Tài liệu Mô phỏng ứng xử liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ VĂN NHƯỢNG MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KĨ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ VĂN NHƯỢNG MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC Chuyên ngành: Kĩ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số: 8580201 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. ĐÀO NGỌC THẾ LỰC Đà Nẵng – Năm 2019 LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại lớp cao học K34.XDD, Khoa xây dựng dân dụng và công nghiệp, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng, dưới sự giảng dạy của các thầy giáo trong khoa, sự giúp đỡ tận tình của Ban chủ nhiệm Khoa và các thầy cô trong Khoa, sự cố vấn và hướng dẫn nhiệt tình của Thầy giáo hướng dẫn khoa học, cộng với sự nỗ lực của bản thân, tôi đã hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với đề tài: “Mô phỏng ứng xử liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước”. Tôi xin chân thành cảm ơn các cấp lãnh đạo Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng, Khoa xây dựng dân dụng và công nghiệp và các thầy cô giáo cùng tập thể cán bộ công nhân viên trong trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu tại trường. Tôi đặc biệt cảm ơn thầy giáo TS. Đào Ngọc Thế Lực – Người đã có công lớn trong việc hướng dẫn khoa học, tận tình chỉ bảo tôi giúp tôi hoàn thành tốt luận văn này. Tác giả luận văn HỒ VĂN NHƯỢNG LỜI CAM ĐOAN 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 khác. Tác giả luận văn HỒ VĂN NHƯỢNG MÔ PHỎNG ỨNG XỬ LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC Học viên: HỒ VĂN NHƯỢNG Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD& CN Mã số: 8580201 Khóa: K34 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Trong các công trình nhà cao tầng, kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) ngày càng được sử dụng rộng rãi bởi những ưu điểm vượt trội so với cột bê tông cốt thép (BTCT) truyền thống. Do đó, sự kết hợp giữa cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước hay sàn phẳng BTCT sẽ tạo ra các hệ kết cấu có tính ứng dụng cao cho nhà cao tầng. Trong trường hợp nhà có nhịp khung lớn mà kết cấu sàn phẳng không đáp ứng được độ cứng ngang cho công trình thì giải pháp sàn có dầm bẹt được xem là hiệu quả (tăng độ cứng ngang và hạn chế tăng chiều cao tầng so với dầm cao). Tuy nhiên, việc liên kết giữa cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước khá phức tạp, các nghiên cứu về liên kết mới chỉ dừng lại ở việc đề xuất liên kết và tiến hành thí nghiệm đánh giá độ tin cậy của liên kết. Luận văn này trình bày quá trình mô phỏng liên kết giữa cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước sử dụng phần mềm ABAQUS. Kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả thí nghiệm với mục đích kiểm chứng sự chính xác của việc mô phỏng liên kết sử dụng ABAQUS. Từ khóa – Cột ống thép nhồi bê tông; CFST; dầm bẹt BTCT; dầm bê tông ứng lực trước; liên kết; mô phỏng ABAQUS. MODELING CONCRETE FILLED STEEL TUBE COLUMN WITH REINFORCED CONCRETE BAND BEAM CONNECTIONS USING ABAQUS SOFTWARE Abstract - In the high rise buildings, concrete filled steel tube (CFST) column structure are more widely used due to the advantages compared to the traditional reinforced concrete column. Therefore, the combination of CFST column with prestressed concrete beam or reinforced concrete plate slab will create highly effective structural systems for high rise buildings. In cases where the buildings have a large frame span but the plate slab structure does not provide enough horizontal stiffness for the building, the band beam solution is considered effective (increasing the horizontal stiffness and reducing the height of the floor compared to the beam high). However, the connection between the CFST column and the prestressed concrete beams is quite complex, most of current studies only foccus on proposing connection and carrying out the test. This thesis presents the simulation of CFST column and prestressed concrete beam connecction using ABAQUS software. The simulation results are then compared with the results of the experiment with the aim of verifying the accuracy of the simulation using ABAQUS. Keywords – Concrete filled steel tube column; CFST; prestressed concrete beam; connection; simulation; ABAQUS MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của đề tài: ........................................