Phân tích ứng xử cột thép nhồi bê tông

1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

--------∞0∞--------

PHẠM ĐỨC DUY

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ

CỘT THÉP NHỒI BÊ TÔNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2020

2

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

--------∞0∞--------

PHẠM ĐỨC DUY

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ

CỘT THÉP NHỒI BÊ TÔNG

Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp

Mã số chuyên ngành: 60 58 02 08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS. NGUYỄN PHÚ CƯỜNG

TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2020

-i￾LỜI CẢM ƠN

Học viên chân thành cám ơn sự hỗ trợ tài chính được tài trợ bởi quỹ nghiên cứu

khoa học của Bộ Giáo Dục và Đào Tạo (MOET) Việt Nam, (mã số B2019-MBS-01).

Cũng nhờ kinh phí này mà luận văn được tiến hành thuận lợi. Thêm nữa, học viên

chân thành gửi lời cảm ơn đến TS. Nguyễn Phú Cường, người thầy đã tận tình hướng

dẫn, truyền đạt nhiều kiến thức về chuyên môn và thực tế trong quá trình học viên

thực hiện luận văn tốt nghiệp.

Học viên gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy, cô đã giảng dạy lớp cao học Xây

Dựng Dân Dụng và Công Nghiệp khóa 2017-2020. Các thầy, cô đã truyền đạt những

kiến thức quý giá, là nền tảng vững chắc để học viên có thể hoàn thành luận văn tốt

nghiệp.

Tiếp theo, học viên gửi lời cảm ơn đến các tác giả trước đây đã nghiên cứu,

công bố và cung cấp tài liệu có liên quan đến luận văn để học viên tham khảo và hoàn

thành luận văn.

Cuối cùng xin gửi lời biết ơn sâu sác đến cha mẹ và anh chị đã luôn quan tâm

chăm sóc và động viên. Chân thành cám ớn ơn các bạn học viên cao học Xây Dựng

đã kích lệ tinh thần để hoàn thành tốt khóa học.

Xin chân thành cảm ơn !

TP. Hồ Chí Minh, ngày ……, tháng ……, năm …….

Học viên

PHẠM ĐỨC DUY

-ii￾TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn tập trung nghiên cứu về mô hình vật liệu và quan hệ ứng xử trong cột

thép nhồi bê tông. Một mô hình mới về vật liệu bê tông ( - ) được đề xuất trong

luận văn có xét đến các hiện tượng như phi tuyến về mặt vật liệu, ứng suất dư đặc

biệt là trong vỏ thép cột vuông. Ứng suất ép ngang (fB) của vỏ thép tác lên lõi bê tông

sẽ được tính toán cụ thể và đề xuất công thức để xác định dựa trên phương pháp hồi

quy đa biến với các tham số như: tỷ số D/t-(Beq/t), cường độ bê tông (fc’), cường độ

thép (fy). Kết quả hồi quy sẽ được đánh giá trên 80 mẫu có đường cong lực biến dạng.

Sau đó, dự trên cơ sở dữ liệu hơn 900 mẫu thí nghiệm từ các công bố quốc tế và từ

phòng thí nghiệm là nên tảng đánh giá và kiểm chứng mô hình thông qua tỷ số

Ntest/Nu. Mô hình mới đề sẽ được so sánh với các mô hình nghiên cứu trước đây đã

và đang phát triển. Các giá trị trị về lực nén tới hạn (Nu) của các mô hình sẽ làm tiền

đề để so với giá trị dự đoán của các tiêu chuẩn hiện hành, các công thức đề xuất trước

đây. Một công thức đề xuất tính các giá trị lực nén tới hạn một cách chính xác dựa

trên sự đóng góp của lõi bê tông và ống thép.

