Vấn đề dính bám giữa thép v bê tông, biến dạng ngang của bê tông khi chịu nén, ổn định tổng thể v cục bộ của ống thép nhồi bê tông ThS. Ngô thanh thuỷ Bộ môn Cầu hầm Liên Bộ môn công trình Cơ sở II Trờng Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Khả năng chịu lực của ống thép nhồi bê tông phụ thuộc rất nhiều yếu tố, trong đó dính bám giữa ống thép v lõi bê tông, ống thép ngăn chặn biến dạng ngang của bê tông khi chịu nén v ổn định cục bộ của ống thép l những đặc trng riêng biệt của loại vật liệu ny. Gần đây, có nhiều nghiên cứu về vấn đề dính bám v biến dạng ngang của bê tông, tuy nhiên các kết quả nghiên cứu còn phân tán, cha thống nhất đợc mức độ ảnh hởng của những yếu tố ny tới khả năng chịu lực. Do đó, hầu hết các quy trình về ống thép nhồi bê tông đều quy định dùng những giá trị cận dới an ton hoặc bỏ qua ảnh hởng tích cực của những hiện tợng ny. Đặc biệt, vấn đề ổn định cục bộ của ống thép cho tới nay vẫn cha có những nghiên cứu thoả đáng. Các quy trình nh AISC 2005 (Mỹ) hay AJC (Nhật) đều quy định giá trị giới hạn cho tỷ số D/t, nhằm mục đích đạt đợc cờng độ giới hạn trớc khi xảy ra mất ổn định cục bộ, điều ny gây lãng phí vật liệu thép, đặc biệt l với ống thép có đờng kính D lớn. Nh vậy cần có thêm những nghiên cứu về vấn đề ny, nhằm tiết kiệm vật liệu thép đồng thời nâng cao tính kinh tế v mở rộng phạm vi ứng dụng của loại vật liệu ny trong xây dựng Summary: Loading capacity of Concrete Filled Steel Tubes (CFTs) depends on many parameters, of which bond, confinement, and local buckling are important chareteristics. Many researches recently focus on bond and confinement; however, there is great difference in these results. Thus, many Codes for CFTs require the use of the lower bound values or neglect the good effects of these factors. Meanwhile, local buckling of steel tubes are not fully understood. CFTs Codes, such as AISC 2005 (USA) and AJC (Japan), limit the value of D/t in order to reach the design strength before local buckling. This leads to waste of steel, especially large value of D being used. Further studies on these issues are needed to provide economic way of using steel material as well as promote the use of CFTs in the field of construction. CB A i. giới thiệu chung Trong hai thập kỷ trở lại đây, ống thép nhồi bê tông đợc ứng dụng rộng rãi trong xây dựng, đặc biệt là nhà cửa, tại các nớc nh Mỹ, Nhật, Trung Quốc. Loại vật liệu này có u điểm lớn là phát huy đợc u điểm của cả thép và bê tông. Thép phát huy đợc khả năng chịu uốn cắt, xoắn và cả chịu nén; bê tông phát huy đợc khả năng chịu nén. Đồng thời, sự tơng tác giữa hai vật liệu cũng nâng cao khả năng chịu lực của loại vật liệu này. Lõi bê tông hạn chế mất ổn định cục bộ của ống thép; trong khi đó ống thép hạn chế biến dạng ngang của bê tông, làm tăng cờng độ chịu nén và độ dẻo của bê tông, ống thép nhồi bê tông thể hiện tính dẻo rất tốt, do đó rất thích hợp với kết cấu chịu tải trọng động đất. Khả năng chịu lực của ống thép nhồi bê tông không những phụ thuộc vào đặc trng hình học, cờng độ vật liệu và ổn định tổng thể mà còn phụ thuộc dính bám giữa thép và bê tông, sự hạn chế biến dạng ngang của ống thép đối với bê tông khi chịu nén và ổn định cục bộ của ống thép. ii. vấn đề dính bám giữa thép v bê tông - Quan hệ giữa dính bám và trợt dới tác dụng của tải trọng trùng phục đi theo một đờng cong tơng tự nh quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của thép. CB A Dính bám giữa ống thép và lõi bê tông là một vấn đề quan trọng, ảnh hởng lớn đến đặc tính chịu lực của loại vật liệu này. Tuy nhiên, cho đến nay vẫn cha có bằng chứng khoa học xác