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ............................................................................... 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ......................................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 2 5. Kết quả dự kiến....................................................................................................... 2 6. Bố cục đề tài ........................................................................................................... 2 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG, DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC, LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI HỆ DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC. ................................................................. 3 1.1. TỔNG QUAN VỀ CỘT CFST............................................................................ 3 1.1.1. Cấu tạo cột CFST ..................................................................................... 3 1.1.2. Đặc điểm chịu lực của cột CFST ............................................................. 4 1.1.3. Ưu điểm, nhược điểm của cột ống thép nhồi bê tông .............................. 7 1.1.4. Các lĩnh vực áp dụng cột CFST ............................................................... 8 1.2. TỔNG QUAN VỀ HỆ KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC ...... 10 1.2.1. Kết cấu bê tông cốt thép ứng lực trước.................................................. 10 1.2.2. Cần thiết sử dụng bê tông ứng lực trước ............................................... 10 1.2.3. Nguyên lý làm việc ................................................................................ 11 1.2.4. Bê tông ứng lực trước căng trước .......................................................... 12 1.2.5. Bê tông ứng lực trước căng sau ............................................................. 13 1.3. LIÊN KẾT CỘT CFST VỚI DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP ............................. 13 1.3.1. Nghiên cứu của Nie (2008) [1] và Bai (2008) [2] ................................ 14 1.3.2. Nghiên cứu của Qing Jun Chen (2015) [3] ............................................ 15 1.3.3. Nghiên cứu của H.Y. Yu (2013)[5] ....................................................... 16 1.4. CÁC NGHIÊN CỨU VỀ MÔ PHỎNG LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI DẦM BT ƯLT .................................................................................................................... 18 1.5. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................................. 18 CHƯƠNG 2 - MÔ PHỎNG LIÊN KẾT GIỮA CỘT THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC BẰNG PHẦN MỀM ABAQUS ............ 19 2.1. MÔ TẢ LIÊN KẾT GIỮA CỘT CFST VỚI DẦM BT ƯLT ........................... 19 2.2. MÔ PHỎNG LIÊN KẾT BẰNG ABAQUS ..................................................... 20 2.2.1. Giới thiệu về phần mềm ABAQUS ....................................................... 20 2.2.2. Xây dựng mô hình hình học cho liên kết ............................................... 21 2.2.3. Mô hình vật liệu trong ABAQUS .......................................................... 21 2.2.4. Tương tác giữa các phần tử.................................................................... 27 2.3. CÁC BƯỚC MÔ HÌNH HÓA TRÊN PHẦN MỀM ABAQUS ....................... 29 2.3.1. Xây dựng cấu kiện: Từ module chọn Part ............................................. 29 2.3.2. Khai báo đặc trưng vật liệu: Từ module chọn Property ....................... 33 2.3.3. Lắp ghép cấu kiện: Từ module chọn Assembly ................................... 39 2.3.4. Các bước phân tích: Từ module chọn Step............................................ 41 2.3.5. Tương tác giữa các cấu kiện: Từ module chọn Interaction ................... 