-iii￾ABSTRACT

Thesis focuses was research material models and behavioral in concrete-filled

steel tube columns. A new model of concrete materials ( - ) is proposed in the thesis

considering effect such as geometrical nonlinearity, material nonlinearity, residual

stress in steel. The confining stress (fB) of the steel tube acting on the concrete core

was calculated specifically and propose the formula to determine based on the multive

regression method of parameters such as: ratio D / t- (Beq / t), concrete strength (fc),

steel strength (fy). Regression results will evaluated on 80 test with load-displacement

curve Database of more than 900 experimental samples from international

publications and from laboratories is the foundation for evaluating and verifying the

new model. The results from new model was compared with previous research

models, thereby showing the accuracy of the proposed model. The ultimate load (Nu)

of the models was compared with the predicted codes current standards and the

previously proposed formulas. A proposed formula to calculate load carrying

capacity correctly based on the contributions of the concrete core and steel tubes.

-iv￾MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i

LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................i

TÓM TẮT luận văn ................................................................................................... ii

ABSTRACT.............................................................................................................. iii

MỤC LỤC ................................................................................................................iv

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ..................................................................... vii

DANH MỤC BẢNG...................................................................................................x

Chương 1: TỔNG QUAN....................................................................................- 1 -

1.1 GIỚI THIỆU ..........................................................................................- 1 -

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU .................................................................- 3 -

Tình hình nghiên cứu trên thế giới. ...................................................- 3 -

Tình nghiên cứu trong nước ..............................................................- 9 -

1.3 MỤC TIÊU VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU..........................................- 10 -

Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................- 10 -

Hướng nghiên cứu ...........................................................................- 11 -

1.4 CẤU TRÚC LUẬN VĂN....................................................................- 11 -

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................- 11 -

2.1 LÝ THUYẾT ĐÀN HỒI......................................................................- 11 -

2.2 TENSOR ỨNG SUẤT.........................................................................- 11 -

2.3 TENSOR BIẾN DẠNG .......................................................................- 14 -

Chương 3: MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN..................................................- 16 -

3.1 TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM THƯƠNG MẠI ABAQUS.............- 16 -

3.2 MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN ......................................................- 16 -

Mô hình phần tử...............................................................................- 16 -

a) Phần tử khối – C3D8R.....................................................................- 16 -

-v￾b) Phần từ tấm – S4R, CAX4...............................................................- 18 -

c) So sánh các phần tử. ........................................................................- 20 -

Chia lưới phần tử .............................................................................- 22 -

Sự tương tác giữa vỏ thép và lõi bê tông .........................................- 23 -

Các điều kiện ban đầu......................................................................- 23 -

a) Điều kiện biên..................................................................................- 23 -

b) Điều kiện tải trọng ...........................................................................- 25 -

3.3 THUẬT TOÁN GIẢI PHI TUYẾN.....................................................- 26 -

Bước, bước tăng tải và bước lặp (Steep, Increments, Iterations) ....- 26 -

Sự hội tụ...........................................................................................- 26 -

Chương 4: MÔ HÌNH VẬT LIỆU.....................................................................- 30 -

4.1 CƠ CHẾ CHỊU LỰC CỦA CỘT CFST..............................................- 30 -

4.2 MÔ HÌNH VẬT LIỆU THÉP..............................................................- 32 -

Mô hình ứng suất – biến dạng vật liệu thép.....................................- 32 -

Ứng suất dư......................................................................................- 35 -

4.3 MÔ HÌNH VẬT LIỆU BÊ TÔNG.......................................................- 36 -

Giới Thiệu Mô Hình Bê Tông Phá Hoại Dẻo..................................- 36 -

a) Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông. .....................................- 36 -

b) Xác định bề mặt chảy dẻo................................................................- 37 -

c) Xác định năng lượng phá hoại.........................................................- 39 -

Xác định mô hình vật liệu bê tông...................................................- 39 -

a) Xác định Ec và  ..............................................................................- 40 -

b) Xác định tỷ số (bo / fc’)...................................................................- 40 -

c) Xác định Kc ......................................................................................- 40 -

-vi￾d) Xác định ψ .......................................................................................- 42 -

e) Xác định mô hình ứng suất () - biến dạng () cho bêtông chịu nén - 44

-

f) Xác định mô hình cho bêtông chịu kéo ...........................................- 51 -

