC GIẢ LUẬN VĂN T T ƣ ii KHẢO SÁT SỰ LÀM VIỆC CỦA CỘT ỐNG THÉP Ó ĐƢỜNG HÀN XOẮN NHỒI BÊ TÔNG ọc viên: T oàng Trưng Chuyên ngành: thuật ây ựng dân dụng và công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 Khóa: 32 Trường i học Bách khoa - Tó tắt - Một trong nh ng yếu tố quan trọng nhất đối v i các kết cấu liên hợp th p và ê tông là sự làm việc c ng nhau gi a hai vật liệu Trong đ kết cấu cột ê tông cốt th p truyền thống cho thấy r sự quan trọng của sự làm việc chung này Trong luận án này tập trung khảo sát sự làm việc của cột ống th p c đường hàn xoắn nhồi ê tông trên c sở so sánh đánh giá sự khác iệt đối v i cột ống th p tr n nhồi ê tông ây c ng ch nh là l o luận án tập trung khảo sát sự tư ng tác gi a thành ống th p và l i ê tông trong cột ống th p nhồi ê tông Việc khảo sát sự tư ng tác gi a thành ống th p và l i ê tông c rất nhiều cách tiếp cận khác nhau nhưng o đây là ài toán phi tuyến về hình học và vật liệu o đ việc khảo ứng ứng x t i m t tiếp x c gi a hai lo i vật liệu trong cột không th tiếp cận ằng lời giải giải t ch Một cách tổng quan hiện nay c hai cách tiếp cận ch nh thường được s ụng rộng rãi v i độ tin cậy cao và kết quả c th đáp ứng được yêu cầu của ài toán là cách tiếp cận của ài toán th o hư ng thực nghiệm và cách tiếp cận c n l i th o hư ng mô phỏng số o cách tiếp cận thực nghiệm đ i hỏi đầu tư nhiều thời gian và chi ph thực nghiệm l n goài ra cách tiếp cận thực nghiệm các iến thứ cấp không th đo đ t trực tiếp được o đ trong nghiên cứu này chọn cách tiếp cận th o mô hình phư ng phư ng pháp số đ giải quyết ài toán Từ khóa - ột ống th p nhồi ê tông ( FT); sự tư ng tác gi a hai ề m t; hiệu ứng giam gi ; ứng x c học; tải trọng n n đ ng tâm; thay đổi hệ số ma sát (6 từ kh a) Research On The Interaction Between Steel Pipe And Concrete Core Of The Press – Resistant Concrete Filled Steel Tube Abstract –One of the most critical factor to composite steel and concrete structure is the coordination between the two materials. Specifically, the structure of traditional reinforced concrete tube clearly indicates the importance of this kind of coordination. The thesis focuses on surveying the behaviour of the concrete filled steel tube; therefore, the coordination between the two materials plays an important role as the main determinant of force resistibility of the structure. t also r mains th r ason why th th sis’s conc ntration is on th int raction tw n st l pip and concrete core of the concrete filled steel tube. There are many routes to approach the survey on the interaction between steel pipe and concrete core. However, it is impossible to use analytical solution to approach the survey on behaviour at the contact surface between the two materials on the ground that this is a nonlinear problem of geometry and materials. In general, two main approaches widely employed with high reliability and result that can meet the requirement of the problem consist of the experiment and numerical simulation. The method of experiment requires a lot of time and large portion of expense. Besides, the use of this method makes the secondary variable immeasurable. As a result, the thesis utilizes the numerical simulation method to deal with the problem. Key words - Concrete filled steel tube (CFT); interaction between two surfaces; detention effect; mechanical behaviour; central repressed counterweight; change in friction coefficient. (6 keywords). iii MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI M ĐO N ........................................................................................................... i MỤC LỤC .................................................................................................................... iii N MỤ N ẢN ............................................................................................. v N MỤ ẢNG I U .......................................................................................... xi KÝ HIỆU V ĐƠN VỊ ................................................................................................xii MỞ Đ U ......................................................................................................................... 1 1. T nh cấp thiết của đề tài .......................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................... 2 3. ối tượng và ph m vi nghiên cứu .......................................................................... 2 4. Phư ng pháp nghiên cứu ........................................................................................ 2 5. Cấu trúc luận văn .................................................................................................... 3 ƢƠNG TỔNG QU N V ỘT ỐNG T P N ỒI T NG .................... 4 1.1. Gi i thiệu tổng quan ................................................................................................. 4 1.1.1. Khái niệm cột ống th p nhồi ê tông ................................................................ 4 1.1.2. Phân lo i cột ống thép nhồi bê tông .................................................................. 5 1.2. Mục đ ch/mục tiêu và động c của đề tài nghiên cứu ............................................ 