42 2.3.6. Định nghĩa tải trọng và điều kiện biên: Từ module chọn Load ......... 48 2.3.7. Chia lưới cho cấu kiện trong mô hình: Từ module chọn Mesh ............. 51 2.3.8. Công tác phân tích: Từ module chọn Job .............................................. 54 2.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .................................................................................. 54 CHƯƠNG 3 - PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .................. 55 3.1. MÔ TẢ THÍ NGHIỆM ...................................................................................... 55 3.1.1. Chế tạo mẫu thí nghiệm ......................................................................... 55 3.1.2. Tiến hành đổ bê tông mẫu: .................................................................... 56 3.1.3. Thí nghiệm xác định cường độ vật liệu: ................................................ 57 3.1.4. Thiết bị thí nghiệm................................................................................. 59 3.1.5. Thiết lập, bố trí thi nghiệm .................................................................... 60 3.2. SO SÁNH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM .................................. 63 3.2.1. So sánh đường cong tải trọng- chuyển vị tại đầu dầm .......................... 63 3.2.2. So sánh ứng xử của dầm khi làm việc ................................................... 63 3.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................................. 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................................. 67 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CFST : Ống thép nhồi bê tông BTCT : Bê tông cốt thép BT ƯLT : Bê tông ứng lực trước PPPTHH : Phương pháp phần tử hữu hạn PTVPTP : Phương trình vi phân từng phần f'c : Cường độ chịu nén của bê tông fy : Cường độ chịu kéo của cốt thép Ec : Môđun đàn hồi của bê tông Es : Môđun đàn hồi của cốt thép d : chiều cao làm việc của dầm b : Bề rộng dầm a : Chiều cao vùng nén bê tông tw : Chiều dày tấm thép hw : Chiều cao tấm thép S : Mô men tĩnh của một nữa tiết diện chữ nhật tấm thép Ix : Mô men quán tính đối với trục x của tiết diện chữ nhật tấm thép DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Lựa chọn phần tử mô phỏng .........................................................................21 Bảng 2.2 Thông số mô hình phá hoại dẻo ....................................................................23 Bảng 2.3 Tương tác giữa các cấu kiện trong mô hình ..................................................29 Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm bê tông ...........................................................................58 Bảng 3.2 Kết quả thí nghiệm cốt thép ..........................................................................58 Bảng 3.3 So sánh ứng xử mô hình thí nghiệm với mô hình ABAQUS .......................64 DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cột ống thép nhồi bê tông CFST ......................................................................3 Hình 1.2 Cột ống thép nhồi bê tông CFST tiết diện rỗng ..............................................4 Hình 1.3. Các dạng cột CFST ..........................................................................................6 Hình 1.4 Cầu được xây dựng bằng kết cấu CFST ...........................................................9 Hình 1.5 Các toà nhà có sử dụng kết cấu CFST ..............................................................9 Hình 1.6 Bê tông ứng lực trước .....................................................................................12 Hình 1.7 Sơ đồ phương pháp căng trước.......................................................................13 Hình 1.8 Sơ đồ phương pháp căng sau ..........................................................................13 Hình 1.9 Hình dạng liên kết đề xuất bởi Nie and Bai ...................................................14 Hình 1.10 Thí nghiệm xác định khả năng chịu lực dọc của liên kết .............................14 Hình 1.11 Thí nghiệm xác định khả năng chịu động đất đối với cột giữa ....................15 Hình 1.12 