Ứng suất – biến dạng thật (True).....................................................- 51 -

Chương 5: KIỂM CHỨNG MÔ HÌNH .............................................................- 52 -

5.1 DỮ LIỆU KIỂM CHỨNG...................................................................- 52 -

5.2 KẾT QUẢ KIỂM CHỨNG..................................................................- 54 -

Đánh giá khả lực nén tới hạn của cột...............................................- 55 -

Đánh giá đường cong L-B ...............................................................- 59 -

Chương 6: ĐỀ XUẤT CÔNG THỨC THIẾT KẾ.............................................- 62 -

6.1 CÁC TIÊU CHUẨN HIỆN HÀNH.....................................................- 62 -

6.2 CÁC CÔNG THỨC ĐỀ XUẤT THIẾT KẾ THIẾT KẾ.....................- 65 -

6.3 ĐỀ XUẤT CÔNG THỨC THIẾT KẾ.................................................- 68 -

Cột thép nhồi bê tông tiết diện tròn. ................................................- 69 -

Cột thép nhồi bê tông tiết diện vuông..............................................- 75 -

6.4 ĐÁNH GIÁ CÔNG THỨC ĐỀ XUẤT ...............................................- 80 -

Chương 7: KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ............................................................- 84 -

7.1 KẾT LUẬN..........................................................................................- 84 -

7.2 KIẾN NGHỊ. ........................................................................................- 84 -

TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................................- 85 -

-vii￾DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

CHƯƠNG 1

Hình 1.1 Mặt cắt tiết diện các loại cột CFST.........................................................- 1 -

CHƯƠNG 2

Hình 2.1 Vật thể thể tích V, bao bọc bề mặt S, chịu lực mặt fi và lực khối bi.....- 12 -

Hình 2.2 Các vector ứng suất thể hiện trên một phân tố......................................- 13 -

Hình 2.3 Phân tố tứ diện PABC xác định mối liên hệ vector – tensor ứng suất..- 14 -

Hình 2.4 Trạng thái trước và trong khi bị biến dạng của vật thể .........................- 15 -

CHƯƠNG 3

Hình 3.1 Hệ tọa độ tổng thể và hệ tọa độ tự nhiên của phần tử C3D8 ................- 17 -

Hình 3.2 Hệ tọa độ tổng thể và hệ tọa độ tự nhiên của phần tử S4R...................- 19 -

Hình 3.3 So sánh các mô hình phần tử cho cột tiết diện tròn ..............................- 21 -

Hình 3.4 Mô hình phần tử cho cột thép nhồi bê tông ..........................................- 22 -

Hình 3.5 Các mặt đối xứng và vị trí gia tải..........................................................- 24 -

Hình 3.6 Ảnh hưởng của điều kiện biên đến kết quả...........................................- 25 -

Hình 3.7 Ngoại lực và nội lực trên vật thể ...........................................................- 27 -

Hình 3.8 Bước lặp đầu tiên – ABAQUS..............................................................- 27 -

Hình 3.9 Bước lập thứ hai – ABAQUS ...............................................................- 28 -

CHƯƠNG 4

Hình 4.1 Cơ chế truyền lực giữa vỏ thép và bê tông trong cột CFST .................- 30 -

Hình 4.2 Ảnh hưởng của hệ số nở hông của hai vật liệu .....................................- 31 -

Hình 4.3 Ảnh hưởng giữa các mô hình vật liệu thép ...........................................- 33 -

Hình 4.4 Mô hình ứng suất – biến dạng của kết cấu thép....................................- 34 -

Hình 4. 7 Phân bố ứng suất dư cho các tiết diện..................................................- 36 -

Hình 4.8 Mô hình phá hoại dẻo của bê tông - CDP.............................................- 37 -

Hình 4.9 Các bề mặt chảy dẻo trên mặt phẳng lệch tâm......................................- 39 -

Hình 4.10 Tiêu chuẩn phá hoại dựa trên năng lượng tiêu tán..............................- 39 -