10 1.2.1. Mục đ ch/mục tiêu của đề tài nghiên cứu ....................................................... 10 1.2.2. ộng c nghiên cứu ........................................................................................ 10 ƢƠNG Ơ SỞ T U T ẢO SÁT SỰ LÀM VIỆC CỘT ỐNG T P Ó ĐƢỜNG HÀN XOẮN NHỒI BÊ TÔNG TRONG ĐI U IỆN ỊU N N ................................................................................................................... 12 2.1. Tổng quan ............................................................................................................... 12 2.1.1. u đi m về k thuật của cột FT .................................................................. 12 2.1.2. u đi m về m t kinh tế của cột FT .............................................................. 12 2.1.3. Phát i u ài toán ............................................................................................ 13 2.1.4. T m tắt các nghiên cứu đã thực hiện .............................................................. 14 2.2. Phân t ch phần t h u h n kết cấu cột ống th p c đường hàn xoắn nhồi ê tông ............................................................................................................................... 14 2.2.1. Thuộc t nh vật liệu ê tông và ống th p .......................................................... 14 2.2.2. Mô hình hình học ............................................................................................ 17 2.3. Phân t ch phần t h u h n cột ê tông ống th p nhồi ê tông FT ....................... 18 2.3.1. Phư ng trình cân ằng phi tuyến .................................................................... 18 2.3.2. iải phư ng trình cân ằng phi tuyến ............................................................. 20 iv 2.3.3. ây ựng ma trận độ cứng .............................................................................. 22 2.3.4. ây ựng v c t tải ......................................................................................... 23 2.3.5. iều kiện tiếp x c ........................................................................................... 24 2.3.6. Phát sinh lư i................................................................................................... 26 2.4. ết luận hư ng 2.................................................................................................. 27 ƢƠNG P ƢƠNG P P SỐ P ỤNG V P N T T QỦ ..... 28 3.1. Cột CFT: A-1-1 và A-2-1 ....................................................................................... 28 3.1.1. hảo sát áp lực tiếp x c .................................................................................. 28 3.1.2. hảo sát áp lực cắt tiếp x c ............................................................................ 30 3.1.3. Khảo sát mối quan hệ gi a lực và chuy n vị .................................................. 32 3.1.4. hảo sát chuy n vị trong và ngoài ống th p ................................................... 35 3.1.5. hảo sát ứng x của iến ng ....................................................................... 37 3.1.6. hảo sát ứng x của ứng suất ......................................................................... 42 3.2. Cột CFT: A-1-2 và A-2-2 ....................................................................................... 47 3.2.1. hảo sát áp lực tiếp x c .................................................................................. 47 3.2.2. hảo sát chuy n vị .......................................................................................... 51 3.2.3. hảo sát ứng x của iến ng và ứng suất .................................................... 54 3.2.4. hảo sát sự trượt và phá ho i l i ê tông ....................................................... 63 3.3. ết luận hư ng 3.................................................................................................. 65 T UẬN V T I IỆU T QUY T ĐỊN I N NG Ị ..................................................................................... 67 M ẢO GI O Đ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) v N ình ình MỤ N ẢN : ấu t o kết cấu ống thép nhồi bê tông. ........................................................... 5 2: M t cắt đi n hình cột ống thép nhồi bê tông. .................................................6 ình 3: ột ống thép nhồi bê tông v i hai l p ống thép/Concrete-filled double skin tubes ......................................................................................................................... 7 ình 4: ột bê tông bao CFST/Concrete-encased CFST. ............................................8 ình ình 5: F T tăng cường th p gia cường....................................................................8 6: F T v i sườn tăng cứng................................................................................9 ình 7: ự tổ hợp tiết diện của cột CFST. ...................................................................9 ình 2 : oncr t isplac m nt ..................................................................................13 ình 2 2: Mô hình phá ho i o của ê tông ................................................................ 15 ình 2 3: Phá ho i n n ê tông v i ...................................................... 