đáng về ảnh hởng của dính bám đến khả năng chịu lực của ống thép nhồi bê tông. Theo nghiên cứu của Okamoto và Maeno (1988) thì dính bám không có ảnh hởng đáng kể đến khả năng chịu uốn của cột ống thép nhồi bê tông. Tuy nhiên ngời ta vẫn nghi ngờ về mức độ chính xác của kết luận này với lý do số lợng mẫu thí nghiệm của nghiên cứu này cha đủ lớn. Trong khi đó, Itoh và Matsamura (1991) cho rằng khả năng chịu uốn tăng lên khi dính bám giữa thép và bê tông tăng lên. Theo Sam, Qie vàRizkalla (2004), tính dẻo của cột tăng lên khi cờng độ dính bám tăng lên. Cờng độ dính bám của ống thép tròn lớn hơn hình chữ nhật và giảm đi khi D/t tăng (Roeder, 1998). Một nghiên cứu khác của Shakir Khalil (1993) tập trung vào vấn đề tính toán lực dính bám và cờng độ neo đã đa tới một số kết luận nh sau: - Bình quân cờng độ dính bám của thép và bê tông là 0.8 N/mm 2 ; lớn hơn nhiều so với quy trình Anh (British Standards, 1979), giá trị này là 0.4 N/mm 2 . - Với những mẫu có dùng neo chống cắt, đờng cong phá hoại hầu nh không có sự khác biệt giữa tăng tải liên tục và tăng tải theo từng cấp. Chiều dài phân bố 3.5D Chiều dài phân bố 0.5D f 2 f 2 a. Trạng thái cân b. Trạng thái trớc bằng giới hạn giới hạn Hình 1. Sự phân bố ứng suất dính bám Một nghiên cứu khác của giáo s Roeder và cộng sự đa đến một số kết luận nh sau: - ở trạng thái giới hạn, ứng suất dính bám f 2 phân bố đều xung quanh đờng kính và dọc theo chiều dài 3.5 D: f 2 = 2.109 - 0.026(D/t) (1) - ở trạng thái chịu tải trớc TTGH, ứng suất dính bám phân bố theo hình tam giác dọc theo chiều dài 0.5D - Lực dọc trục đợc chuyển từ thép qua bê tông và ngợc lại thông qua ứng suất dính bám hoặc neo chống cắt. - Co ngót của bê tông là một yếu tố rất bất lợi cho ứng suất dính bám. Nh vậy, qua các nghiên cứu đã có, có thể khẳng định rằng dính bám có ảnh hởng đến khả năng chịu tải cũng nh tính dẻo của ống thép nhồi bê tông. Tuy nhiên các nghiên cứu này cha thống nhất đợc với nhau về cờng độ và sự phân bố lực dính bám khi truyền lực cũng nh mức độ ảnh hởng của nó đến khả năng chịu tải. Do đó các quy trình chỉ đa ra giá trị an toàn ở cận dới cho cờng độ dính bám khi tính toán sự truyền lực giữa thép và bê tông; còn khi tính toán khả năng chịu tải thì cha xét tới dính bám. CB A Quy trình AISC của Mỹ đề nghị dùng cờng độ dính bám 0.6MPa. Sự truyền tải trọng từ bê tông sang thép hoặc ngợc lại, nếu không dùng neo thì chỉ thông qua chiều dài dính bám bằng 2D (một chiều D trên điểm truyền lực và một chiều dài D dới điểm truyền lực). Mặt khác cũng cha có bằng chứng khoa học về sự trợt giữa thép và bê tông. Do đó, AISC chỉ cho phép tính toán sự truyền trải trọng dựa vào dính bám hoặc neo mà không xét đồng thời. iii. vấn đề ống thép ngăn chặn biến dạng ngang của bê tông ống thép ngăn chặn biến dạng ngang của bê tông làm tăng cờng độ chịu nén, f cc và độ dẻo của bê tông. Cờng độ chịu nén f cc phụ thuộc vào hình dạng của mặt cắt tròn hay chữ nhật, cờng độ của bê tông, độ mảnh của thanh, tỷ số D/t và tình trạng chịu tải trọng của thanh (nén thuần tuý, uốn thuần tuý hay nén uốn). Theo nghiên cứu của Furlong (1967), Schneider (1998) và nhiều nghiên cứu khác, ứng suất nén ngang trong bê tông giảm nếu dùng ống thép có mặt cắt chữ nhật (so với mặt cắt tròn); giảm nếu dùng bê tông cờng độ cao; giảm nếu độ mảnh của cột tăng và cả trờng hợp ống thép nhồi bê tông chịu uốn thuần tuý. Shams và Saadeghvaziri (1999) kết luận rằng cc giảm khi tỷ số D/t tăng. a b b a a. Bê tông không bị hạn chế biến dạng ngang b. Bê tông bị hạn chế biến dạng ngang (lõi bê tông trong ống thép) Hình 2. Quan hệ giữa ứng suất v biến dạng của bê tông Nhóm nghiên