Hình 4.11 Ảnh hưởng của Kc ..............................................................................- 41 -

-viii￾Hình 4.12 Ảnh hưởng của Ψ................................................................................- 43 -

Hình 4.13 Mô hình ứng suất – biến dạng cho bê tông chịu ép ngang .................- 45 -

Hình 4.14 Quá trình phát triển của ứng suất fL ...................................................- 46 -

Hình 4.15 Vùng ảnh hưởng hiệu quả của ứng suất ép ngang ..............................- 47 -

Hình 4.16 Biểu đồ phân phối fB qua các tham số ................................................- 49 -

Hình 4.17 Khảo sát hệ số tương quan của fB với các tham số hình học ..............- 50 -

CHƯƠNG 5

Hình 5.1 Biểu đồ phân phối theo cường độ nén bê tông......................................- 52 -

Hình 5.2 Biểu đồ phân phối theo cường độ chảy dẻo của thép ...........................- 52 -

Hình 5.3 Biểu đồ phân phối theo tỉ số D/t - Beq/t.................................................- 53 -

Hình 5.4 Biểu đồ phân phối theo chiều dày vỏ thép............................................- 54 -

Hình 5.5 Ảnh hưởng của cường độ vật liệu lên tiết diện cột tròn........................- 56 -

Hình 5.6 Ảnh hưởng của cường độ vật liệu lên tiết diện cột vuông ....................- 58 -

Hình 5.7 So sánh đường cong lực – biến dạng của các mô hình FE với thực nghiệm

ξ ............................................................................................................................- 60 -

CHƯƠNG 6

Hình 6.1 Biểu đồ phân phối giữa các tham số - cột tròn......................................- 71 -

Hình 6.2 Biểu đồ đánh giá hệ số tương quan tham số - cột tròn..........................- 71 -

Hình 6.3 Ảnh hưởng của tỷ số ξc trên hệ số c - Tiết diện tròn ...........................- 72 -

Hình 6.4 Ảnh hưởng của fB trên hệ số s - Tiết diện tròn....................................- 73 -

Hình 6.5 Hệ số c của cột tiết diện tròn ...............................................................- 74 -

Hình 6.6 Hệ số s của cột tiết diện tròn ...............................................................- 74 -

Hình 6.7 Biểu đồ phân phối giữa các tham số - cột vuông ..................................- 76 -

Hình 6.8 Biểu đồ đánh giá hệ số tương quan tham số - cột vuông ......................- 76 -

Hình 6.9 Ảnh hưởng của tỷ số ξc trên hệ số c - Tiết diện vuông .......................- 77 -

Hình 6.10 Ảnh hưởng của tỷ số Beq / t trên hệ số s - Tiết diện vuông ...............- 78 -

Hình 6.11 Hệ số c của cột tiết diện vuông..........................................................- 79 -

Hình 6.12 Hệ số s của cột tiết diện vuông..........................................................- 79 -

Hình 6.13 Đánh giá công thức đề xuất thiết kế - cột tròn ....................................- 82 -

-ix￾Hình 6.14 Đánh giá công thức đề xuất thiết kế - cột vuông ................................- 83 -

-x￾DANH MỤC BẢNG

CHƯƠNG 3

Bảng 3.1 So sánh các mô hình phần tử ................................................................- 20 -

CHƯƠNG 5

Bảng 5.1 Quy đổi cường độ nén bê tông..............................................................- 53 -

Bảng 5.2 Đánh giá tỷ số Ntest/Nu khi sử dụng các vật liệu khác nhau của cột tròn - 56

-

Bảng 5.3 Đánh giá tỷ số Ntest/Nu khi sử dụng các vật liệu khác nhau của cột vuông . -

58 -

CHƯƠNG 6

Bảng 6.1 Tiêu chuẩn thiết kế và các giới hạn cho cột CFST tiết diện tròn .........- 62 -

Bảng 6.2 Tiêu chuẩn thiết kế và các giới hạn cho cột CFST tiết diện vuông......- 64 -