16 ình 2 4: Phá ho i k o ê tông v i ...................................................... 16 ình 2 5: Phá ho i n n ê tông v i ...................................................... 16 ình 2 6: Phá ho i k o ê tông v i ...................................................... 17 ình 2 7: uan hệ gi a ứng suất và iến ng của vật liệu ống th p ........................... 17 ình 2 8: Mô hình hình học cột FT: -1-1, A-2-1 ..................................................... 18 ình 2 9: Mô hình hình học cột FT: -1-2, A-2-2 ...................................................... 18 ình 2 : Phi tuyến vật liệu ......................................................................................... 19 ình 2 : Minh ho đường cong lực-chuy n vị trong ài toán phi tuyến hình học ....20 ình 2 2: iải thuật wton-Raphson ........................................................................20 ình 2 3: ường cong lực-chuy n vị ..........................................................................22 ình 2 4: ịnh ngh a các tham số trong thuật toán tiếp x c s ụng trong mô phỏng ............................................................................................................................. 25 ình 2 5:Phát sinh lư i đi n hình của cột FT: -1-1, A-2-1....................................27 ình 2 16:Phát sinh lư i đi n hình của cột FT: -1-2, A-2-2....................................27 ình 3 : ng x áp lực tiếp x c phân ố ọc th o chu vi t i đ nh gi a và chân ống th p của cột -1-1 .........................................................................................................29 ình 3 2: ng x áp lực tiếp x c phân ố ọc th o chu vi t i đ nh gi a và chân l i ê tông của cột -1-1 ....................................................................................................29 ình 3 3: Phân ố ứng suất tiếp x c t i đ nh ống th p cột -1-1 .................................30 ình 3 4: Phân ố ứng suất tiếp x c gi a ống th p cột -1-1 ......................................30 ình 3 5: Phân ố ứng suất tiếp x c t i chân ống th p cột -1-1.................................30 ình 3 6: Phân ố áp lực tiếp x c ọc trục cột -1-1 ................................................... 31 vi ình 3 7: Phân ố áp lực cắt tiếp x c ọc trục cột -1-1 .............................................31 ình 3 8: Phân ố áp lực cắt tiếp x c t i đ nh ống th p cột -1-1 ............................... 32 ình 3 9: Phân ố áp lực cắt tiếp x c gi a ống th p cột -1-1 ....................................32 ình 3 : Phân ố áp lực cắt tiếp x c t i chân ống th p cột -1-1 ............................. 32 ình 3 : ường cong quan hệ gi a lực và hệ số ma sát của cột -1-1, A-2-1 .........33 ình 3 2: ường cong quan hệ gi a lực và hệ số ma sát của cột -1-2, A-2-2 .........33 ình 3 3: ường cong quan hệ gi a lực và chuy n vị của l i ê tông đối v i hệ số ma sát ( ck 4 MPa) cột -1-1 ................................................................................... 34 ình 3 4: ường cong quan hệ gi a lực và chuy n vị của l i đối v i cường độ của ê tông (nu 4) cột -1-1 ............................................................................................ 34 ình 3 5: ng suất tiếp x c phân ố ọc trục ống th p đối v i cường độ ê tông (nu 4) cột -1-1 .........................................................................................................34 ình 3 6: ường cong quan hệ lực và chuy n vị t i đ nh ống th p đối v i cường độ của ê tông (nu 4) cột -1-1 ................................................................................35 nh 3 7: ường cong quan hệ gi a lực và chuy n vị đối v i hệ số ma sát t i đáy của ống th p của cột -1-1 ............................................................................................ 35 ình 3 8: ường cong quan hệ gi a lực và chuy n vị t i đáy gi a và đ nh của ống th p của cột -1-1 ..................................................................................................35 ình 3 9: ng x chuy n vị ọc trục (u3) ên trong và ngoài thành ống (nu 2 ck 4 MPa) cột -1-1 .................................................................................................36 ình 3 2 : ng x chuy n vị ọc trục (u3) ên trong và ngoài thành ống (nu 4 ck 4 MPa) cột -1-1 .................................................................................................36 ình 3 2 : ng x chuy n vị ọc trục (u3) ên trong và ngoài thành ống (nu 7 ck 4 MPa) cột -1-1 .................................................................................................36 ình 3 22: ng x iến ng t i đ nh ống th p đối v i cường độ của ê tông nu=0.4-A-1-1 .................................................................................................................37 ình 3 23: ng x iến ng 22 t i gi a ống đối v i cường độ của ê tông nu 4 cột -1-1 ...........................................................................................................38 ình 3 24: ng x iến ng 33 t i gi a ống đối v i cường độ của ê tông nu 4 cột -1-1 ...........................................................................................................38 ình 3 25: ng x iến ng t i chân gi a và đ nh ống của cột -1-1 ...............39 ình 3 26: ng x iến ng 22 t i chân gi a và đ nh ống của cột -1-1 ...............39 nh 3 27: ng x iến ng 33 t i chân gi a và đ nh ống của cột -1-1 ...............39 ình 3 28: Phân ố iến ng ọc trục trong và ngoài ống cột -1-1 ..................40 ình 3 29: Phân ố iến ng ọc trục 22 trong và ngoài ống cột -1-1 ..................40 ình 3 3 : Phân ố iến ng ọc trục 33 trong và ngoài ống cột -1-1 ..................40 vii ình 3 3 : Phân ố iến ng ọc th o chu vi trong và ngoài ống cột -1-1.......40 ình 3 32: Phân ố iến ng 22 ọc th o chu vi trong và ngoài ống cột -1-1.......40 ình 3 33: Phân ố iến ình 3.34: Phân ố iến ình 3 35: Phân ố iến ng 33 ọc th o chu vi trong và ngoài ống cột -1-1.......40 ng ọc trục ngoài l i cột -1-1 ..................................41 ng ngang 22 ngoài l i cột -1-1 .....................................41 ình 3.36: Phân ố iến ng ngang 33 ngoài l i cột -1-1 .....................................41 ình3.37: Phân ố iến ng ọc trục ọc th o chu vi l i t i chân gi a và đ nh cột -1-1 ................................................................................................................41 ình 3 38: Phân ố iến ng ọc trục 22 ọc th o chu vi l i t i chân gi a và đ nh cột -1-1 ................................................................................................................41 ình 3 39: Phân ố iến ng ọc trục 33 ọc th o chu vi l i t i chân gi a và đ nh cột -1-1 ................................................................................................................41 ình 3 4 : Phân ố ứng suất Von Mis s ọc trục ên trong ống th p đối v i cường độ ê tông cột -1-1 ......................................................................................................42 ình 3 4 : Phân ố ứng suất Von Mis s ọc trục ên ngoài ống th p đối v i cường độ ê tông cột -1-1 ......................................................................................................43 ình 3 42: Phân ố ứng suất Von Mis s ọc trục ê trong và ngoài ống th p cột 1-1 ..................................................................................................................................43 ình 3 43: Phân ố ứng suất Von Mis s ọc trục ên trong ống đối v i hệ số ma sát cột -1-1 ..................................................................................................................44 ình 3 44:Phân ố ứng suất Von Mis s ọc th o chu vi trong ống t i chân gi a và đ nh cột -1-1 ................................................................................................................45 ình 3 45: Phân ố ứng suất Von Mis s ọc th o chu vi ngoài ống t i chân gi a và đ nh cột -1-1 ................................................................................................................45 ình 3 46: Phân ố ứng suất Von Mis s ọc chu vi l i đối v i cường độ ê tông.......46 cột -1-1 ........................................................................................................................ 46 ình 3 47: Phân ố ứng suất Von Mis s ọc chu vi l i đối v i hệ số ma sát cột 1-1 ..................................................................................................................................46 ình 3 48: Phân ố ứng suất Von Mis s ọc chu vi l i t i chân gi a và đ nh cột 1-1 ..................................................................................................................................47 ình 3 49: Phân ố áp lực tiếp x c trong ống th p xoắn ốc cột -1-2 ......................... 48 ình 3 5 : ng x áp lực tiếp x c t i khu vực trong ống th p cột -1-2 .................48 ình 3 5 : ng x áp lực tiếp x c t i khu vực 2 trong ống th p cột -1-2 .................48 ình 3 52: ng x áp lực tiếp x c t i khu vực 3 trong ống th p cột -1-2 .................48 ình 3 53: ng x áp lực tiếp x c t i khu vực 4 trong ống th p cột -1-2 .................48 ình 3 54: Phân ố áp lực tiếp x c cắt trong thành ống th p cột -1-2 ....................... 49 viii ình 3 55: ng x của áp lực tiếp x c trượt t i khu vực trong ống th p cột -1-2 ..49 ình 3 56: ng x của áp lực tiếp x c trượt t i khu vực 2 trong ống th p cột -1-2 ..49 ình 3 57: ng x của áp lực tiếp x c trượt t i khu vực 3 trong ống th p cột -1-2 ..49 ình 3 58: ng x của áp lực tiếp x c trượt t i khu vực 4 trong ống th p cột -1-2 ..49 ình 3 59: Phân ố ứng suất tiếp x c trên l i ê tông cột -1-2 ..................................50 ình 3 6 : ình 3 6 : ình 3 62: ng x áp lực tiếp x c t i khu vực trên l i ê tông cột -1-2 ................50 ng x áp lực tiếp x c t i khu vực 2 trên l i ê tông cột -1-2 ................50 ng x áp lực tiếp x c t i khu vực 3 trên l i ê tông cột -1-2 ................50 ình 3 63: ng x áp lực tiếp x c t i khu vực 4 trên l i ê tông cột -1-2 ................50 ình 3 64: Phân ố ứng suất tiếp x c cắt trên l i ê tông -1-2 ..................................50 ình 3 65: ình 3 66: ng x của áp suất tiếp x c cắt t i khu vực trên l i ê tông cột -1-2...51 ng x của áp suất tiếp x c cắt t i khu vực 2 trên l i ê tông cột -1-2...51 ình 3 67: ình 3 68: ình 3 69: ống th p cột ình 3 7 : ống th p cột ình 3 7 : ng x của áp suất tiếp x c cắt t i khu vực 3 trên l i ê tông cột -1-2...51 ng x của áp suất tiếp x c cắt t i khu vực 4 trên l i ê tông cột -1-2...51 ường cong quan hệ lực-chuy n vị m t trong ống t i đ nh