Thí nghiệm xác định khả năng chịu động đất đối với cột biên ....................15 Hình 1.13 Hệ thống dầm xuyên qua kết nối ..................................................................16 Hình 1.14 Thí nghiệm mẫu nguyên hình và kiểm tra riêng vùng liên kết ....................16 Hình 1.15 Cấu tạo của liên kết và thí nghiệm kiểm tra .................................................17 Hình 1.16 Hình dạng phá hoại tại liên kết và tại dầm vòng ..........................................17 Hình 1.17 Hình dạng vết nứt khi bị phá hoại tại vùng liên kết và dầm vòng................17 Hình 2.1 Chọn kích thước dầm .....................................................................................19 Hình 2.2 Chi tiết liên kết đề xuất ...................................................................................20 Hình 2.3 Quan hệ ứng suất –biến dạng khi chịu kéo của bê tông .................................22 Hình 2.4 Quan hệ ứng suất –biến dạng khi chịu nén của bê tông .................................23 Hình 2.5 Quan hệ ứng suất nén- biến dạng nén vỡ ......................................................24 Hình 2.6 Quan hệ biến dạng nén vỡ và hệ số phá hủy do nén ......................................24 Hình 2.7 Quan hệ ứng suất kéo - biến dạng nứt ............................................................24 Hình 2.8 Quan hệ biến dạng nứt và hệ số phá hoại do kéo ...........................................25 Hình 2.9 Quan hệ ứng suất –biến dạng khái quát hóa của cốt thép ..............................25 Hình 2.10 Quan hệ ứng suất –biến dạng trong mô hình thép đàn dẻo lý tưởng............26 Hình 2.11 Quan hệ ứng suất–biến dạng trong mô hình thép cải tiến đàn dẻo lý tưởng 26 Hình 2.12 Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng cốt thép thanh ..........................27 Hình 2.13 Create Part cấu kiện dầm bê tông…………………………………………30 Hình 2.14 Add Dimension .............................................................................................30 Hình 2.15 Edit Base Extrusion………………………...………………………………30 Hình 2.16 Edit Base Extrusion ......................................................................................30 Hình 2.17 Edit Cut Extrusion………………………………………………………….30 Hình 2.18 Đục lỗ dầm bê tông.......................................................................................30 Hình 2.19 Cấu kiện lõi bê tông cột ................................................................................31 Hình 2.21 Cấu kiện thép H 200x200 .............................................................................31 Hình 2.22 Cửa sổ thép đai dầm 220……………………………………………………32 Hình 2.23 Cửa sổ thép đai dầm 550 ..............................................................................32 Hình 2.24 Đai dầm 220………………………………………………………………32 Hình 2.25 Đai dầm 550 .................................................................................................32 Hình 2.26 Khai báo ống cáp…………………………………………………………...33 Hình 2.27 Cửa sổ ống cáp .............................................................................................33 Hình 2.28 Kính thước ống cáp ......................................................................................33 Hình 2.29 Thông số mô hình dẻo CDP .........................................................................34 Hình 2.30 Nhập đường cong chịu nén ...........................................................................34 Hình 2.31 Nhập đường cong chịu kéo ...........................................................................34 Hình 2.32 Đường cong tham số phá hủy kéo, nén ........................................................35 Hình 2.33 Thông số hệ ứng suất - biến dạng của cốt thép chịu lực ..............................35 Hình 2.34 Thông số hệ ứng suất - biến dạng của cốt thép đai ......................................36 Hình 2.35 Thông số hệ ứng suất - biến dạng của cốt thép tấm .....................................36 Hình 2.36 Thay đổi độ dài do tăng nhiệt độ ..................................................................36 Hình 2.37 Khai báo cáp ƯLT ........................................................................................37 