Bảng 6.3 Công thức thiết kế đề xuất trước đây và giới hạn cho cột CFST tiết diện

tròn .......................................................................................................................- 65 -

Bảng 6.4 Công thức thiết kế đề xuất trước đây và giới hạn cho cột CFST tiết diện

vuông....................................................................................................................- 67 -

- 1 -

Chương 1: TỔNG QUAN

1.1 GIỚI THIỆU

Cột thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube – CFST) càng ngày được sử

dụng rộng rãi trong các kết cấu nhà cao tầng, cầu đường và các kết cấu phức tạp. Các

cột thép / bê tông tổng hợp kết hợp các ưu điểm của cả hai loại vật liệu. Cột CFST

bao gồm một ống thép của một mặt cắt tròn hoặc hình vuông chứa đầy bê tông. Đặc

điểm chung của các kết cấu thì là khả năng chịu lực lớn so với mặt cắt tiết diện, có

tính dẻo cao, khả năng phân tán năng lượng và quá trình thi công nhanh. Đây cũng là

những ưu điểm nổi bật của cột thép CFST. Vì những lý do này, các cột CFST đã ngày

càng được nghiên cứu trong vài thập kỷ qua để hiểu rõ hơn về hành vi của chúng

trong cấu trúc cao tầng.

Hình 1.1 Mặt cắt tiết diện các loại cột CFST.

❖ Ưu điểm so với cột thép thuần túy:

• Khả năng chống cháy và chịu lửa cao hơn;

• Khả năng chịu uốn và chống va đập cao hơn

• Sự mất ổn định cục bộ của ống thép bị ngăn chặn;

• Hệ số dao động cao hơn;

• Giảm được độ mảnh của cấu kiện;

• Hạn chế ăn mòn cốt thép bề mặt bên trong;

- 2 -

• Đều thi công nhanh giống nhau.

❖ Ưu điểm so với cột bê tông cốt thép (BTCT) thông thường:

• Cường độ chịu tải, độ cứng và độ dẻo cao hơn;

• Thi công nhanh hơn;

• Khả năng chịu uốn, chống va đập cao hơn;

• Không có sự nứt vỡ của bê tông khi chịu lửa, dẫn đến khả năng chịu

lửa, chống cháy cao hơn;

• Co ngót khô và từ biến thấp hơn do bê tông không có sự trao đổi ẩm

với môi trường bên ngoài.

❖ Ưu điểm so với các cột liên hợp thông thường khác không có ống thép bọc

ngoài:

• Hiệu ứng kiềm chế chế nở hông mạnh hơn dẫn đến tăng cường độ chịu

tải nén và độ dẻo tốt hơn;

• Thi công nhanh hơn;

• Không có sự nứt vỡ của bê tông khi chịu lửa, dẫn đến khả năng chịu

lửa và chống cháy cao hơn.

Đã có nhiều nghiên cứu về mô hình vật liệu cho bê tông và công thức tính toán

khả năng chịu lực của cấu kiện CFST. Các tiêu chuẩn thiết kế trên thế giới như EC￾4, ANSI-AISC, ACI, CISC, AS 5100, DBJ, GB5096 có các công thức tính khả năng

chịu lực và các kết quả này cho ra các giá trị khác nhau. Vì vậy các nghiên cứu lý

thuyết và thực nghiệm vẫn tiếp tục thực hiện với một mục đích duy nhất là khảo sát

ứng xử của cột CFST thông qua mô hình vật liệu và đồng thời đề xuất một công thức

tính toán tin cậy phục vụ cho công tác thiết kế.

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghệ phần cứng của máy

tính và các phần mềm ứng dụng, học viên sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn

ABAQUS để mô phỏng ứng xử của cột CFST, đồng thời xác định được khả năng

chịu nén cực hạn của cột. Kết quả mô phỏng số này giúp đánh giá ứng xử của lõi bê

tông và vỏ thép một cách chính xác, hiệu quả, giảm chi kinh phí thí nghiệm và cho

kết quả nhanh chóng.