gi a và chân -1-2 .........................................................................................................52 ường cong quan hệ lực-chuy n vị m t ngoài ống t i đ nh gi a và chân -1-2 .........................................................................................................52 ường cong quan hệ lực-chuy n vị m t trong và ngoài ống t i đ nh ống th p cột -1-2 ................................................................................................................52 ình 3 72: ường cong quan hệ lực-chuy n vị m t trong và ngoài ống t i gi a ống th p cột -1-2 ................................................................................................................52 ình 3 73: ường cong quan hệ lực-chuy n vị m t trong và ngoài ống t i chân ống th p cột -1-2 ................................................................................................................52 ình 3 74: ường cong quan hệ lực-chuy n vị t i đ nh gi a và chân l i ê tông cột A-1-2 .............................................................................................................................. 53 ình 3 75: ng x của chuy n vị t i đ nh gi a và chân l i ê tông cột -1-2 ...........53 ình 3 76: o sánh quan hệ lực-chuy n vị gi a ống th p và l i ê tông t i chân cột 1-2 ..................................................................................................................................53 ình 3 77: o sánh quan hệ lực-chuy n vị gi a ống th p và l i ê tông t i gi a cột A-1-2 .............................................................................................................................. 53 ình 3 78: o sánh quan hệ lực-chuy n vị gi a ống th p và l i ê tông t i đ nh cột A-1-2 .............................................................................................................................. 53 ình 3 79: Phân ổ phân bố chuy n vị trong lõi bê tông và ống thép cột A-1-2 ..........54 ình 3 8 : ng x iến ng tư ng đối ( ) t i chân ống th p cột -1-2 ..............55 ình 3 8 : ng x iến ng tư ng đối ( ) t i gi a ống th p cột -1-2 ..............55 ix ình 3 82: ng x iến ng tư ng đối ( ) t i đ nh ống th p cột -1-2 ..............55 ình 3 83: Phổ phân ố ứng suất tư ng đối ( ình 3 84: ình 3 85: ình 3 86: ng x ng x ng x iến iến iến ng tư ng đối ( ng tư ng đối ( ng tư ng đối ( ) trong ống th p cột -1-2 ............55 22) t i chân ống th p cột A-1-2 ..............55 22) t i gi a ống th p cột -1-2 ..............55 22) t i đ nh ống th p cột -1-2 ..............55 ình 3 87: Phổ phân ố ứng suất tư ng đối ( 22) trong ống th p cột -1-2 ............55 ình 3 88: ng x iến ng tư ng đối ( 33) t i chân ống th p cột -1-2 ..............56 ình 3 89: ng x iến ng tư ng đối ( 33) t i gi a ống th p cột -1-2 ..............56 ình 3 9 : ng x iến ng tư ng đối ( 33) t i đ nh ống th p cột -1-2 ..............56 ình 3 9 : Phổ phân ố ứng suất tư ng đối ( 33) trong ống th p cột -1-2 ............56 ình 3 92: ình 3 93: ng x ng x iến iến ng tư ng đối ( ng tư ng đối ( ) t i chân l i ê tông cột -1-2 ...........57 ) t i gi a l i ê tông cột -1-2 ...........57 ình 3 94: ng x iến ng tư ng đối ( ) t i đ nh l i ê tông cột -1-2 ...........57 ình 3 95: Phổ phân ố iến ng tư ng đối ( ) trên l i ê tông cột -1-2 .........57 ình 3 96: ng x iến ng tư ng đối ( 22) t i chân l i ê tông cột -1-2 ............57 ình 3 97: ng x iến ng tư ng đối ( 22) t i gi a l i ê tông cột -1-2 ............57 ình 3 98: ng x iến ng tư ng đối ( 22) t i đ nh l i l i ê tông cột -1-2 ......57 ình 3 99: Phổ phân ố iến ng tư ng đối ( 22) trên l i ê tông cột -1-2 .........57 ình 3 : ng x iến ng tư ng đối ( 33) t i chân l i ê tông cột -1-2 .........58 ình 3 ình 3 ình 3 : ng x iến ng tư ng đối ( 33) t i gi a l i ê tông cột -1-2 .........58 2: ng x iến ng tư ng đối ( 33) t i đ nh l i ê tông cột -1-2 .........58 3: Phổ phân ố iến ng tư ng đối ( 33) trên l i ê tông cột -1-2 .......58 ình 3 ình 3 ình 3 ình 3 ình 3 ình 3 4: ng x của 5: ng x của 6: ng x của 7: Phổ phân ố 8: ng x của 9: ng x của iến iến iến iến iến iến ng ng ng ng ng ng ình 3 ình 3 ình 3 ình 3 ình 3 ình 3 ình 3 ình 3 : ng x của : Phổ phân ố 2: ng x của 3: ng x của 4: ng x của 5: Phổ phân ố 6: ng x iến 7: ng x iến iến iến iến iến iến iến ng ng ng o (P 22) t i đ nh ống th p cột -1-2 ................59 ng o (P 22) trong ống th p cột -1-2 ..................59 ng o (P 33) t i chân ống th p cột -1-2 ...............60 ng o (P 33) t i gi a ống th p cột -1-2 ................60 ng o (P 33) t i đ nh ống th p cột -1-2 ................60 ng o (P 33) trong ống th p cột -1-2 ..................60 o (P ) t i chân l i ê tông cột -1-2 ................... 61 o (P ) t i đ nh l i ê tông cột -1-2 ................... 61 o (P ) t i chân ống th p cột -1-2 ...............59 o (P ) t i gi a ống th p cột -1-2 ................59 o (P ) t i đ nh ống th p cột -1-2 ................59 o (P ) trong ống th p cột -1-2 ..................59 o (P 22) t i chân ống th p cột -1-2 ...............59 o (P 22) t i gi a ống th p cột -1-2 ................59 x ình 3 8: ình 3 9: Phổ phân ố iến ình 3 2 : ình 3 2 : ình 3 22: ng x ng x ng x ng x iến iến iến iến ng ng ng ng o (P ng ) t i đ nh l i ê tông cột -1-2 ................... 