Hình 2.38 Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt dầm bê tông ......................................38 Hình 2.39 Cửa sổ định nghĩa thuộc tính mặt cắt cốt thép dọc lớp trên .........................38 Hình 2.40 Cửa sổ định nghĩa thuộc tính các cấu kiện ...................................................39 Hình 2.41 Cửa sổ gán thuộc tính cho cấu kiện dầm bê tông .........................................39 Hình 2.42 Cửa sổ Create Instance .................................................................................40 Hình 2.43 Mô hình lắp ghép hoàn chỉnh .......................................................................40 Hình 2.44 Edit Step .......................................................................................................41 Hình 2.45 CreateField…………………………………………………………………41 Hình 2.46 Edit Field Output Request ............................................................................41 Hình 2.47 Create History……………………………………………………………42 Hình 2.48 Edit History Output Request ........................................................................42 Hình 2.49 Khai báo Tangential Behavior……………………………………………43 Hình 2.50 Khai báo Tangential Behavior ….. ...............................................................43 Hình 2.51 Khái báo Cohesive Behavior……………………………………………43 Hình 2.52 Khai báo Damage .........................................................................................43 Hình 2.53 Khai báo Evolution…………………………………………………………44 Hình 2.54 Khai báo Thermal Conductance ...................................................................44 Hình 2.55 Khai báo Damage…………………………………………………………44 Hình 2.56 Khai báo Evolution .......................................................................................44 Hình 2.57 Cửa sổ Tangential Behavior .........................................................................45 Hình 2.58 Cửa sổ Normal Behavior ..............................................................................45 Hình 2.59 Cửa sổ Create Interaction .............................................................................45 Hình 2.60 Cửa sổ Edit Interaction .................................................................................46 Hình 2.61 Ràng buộc nhúng cốt thép ............................................................................47 Hình 2.62 Ràng buộc “Tie” giữa ống thép với các thép H 200x200 chịu cắt ..............47 Hình 2.63 Ràng buộc “Tie” giữa các tấm thép đặt lực và dầm bê tông ........................48 Hình 2.64 Các bước khai báo điều kiện biên ................................................................49 Hình 2.65 Cửa sổ khai báo điều kiện biên đối xứng .....................................................50 Hình 2.66 Cửa sổ khai báo điều kiện ngàm chân cột ....................................................50 Hình 2.67 Cửa sổ khai báo tải nhiệt (ΔT)......................................................................50 Hình 2.68 Cửa sổ khai báo gia tải .................................................................................51 Hình 2.69 Chia khối ......................................................................................................52 Hình 2.70 Mô hình sau khi chia lưới .............................................................................53 Hình 2.71 Cửa sổ Job Manager .....................................................................................54 Hình 3.1 Cấu tạo liên kết và bố trí cốt thép dầm thí nghiệm.........................................55 Hình 3.2 Chi tiết liên kết ...............................................................................................56 Hình 3.3 Đổ bê tông cho mẫu thí nghiệm .....................................................................56 Hình 3.4 Mẫu thí nghiệm sau khi hoàn thành công tác đổ bê tông ...............................57 Hình 3.5 Công tác lấy mẫu bê tông ...............................................................................57 Hình 3.6 Thí nghiệm mẫu bê tông 150x300mm ...........................................................57 Hình 3.7 Thí nghiệm cường độ cốt thép ........................................................................58 Hình 3.8 Cảm biến đo biến dạng (strain gauges) ..........................................................59 Hình 3.9 Cảm biến đo chuyển vị LVDT .......................................................................59 Hình 3.10 Máy bơm dầu dùng cho thí nghiệm ..............................................................60 Hình 3.11 Kích thủy lực ................................................................................................60 Hình 3.12 Hệ thống thu các dữ liệu từ cảm biến ...........................................................60 Hình 3.13 Bố trí thí nghiệm ...........................................................................................61 Hình 3.14 Mẫu thí nghiệm đã phá hoại .........................................................................62 Hình 3.15 Đồ thị tải trọng – chuyển vị ..........................................................................62 Hình 3.16 Đường cong quan hệ tải trọng- chuyển vị đầu dầm .....................................63 Hình 3.17 Vết nứt xuất hiện ở cấp tải 300 kN ...............................................................64 1 MỞ ĐẦU Kết cấu cột ống thép nhồi bê tông (CFST) ngày càng được sử dụng rộng rãi làm kết cấu chịu lực trong các công trình xây dựng như cầu, nhà cao tầng… do có nhiều ưu điểm vượt trội so với kết cấu thép và kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) thông thường như khả năng chịu lực cao, độ dẻo của kết cấu lớn… Ngoài ra, khả năng thi công nhanh, không tốn kém các chi phí và thời gian cho công tác ván khuôn cũng là một ưu điểm vượt trội của loại kết cấu này. Trong các công trình nhà cao tầng, kết cấu sàn phẳng BTCT mang lại nhiều hiệu quả do giảm chiều cao tầng mà vẫn đảm bảo khoảng thông thủy sử dụng. Tuy nhiên, đối với các công trình có kích thước nhịp lớn việc sử dụng kết cấu sàn phẳng bê tông ứng lực trước không còn hiệu quả, đồng thời không đáp ứng được yêu cầu độ cứng ngang cho sàn thì việc sử dụng sàn phẳng BTCT kết hợp dầm bê tông ứng lực trước là hợp lý. Vì nó thỏa mãn được yêu cầu về kiến trúc và kết cấu. Hệ kết cấu chịu lực dùng kết cấu cột ống thép nhồi bê tông kết hợp với dầm bê tông ứng lực trước đang trở thành một xu hướng mới trong nhà cao tầng hiện nay. Tuy nhiên, những nghiên cứu về hệ kết cấu này còn hạn chế, đặc biệt là giải quyết liên kết giữa cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước chưa được hiểu rõ và cần có nhiều nghiên cứu hơn nữa để phân tích loại liên kết này. Việc liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước khá phức tạp, rất ít các nghiên cứu về kiểu liên kết cột CFST- dầm bê tông ứng lực trước. Do đó, cần thực hiện nghiên cứu mô phỏng liên kết để khảo sát cụ thể về ứng xử của liên kết (trạng thái ứng suất và cơ chế phá hoại), mức độ ảnh hưởng của các chi tiết cấu tạo đến sự làm việc của liên kết. Do đó, việc khảo sát liên kết giữa dầm bê tông ứng lực trước với cột ống thép nhồi bê tông là cần thiết nhằm cung cấp một cơ sở lý luận chi tiết về ứng xử của liên kết giúp người thiết kế hiểu rõ bản chất làm việc để cấu tạo chi tiết liên kết hợp lý, và đó là lý do để thực hiện luận văn với đề tài: “Mô phỏng ứng xử liên kết cột ống thép nhồi bê tông với dầm bê tông ứng lực trước”. - Nghiên cứu tổng quan về cột CFST, dầm bê tông ứng lực trước, liên kết giữa cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước. 2 - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình theo phương pháp phần tử hữu hạn (phần mềm mô phỏng kết cấu ABAQUS). - Thực hiện mô hình mô phỏng (lấy các liên kết đã được thí nghiệm) để khảo sát sự làm việc của liên kết, cụ thể là khảo sát cơ chế phá hoại, trạng thái ứng suất - biến dạng, ảnh hưởng các yếu tố cấu tạo đến cường độ của liên kết. Từ đó rút ra các nhận xét giữa mô hình thí nghiệm và mô hình mô phỏng. - Đối tượng nghiên cứu: Cột giữa CFST và dầm bê tông ứng lực trước. - Phạm vi nghiên cứu: Mối liên kết cột giữa CFST và dầm bê tông ứng lực trước. - Nghiên cứu tổng quan; - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết mô hình mô phỏng số (Phần mềm ABAQUS); - Mô hình liên kết, khảo sát liên kết. - Mô