61 o (P ) trên l i ê tông cột -1-2 .................61 o (P 22) t i chân l i ê tông cột -1-2 ................... 61 o (P 22) t i gi a l i ê tông cột -1-2 ................... 61 o (P 22) t i đ nh l i ê tông cột -1-2 ................... 61 ình 3 23: Phổ phân ố iến ng o (P 22) trên l i ê tông cột -1-2 .................61 ình 3 24: ng x iến ng o (P 33) t i chân l i ê tông cột -1-2 ................... 62 ình 3 25: ng x iến ng o (P 33) t i gi a l i ê tông cột -1-2 ................... 62 ình 3 26: ng x iến ng o (P 33) t i đ nh l i ê tông cột -1-2 ................... 62 ình 3 27: Phổ phân ố iến ng o (P 33) trên l i ê tông cột -1-2 .................62 ình 3 28: ình 3 29: ình 3 ình 3 ình 3 ình 3 ình 3 ình 3 ình 3 ng x của ứng suất Von Mis s t i chân ống th p cột -1-2 ..................62 ng x của ứng suất Von Mis s t i gi a ống th p cột -1-2................... 62 3 : ng x của ứng suất Von Mis s t i đ nh ống th p cột -1-2 ..................63 3 : Phổ phân ố ứng suất Von Mis s thành ngoài và trong ống th p cột -1-2 .63 32: ng x của ứng suất Von Mis s t i chân l i ê tông cột -1-2 ...............63 33: ng x của ứng suất Von Mis s t i gi a l i ê tông cột -1-2 ...............63 34: ng x của ứng suất Von Mis s t i đ nh l i ê tông cột -1-2 ...............63 35: Phổ phân ố ứng suất Von Mis s trên l i ê tông cột -1-2 .................... 63 36: ng x của tiếp x c trượt ( lip) t i chân l i ê tông cột -1-2 ............64 ình 3 37: ng x của tiếp x c trượt ( lip) t i gi a l i ê tông cột -1-2 .............64 ình 3 38: ng x của tiếp x c trượt ( lip) t i đ nh l i ê tông cột -1-2 .............64 ình 3 39: Phổ phân ố tiếp x c trượt ( lip) trên l i ê tông cột -1-2 ..................64 ình 3 4 : ng x phá ho i n n ( amag ) t i chân gi a và đ nh của l i ê tông cột -1-2 ........................................................................................................................ 65 ình 3 4 : ng x phá ho i k o ( amag T) t i chân l i ê tông cột -1-2 .............65 ình 3 42: ng x phá ho i k o ( amag T) t i gi a l i ê tông cột -1-2 ..............65 ình 3 43: ng x phá ho i k o ( amag T) t i đ nh l i ê tông cột -1-2 ..............65 ình 3 44: Phổ phân ố phá ho i k o và n n trong l i ê tông cột -1-2 ..................65 xi N MỤ ẢNG I U Bảng 2 : Thuộc t nh hình học và c học của mô hình mô phỏng ................................ 18 xii KÝ HIỆU V ĐƠN VỊ 1. Ký hiệu Bảng ư i đây cung cấp anh mục các k hiệu được s ụng trong luận văn này c ng v i nh ng mô tả vắn tắt TT V T TẮT Kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled 01 CFST Steel Tube) Trong ống thép có tiết diện hình vành khăn/circular 02 CHS hollow section 03 Cột có tiết diện rỗng hình vuông/square hollow section SHS Ho c cột có tiết diện rỗng hình ch nhật/rectangular 04 RHS hollow section 05 Bê tông cốt thép BTCT Cột ống thép nhồi bê tông v i hai l p ống 06 CFDST thép/concrete-filled duoble skin tubes 07 Cột thép rỗng SFS 08 Bê tông cường độ cao HSC 2. Đơ vị Tiêu chu n uroco 3 được thiết kế trên c sở hệ đ n vị: ực wton chiều ài mi-li-m t ho c một số hệ đ n vị vị khác như M tric M c ng được s ụng trong luận văn kết hợp v i uroco 3 1 MỞ Đ U 1. T h c thi t của t i Cùng v i xu thế hội nhập, Việt nam là một nư c có nền kinh tế tăng trưởng nhanh đ c biệt là nh ng năm gần đây v i tốc độ tăng trưởng trung ình 7%/năm à một trong nh ng quốc gia có nền kinh tế tăng trưởng nhanh nhất trong khu vực, xếp thứ tư sau Trung Quốc, Singapore và Hồng Kông. Cùng V i sự phát tri n ngày càng nhanh v i nhiều dự án xây dựng được đầu tư thì yêu cầu về t nh k thuật khoa học và công nghệ ngày càng phát tri n h n Vì vậy việc nghiên cứu sự tư ng tác gi a ống th p và l i ê tông đối v i cột ống th p nhồi ê tông chịu n n là một việc cấp thiết trong việc thiết kế cho các công trình hiện đ i Tuy nhiên, việc thực hiện không đ n giản và đây là l nh vực khá m i m t i Việt am h ng năm gần đây nhu cầu s ụng cột ống th p nhồi ê tông ngày càng tăng ột ống th p nhồi ê tông c xu hư ng tiến đến thay thế cho cột ê tông cốt th p truyền thống ch ng được s ụng rộng rãi trong nhà ở nhà nhiều tầng và trong kết cấu cầu [1]. Hiện nay, cột ống th p tr n nhồi ê tông (không c đường hàn xoắn) đã được nghiên cứu rộng rãi ầu hết ống th p tr n được chế t o s dụng công nghệ truyền thống cho năng suất thấp n n a đối v i ống th p tr n h n chế l n nhất là liên kết gi a lõi bê tông và thành ống th p thấp chưa phát huy hết khả năng làm việc của từng vật liệu trong kết cấu liên hợp o đ giải pháp tăng cường độ ê tông đ tăng khả năng làm việc của cột không phát huy hiệu quả Trong khi đ cột ống th p c đường hàn xoắn nhồi bê tông hiện nay chưa được nghiên cứu o i ống th p này gần đây được chế t o s dụng công nghệ tiên tiến cho năng suất cao Về m t nghiên cứu ự đoán lo i cột này khả năng liên kết gi a l i ê tông và thành ống th p tốt c th phát huy hết sự làm việc của vật liệu ê tông và ống th p Vì vậy giải pháp tăng cường độ ê tông đ tăng khả năng làm việc của cột c th phát huy hiệu quả Gần đây kết cấu ống thép nhồi bê tông ( FT) được tri n khai trong nhiều công trình xây dựng ho c cầu đ ng vai tr là hệ kết cấu chịu lực ngang cho công trình và cầu, kết cấu giằng và không giằng, nhịp cầu, v.v. nhờ vào nh ng lợi thế vượt trội ư i đây so v i nh ng cấu kiện tư ng đư ng bằng thép, bê tông cốt thép hay kết cấu liên hợp: Th p được bố trí ở chu vi ngoài, có th chịu kéo và chống mô men uốn một cách hiệu quả ây là điều hi n nhiên vì thép ống có mô-đun (mo ul ) đàn hồi l n h n nhiều so v i ê tông Và th p được đ t cách xa nhất so v i vị trí trục đối xứng của trục nên mô men quán tính sẽ đ t giá trị l n nhất. Bê tông bên trong ống th p được x m như l i cứng. Vai trò của nó là chịu tải nén tác dụng ư i tác dụng của tải trọng n n gi a thép ống và lõi bê tông hình thành sự liên kết o ma sát làm tăng cường độ chịu nén của CFT tiết diện tr n và tăng độ 2 d o cho tiết diện CFT ch nhật. Vì vậy, hầu hết cột FT được dùng cho cột chịu tải nén l n. Liên kết gi a th p và ê tông c ng g p phần ngăn cản sự mất ổn định cục bộ của thép. ột ê tông ống th p nhồi ê tông c nhiều ưu đi m vượt trội được chứng minh thông qua sự gia tăng cường độ chịu tải trọng l p t nh o và sự giảm chấn. Trong nghiên cứu này đối v i ống xoắn ốc của JPE, yêu cầu đ t ra là khảo sát khả năng s dụng ê tông cường độ cao kết hợp v i ống thép thành mỏng cường độ cao, nó sẽ cải thiện đáng k khả năng chịu nén của cột FT S dụng CFT có th mang l i một số hiệu quả kinh tế [2-6] như sau: - Ống thép có th thay thế cho cốp-pha (formwork) ở công trường o đ c th giảm đáng kế vật liệu cốp-pha và chi phí nhân công. - Tiến độ dự án nhà cao tầng nhanh h n so v i kết cấu bê tông cốt thép thông thường. Bởi vì nếu FT được s dụng thì công trình có th lắp đ t nhiều tầng trư c khi thi công ê tông iều này tiết kiệm chi phí xây dựng cả về vật chất và thời gian. - hi các khung FT không được giằng được s dụng thay vì các kết cấu truyền thống thì lượng thép tiết kiệm càng cao đối v i công trình càng nhiều tầng [7]. - Liên kết gi a dầm và cột được thiết kế và lắp đ t một cách đ n giản điều này có th s dụng cho các cấu kiện CFT hình ch nhật. Vì vậy, tổng chi phí cho quá trình thiết kế có th được tiết kiệm. - hi ê tông cường độ cao được s dụng, có th làm giảm k ch thư c cột nên không gian s dụng trong các t a nhà văn ph ng tăng lên ồng thời, nó t o ra một hệ khung nhẹ h n nên giảm tải trọng lên móng. Tất cả nh ng điều này dẫn đến giảm chi phí của tòa nhà. ây ch nh là l o đ luận án đề xuất và tập trung nghiên cứu đề tài hảo sát sự làm việc của cột ống th p c đường hàn xoắn nhồi ê tông đây là đề tài mang t nh thời sự và cấp thiết c ngh a khoa học và thực ti n cần được tập trung nghiên cứu đ làm r ản chất của vấn đề. 2. Mục tiêu nghiên cứu hảo sát sự làm việc của cột ống th p c đường hàn xoắn nhồi ê tông trên c sở so sánh đánh giá sự khác iệt đối v i cột ống th p tr n nhồi bê tông. 3. Đối tƣợng và ph m vi nghiên cứu  ối tượng nghiên cứu: ột ống th p c đường xoắn nhồi ê tông và cột ống th p tr n (không c đường xoắn) nhồi ê tông.  Ph m vi nghiên cứu: ụng phư ng pháp số đ khảo sát ài toán. 4. Phƣơ há hiê cứu  Phư ng pháp l thuyết: Tìm kiếm và tập hợp tài liệu; nghiên cứu và tìm hi u lý thuyết c học vật rắn iến ng l thuyết phần t h u h n xây ựng các mô hình số đ mô phỏng ài toán.  Phư ng pháp số: ây ựng mô hình số khảo sát ứng x của cột ống th p c đường 3 hàn xoắn nhồi ê tông.  o sánh ánh giá: o sánh đánh giá v i cột ống th p tr n nhồi ê tông đ làm r ứng x khác nhau gi a ch ng đồng thời làm sáng tỏ kết quả ự đoán. 5. C u trúc luậ v Nội ung c ản của luận văn như sau: MỞ ẦU Ơ 1: TỔNG QUAN VỀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG Ơ 2 : Ơ Ở LÝ THUY T T SỰ LÀM VIỆC CỘT ỐNG T ÉP Ó ỜNG HÀN XOẮN NHỒI BÊ TÔNG Ơ 3: ÁP DỤNG VÀ PHÂN TÍCH K T QU TỪ MÔ PHỎNG BẰNG P Ơ P P Ố K T LUẬN VÀ KI N NGHỊ TÀI LIỆU THAM KH O 4 ƢƠNG TỔNG QU N V ỘT ỐNG T P N ỒI T NG 1.1. Giới thiệu tổng quan 1.1.1. Khái niệm cột ố Kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Tube (CFT) xem ình) là một hệ thống gồm các cấu kiện chịu lực chính là các ống th p được nhồi đ c bằng ê tông cường độ cao ho c trung ình Thông thường dùng ống tròn ho c có th vuông. Hệ thống kết cấu CFT có nhiều ưu đi m về độ cứng cường độ, khả năng chống biến d ng, khả năng chống cháy, không cần ván khuôn khi thi công, giảm chi phí và thời gian thi công. Lo i kết cấu này có th áp dụng cho nhiều lo i công trình nhà xây dựng xưởng và các công trình cầu đường. Kết cấu CFT có một số ưu đi m khác biệt so cột bê tông cốt th p thường. Ống thép nằm ở bên ngoài có hiệu quả trong việc kéo và chống momen uốn, lõi bê tông góp phần l n trong việc chống nén dọc trục ngoài ra độ cứng của FT được tăng cường nhiều nhờ ống thép. Bê tông t o thành một l i l tưởng đ chịu được tải nén trong các ứng dụng đi n hình như n làm chậm và thường ngăn cản oằn cục bộ của th p đ c biệt là ở CFT hình ch nhật n n a, sự làm việc của ê tông ên trong được cải thiện do sự bao bọc tác động xảy ra bởi vỏ th p làm tăng cường độ nén cho CFT tròn, và độ d o cho CFT hình ch nhật gược l i v i các cột bê tông cốt thép v i cốt thép ngang, ống th p c ng ngăn ngừa nứt vỡ của bê tông và giảm thi u ùn tắc cốt thép trong khu vực liên kết đ c biệt đối v i thiết kế động đất. Sự phân bố của vật liệu trong m t cắt ngang c ng làm cho hệ thống rất hiệu quả trong thời h n làm việc của kết cấu. Nhiều th nghiệm đã minh họa sự gia tăng cường độ theo chu kỳ độ d o, và sự tắt dần bằng cách thêm vào các ống rỗng bằng bê tông. Các ứng dụng gần đây c ng đã gi i thiệu