phỏng liên kết đã có kết quả thí nghiệm bằng ABAQUS. - Mô tả được trạng thái ứng xử của liên kết (tải trọng và chuyển vị). - Xây dựng quy trình mô phỏng liên kết giữa cột CFST với dầm dầm bê tông ứng lực trước bằng phần mềm ABAQUS. Mở đầu: 1. Tính cấp thiết của đề tài 2. Mục tiêu đề tài 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4. Phương pháp nghiên cứu Chương 1: Tổng quan về kết cấu cột CFST, kết cấu dầm bê tông ứng lực trước và mối liên kết giữa cột CFST với dầm bê tông ứng lực trước. Chương 2: Mô phỏng liên kết bằng phần mềm ABAQUS. Chương 3: Khảo sát liên kết, đánh giá kết quả mô phỏng. Kết luận và kiến nghị 3 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG, DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC, LIÊN KẾT CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI HỆ DẦM BÊ TÔNG ỨNG LỰC TRƯỚC. 1.1.1. Cấu tạo cột CFST Hệ thống kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông (Concrete -Filled Steel Tube - viết tắt tiếng Anh là CFST) là một hệ thống mà cấu kiện chịu lực chính là ống thép (steel tube) được nhồi đặc bằng bê tông (concrete) cường độ cao hoặc trung bình. Thông thường dùng ống tròn, nhưng các ống vuông cũng có thể được áp dụng. Hệ thống kết cấu CFST có nhiều ưu điểm về: độ cứng, cường độ, khả năng chống biến dạng, và khả năng chống cháy. Nói chung, loại kết cấu này có thể nghiên cứu áp dụng cho rất nhiều loại công trình xây dựng nhà, xưởng và cầu. Hình 1.1 Cột ống thép nhồi bê tông CFST Kết cấu CFST có nhiều ưu thế: - Độ bền của lõi bê tông (có lớp vỏ thép với chức năng như lớp áo bọc chặt bên ngoài) đã được tăng khoảng 2 lần so với độ bền của bê tông thông thường. - Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng đúng ra là có sự co ngót nhưng cũng đã có sự trương nở của bê tông trong ống và sự trương nở đó được duy trì trong nhiều năm tạo thuận lợi cho sự làm việc của bê tông. Nhiều thí nghiệm đã chứng tỏ trị số biến dạng co ngót theo chiều dọc của mẫu bị cách ly là rất nhỏ, vào khoảng e = (2 - 3).10-5. Đó là ưu điểm của kết cấu ống thép được nhồi bê tông so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường. Ngoài kết cấu ống thép mặt cắt đặc như trên còn có loại ống thép tròn nhồi bê tông mặt cắt rỗng với 2 lớp vỏ thép bọc mặt ngoài và mặt trong, kẹp giữa là lớp lõi bê tông. 4 Hình 1.2 Cột ống thép nhồi bê tông CFST tiết diện rỗng Cách sắp xếp đan xen các lớp vật liệu thép và bê tông như vậy sẽ tạo ra cơ cấu chịu lực chung giữa lõi bê tông và vỏ thép nhờ hiệu ứng nở hông của bê tông khi chịu nén. Sự cách ly của bê tông với môi trường xung quanh tạo ra những điều kiện tốt hơn cho sự làm việc của bê tông khi chịu tải trọng. Nhiều thí nghiệm so sánh 2 loại kết cấu đã cho thấy rằng tải trọng càng tác dụng dài hạn thì càng gây ra sự phá hoại trong bê tông không bị cách ly lớn hơn nhiều so với bê tông bị cách ly. Trong bê tông không được cách ly thì các vết nứt nhỏ ngày càng nhiều, còn trong bê tông được cách ly khi chịu ứng suất ở mức độ nhỏ tương tự như trong bê tông không được cách ly thì chỉ sau 2 đến 3 ngày đầu sẽ hoàn toàn không bị nứt thêm nữa. Trong các mẫu bê tông không được cách ly thì tính phi tuyến của biến dạng từ biến có thể quan sát được trong vòng 20 đến 30 ngày, trong bê tông được cách ly thì tính phi tuyến này sẽ mất đi trong vòng 2 đến 7 ngày đầu (với điều kiện chúng chịu ứng suất như nhau). Việc nhồi bê tông vào ống thép đã nâng cao độ bền chống ăn mòn mặt trong của ống thép, làm giảm độ mảnh của cấu kiện, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống và làm tăng khả năng chống móp, méo (biến dạng) của vỏ ống thép khi bị va đập [7] . 