việc s dụng ê tông cường độ cao kết hợp v i ống th p cường độ cao thành mỏng đ t nhiều thành công hi ê tông cường độ cao và ống thép thành mỏng được s dụng cùng nhau, tính chất gi n h n của ê tông cường độ cao một phần giảm nhẹ bởi sự h n chế từ ống thép, và oằn cục bộ của ống thép mỏng được giảm bởi sự hỗ trợ bởi bê tông [8]. Một trở ng i ch nh đ CFT s dụng rộng rãi là h n chế kiến thức về ứng x của CFT. Một số yếu tố làm phức t p việc tính toán và thiết kế ống thép nhồi bê tông. Kết cấu CFT gồm 2 lo i vật liệu v i đường cong ứng suất biến d ng và ứng x rõ rệt. Sự tư ng tác của hai vật liệu đ t ra một vấn đề kh khăn trong việc xác định tính chất kết hợp như mom m quán t nh và môđun đàn hồi chế phá ho i phụ thuộc phần l n vào hình d ng, chiều ài đường k nh độ dày ống thép, bê tông và thép. Các tham số như sự liên kết, gi bê tông, ứng suất ư co ng t và lo i tải trọng c ng c ảnh hưởng đến ứng x của CFT. Trong nh ng năm gần đây tải trọng dọc trục, CFT dầm-cột và liên kết đã được nghiên cứu trên toàn thế gi i và ở mức độ nào đ nhiều vấn đề nói trên đã được điều hòa cho các lo i vật liệu. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu vẫn đang 5 nghiên cứu các chủ đề như lực dính kết bê tông, oằn cục bộ, t lệ ảnh hưởng, khả năng chịu nhiệt c chế truyền tải, kinh tế t i các liên kết dầm cột CFT, phân lo i ứng x trong CFT và liên của nó ở các cấp độ tải trọng đ thuận lợi cho việc phát tri n các quy định thiết kế chống động đất hiệu quả. Việc s dụng các ống thép nhồi bê tông trong xây dựng công trình đã được thấy sự hồi sinh trong nh ng năm gần đây chủ yếu là do trình tự xây dựng đ n giản của nó, ngoài việc kết cấu vượt trội của n Thông thường, ống thép nhồi ê tông được s dụng trong cấu trúc khung liên hợp. Các ống thép rỗng được chế t o ho c cuộn được dựng lên trư c đ đỡ tải trọng xây dựng các tầng trên. Cấu trúc tầng bao gồm các dầm th p đỡ tấm sàn th p trên đ một tấm bê tông cốt th p được đổ. Các ống rỗng đ n được thiết kế theo cách mà chúng có khả năng đỡ tải trọng sàn lên t i ba ho c bốn chiều cao tầng. Một khi các tầng trên đã hoàn thành ê tông được m vào ống từ ph a ư i t o điều kiện d àng m ống đã liên tục ở mức sàn. sở m hiện đ i và bê tông hiệu suất cao làm cho m a ho c bốn tầng d dàng đ t được. Do sự đ n giản của các trình tự xây dựng, dự án có th được hoàn thành nhanh chóng.Phần này tóm tắt các ứng x của cột CFT, dầm và dầm-cột c ng như cung cấp một bản tóm tắt ngắn gọn về các ứng x của dầm CFT liên kết v i cột theo một lo t các điều kiện tải. 1.1: Cấu tạo kết cấu ống thép nhồi bê tông. 1.1.2. Phân loại cột ống thép nh i bê tông Cột ống thép nhồi bê tông về m t cấu t o rất đa ng, trong nghiên cứu và ứng dụng đã phát tri n một số d ng/cấu t o của họ cột này mà trong luận văn này c th tổng hợp ư i đây: ình mô tả 3 m t cắt đi n hình của FT trong đ ê tông được điền đầy vào phần rỗng bên trong ống thép có tiết diện hình vành khăn/circular hollow s ction ( ) ho c một cột có tiết diện rỗng hình vuông/square hollow section (SHS), ho c cột có 6 tiết diện rỗng hình ch nhật/r ctangular hollow s ction (R ) trong đ và B đường kính ngoài và bề rộng của tiết diện tư ng ứng (xem ình-a minh họa), và t là bề dày của tiết diện thành ống. Chú ý rằng đối v i tiết diện CHS sự h n chế tăng cường đối v i lõi bê tông là l n nhất, và bất ổn định cục bộ hầu như xuất hiện đối v i tiết diện hình vuông và ch nhật. Tuy nhiên cột CFT v i các lo i tiết diện SHS và RHS vẫn tiếp tục được s dụng nhiều trong xây dựng, v i nguyên nhân là d dàng thiết kế và chế t o các mối nối gi a dầm và cột độ cứng chống uốn của tiết diện ngang cao, và các lo i tiết diện này cho công trình có thẫm m cao nhất [9]. Nh ng d ng tiết diện ngang khác c ng được s dụng cho mục đ nh nghệ thuật ví dụ như ng đa giác ng hình vuông/ch nhật có bo góc, d ng e-l p v v như trình ày trong ình-b. 1.2: Mặt cắt điển hình cột ống thép nhồi bê tông. hư đã iết cường độ chịu nén của bê tông l n h n rất nhiều so v i cường độ chịu kéo của n n n a cường độ chịu n n được tăng cường ư i ràng buộc 2 trục ho c 3 trục ối v i kết cấu th p cường độ chịu k o cao trong khi đ hình ng bị bất ổn định cục bộ ư i tải trọng nén. Trong lo i kết cấu CFT, cốt th p và ê tông được s dụng sao cho nó có th phát huy hết bản chất tự nhiên và các đ c đi m nỗi trội của nó. Ví dụ, sự h n chế của lõi bê tông trong ống thép nó sẽ phát huy cường độ chịu nén của bê tông lên gấp nhiều lần đồng thời bất ổn định cục bộ của ống th p c ng sẽ được cải thiện đáng kế nhờ sự chống đỡ của lõi bê tông. V i sự phát tri n của họ cột CFT, một phần là nh ng cột thông thường như vừa trình bày ở trên (xem ình) sau đ là hàng lo t các d ng tiết diện khác thuộc họ CFT c ng đã được nghiên cứu ứng dụng và được gọi tên khác nhau, ìnhlà một d ng khác của cột CFT v i hai l p ống th p trong và ngoài và ch ng được gọi là cột ống thép nhồi bê tông v i hai l p ống thép/concrete- ill uo l skin tu s ( F T) ối v i lo i cột này nó bao gồm ống thép trong và ống th p ngoài và ê tông được nhồi vào gi a hai ống th p như đã mô tả trong ình. V i lo i m t cắt được cấu t o bởi ống thép-bê tông-ống thép sẽ c độ cứng chống uốn l n và tránh được sự bất ổn định đối v i cấu kiện khi chịu tác động của áp lực bên ngoài. Nh ng kết quả nghiên cứu cho