1.1.2. Đặc điểm chịu lực của cột CFST Khác với ống thép thường, ống thép nhồi bê tông chỉ làm việc hiệu quả khi chịu nén. Khi chịu kéo khả năng chịu lực của nó nhỏ hơn nhiều. Về mặt này ống thép nhồi bê tông tương tự kết cấu bê tông cốt thép. Do đó trong một hệ thống kết cấu chịu lực nên dùng ống thép nhồi bê tông chỉ cho các cấu kiện chịu nén. Về nguyên tắc không nên dùng kết cấu ống thép nhồi bê tông làm cấu kiện chịu kéo. Tuy nhiên trong một số trường hợp cũng có thể dùng ống thép nhồi bê tông làm cấu kiện chịu kéo vì các lý do đặc biệt như: để chống rỉ cho bề mặt trong ống, để tăng độ cứng chống uốn hay tăng trọng lượng bản thân. Trong thực tế thường có 2 cách lập sơ đồ chịu lực: - Thứ nhất: sử dụng ống thép nhồi bê tông trong các sơ đồ kết cấu truyền thống của công trình mà có những cấu kiện chịu nén là chủ yếu, đó là các cột, trụ, thanh biên cột điện, các thanh chịu nén của giàn và vòm. - Thứ hai: lập các sơ đồ kết cấu mới mà trong đó các tải trọng tính toán chủ yếu do ống thép nhồi bê tông chịu. 5 Diện tích bề mặt ngoài của kết cấu ống thép nhồi bê tông chỉ nhỏ bằng khoảng một nửa so với của kết cấu thép cán có cùng khả năng chịu lực, do đó chi phí về sơn phủ và bảo dưỡng cũng ít hơn. Trên bề mặt của ống hình trụ sẽ đọng lại rất ít bụi và chất bẩn vì vậy kết cấu ống thép nhồi bê tông có độ bền chống gỉ cao. Do kết cấu là các thanh hình trụ tròn nên cải thiện được tính chất khí động học và tính ổn định. Độ cứng chống xoắn của các thanh loại ống tròn này cao hơn nhiều so với thanh mặt cắt hở. Các ống thép nhồi bê tông không cần sơn phủ, mạ kim loại hoặc bịt kín mặt trong của ống. Giá thành tổng thể của công trình làm bằng kết cấu ống thép nhồi bê tông nói chung nhỏ hơn nhiều so với giá thành của công trình tương tự làm bằng kết cấu bê tông cốt thép hoặc kết cấu thép thông thường. Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn so với kết cấu bê tông cốt thép do đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn. Kết cấu ống thép nhồi bê tông kinh tế hơn so với kết cấu bê tông cốt thép vì không cần ván khuôn, giá vòm, đai kẹp và các chi tiết đặt sẵn, nó có sức chịu đựng tốt hơn, ít hư hỏng do va đập. Do không có cốt chịu lực và cốt ngang nên có thể đổ bê tông với cấp phối hỗn hợp cứng hơn (tỷ lệ nước/xi măng có thể lấy nhỏ hơn) và sẽ dễ dàng đạt chất lượng bê tông cao hơn. Ống thép sản xuất bằng thép cán uốn tròn rồi được hàn nối theo dọc ống thường có độ chính xác cao về bề dày, đường kính, độ ovan và do đó thoả mãn các điều kiện lắp dựng và khai thác. Loại ống thép hàn xoắn có thể được chế tạo bằng cách uốn các tấm thép hẹp theo đường xoắn ốc rồi hàn lại dọc theo đường nối xoắn ốc là kinh tế nhất (loại ống này đã đựơc dùng làm cọc ống cho cầu Bính ở Hải Phòng). Nói chung đặc điểm cơ bản của loại kết cấu ống thép nhồi bê tông có thể được tổng kết như sau: + Mặt cắt ngang của cột trong hệ thống kết cấu ống thép nhồi bê tông có thể được giảm do tăng cường độ vật liệu. + Các nguyên nhân dao động kết cấu do động đất và gió có thể được giảm do nó được tăng cường độ cứng hơn kết cấu thép thông thường. + Ảnh hưởng của sự cố cháy có thể được giảm hoặc bỏ qua do hiệu ứng của bê tông nhồi đặc trong ống thép. Các kết cấu ống thép liên hợp trong xây dựng dân dụng thường là kết cấu cột liên hợp, đó là một kết cấu chỉ chịu nén dọc trục. Nhưng trong thực tế, các cột không chỉ chịu nén mà còn chịu uốn do lực nén đặt lệch tâm. Tiêu chuẩn chung của cột liên hợp là phần tử thép có tác động liên hợp với phần tử bê tông, vì vậy cả hai phần tử thép và bê tông đều tham gia kháng lại lực nén. Cột liên hợp gồm các thành phần kết cấu thép ở bên trong được bọc bằng bê tông ở bên ngoài đã tận dụng hiệu quả về mặt cường độ của 2 loại vật liệu và đồng thời còn tạo thành các kết cấu kiện có tính kháng cháy cao. Chính vì vậy, các kiểu cột liên hợp đã phát triển sớm trong thế kỷ 20 như một cách thức bảo vệ chống cháy. Bê tông bọc bên ngoài thép, tạo ra lớp vỏ bảo vệ chống cháy bên ngoài 6 cho lõi thép. Một vài kiểu cột liên hợp với các dạng mặt cắt ngang khác nhau như ở Hình 1.3 a) Cột CFST thông thường b) Cột CFST được tăng cường thép ở lõi bê tông c) Cột CFST được bọc bê tông Hình 1.3 Các dạng cột CFST Nhược điểm của các kêt cấu bê tông thông thường là cần thiết phải có bộ ván khuôn hoàn chỉnh trong quá trình thi công. Kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFST) có lớp vỏ ống thép bọc bê tông do đó không cần thiết phải có ván khuôn vì chính bản thân ống thép đã làm nhiệm vụ ván khuôn trong suốt quá trình đổ bê tông. Cột CFST có khả năng áp dụng được với nhiều trạng thái kết cấu. Tuỳ theo cách bố trí thép và bê tông trong mặt cắt ngang sẽ tạo ra được độ cứng cần thiết của mặt cắt. Vỏ thép có tác dụng chịu kéo và chịu mô men uốn của cột.