cứu của Richard (1928) đề nghị dùng ứng suất nén lớn nhất cho bê tông, cc , theo công thức: cc = c (1 + 4.1p/ c ) (2) Năm 1972, Newmand đề nghị một công thức phi tuyến: cc = c [1 + 3.7(p/ c ) 0.86 ] (3) Gần đây hơn, Shams và Saadeghvaziri (1999) đa ra công thức tính ứng suất nén lớn nhất cho bê tông, f cc nh sau: cc = c {1 + A/[1+(D/tB) ]} (4) trong đó: p - ứng suất nén ngang trong bê tông c - cờng độ chịu nén của bê tông D - đờng kính ống thép t - chiều dày ống thép - hệ số hình dạng A, B - hệ số phụ thuộc fc Trong ba công thức (2), (3) và (4) thì công thức (4) tiến bộ nhất. Trong khi công thức (2) và (3) chỉ xét tới cờng độ bê tông c và ứng suất nén ngang (p) thì công thức (4) không chỉ xét đến cờng độ bê tông f c mà còn xét đến hình dạng mặt cắt ngang và tỷ số D/t. ở giai đoạn đầu chịu tải, do hệ số nở hông của thép (khoảng 0.3) lớn hơn hệ số nở hông của bê tông (khoảng 0.15 - 0.20) nên ứng suất nén ngang trong bê tông là đáng kể và làm tăng cờng độ chịu nén của bê tông. Quy trình AISC của Mỹ cho phép xét đến hiệu ứng này đối với ống thép tròn nhồi bê tông bằng cách dùng cờng độ chịu nén của bê tông là 0.95 c , thay vì 0.85 c ; còn đối với ống thép chữ nhật nhồi bê tông thì không xét đến hiệu ứng này. CB A iv. Vấn đề mất ổn định tổng thể v cục bộ của ống thép ổn định tổng thể của thanh chịu nén ảnh hởng trực tiếp đến khả năng chịu lực của thanh. Đối với ống thép nhồi bê tông, hiệu ứng này đợc xét thông qua: P e , P e = 2 (EI eff )/(KL) 2 (5) trong đó: EI eff = E s I s + E s I sr + C 3 E c I c (6) C 3 = 0.6 + 2A s /(A s +A c ) < 0.9 (7) Với: E c - mô đun đàn hồi của bê tông E s - mô đun đàn hồi của thép I c - mô men quán tính của mặt cắt ngang bê tông. I s - mô men quán tính của mặt cắt ngang ống thép. I sr - mô men quán tính của các thanh thép. K - hệ số chiều dài có hiệu. L - chiều dài tự do của thanh. Nh vậy, độ cứng có hiệu EJ eff , đợc dùng để tính độ cứng chịu nén của ống thép nhồi bê tông. Độ cứng này bao gồm độ cứng của ống thép, thanh thép, lõi bê tông và sự tơng tác giữa hai vật liệu. Đối với ổn định cục bộ của ống thép, cho tới nay vẫn cha có những nghiên cứu đầy đủ về những ảnh hởng của nó tới khả năng chịu nén và uốn của ống thép nhồi bê tông. Do đó, hiện nay các quy trình dùng các quy định ràng buộc về thành phần % thép trong mặt cắt và tỷ lệ D/t (hoặc b/t) để đảm bảo đạt cờng độ tính toán trớc khi xuất hiện mất ổn định cục bộ. Quy trình AISC quy định: - Hàm lợng thép trong mặt cắt không đợc ít hơn 1%. - Với mặt cắt chữ nhật: b/t < 2.26(E/F y )0.5; tỷ số b/t lớn hơn chỉ đợc dùng khi thông qua thí nghiệm và phân tích. - Với mặt cắt tròn: D/t < 0.15(E/F y ); tỷ số b/t lớn hơn chỉ đợc dùng khi thông qua thí nghiệm và phân tích. - Với mặt cắt tròn, thép có E = 210GPa, F CB A Nh vậy, qua các kết quả nghiên cứu cũng nh các ứng dụng cụ thể trong các công trình xây dựng tại các nớc Mỹ, Nhật và Trung Quốc, ống thép nhồi bê tông đã tỏ rõ u thế về khả năng chịu tải trọng lớn và tính dẻo dai, đây là những đặc điểm quan trọng cho vật liệu của các công trình chịu tải trọng động đất và gió. Mặt khác tính kinh tế cũng là một đặc điểm quan trọng thúc đẩy nhanh quá trình ứng dụng loại vật liệu này trong xây dựng. Tuy nhiên, cho tới nay cha có các nghiên cứu đầy đủ về vấn đề dính bám giữa thép và bê tông, vấn đề ống thép ngăn chặn biến dạng ngang của bê tông, đặc biệt là vấn đề mất ổn định cục bộ của ống thép. Đối với ống thép nhồi bê tông có đờng kính lớn, nếu tuân theo những hạn chế của quy trình sẽ dẫn tới lãng phí vật liệu thép. Mong rằng trong tơng lai sẽ có những nghiên cứu đầy đủ về các hiện tợng này để ống thép nhồi bê tông đợc áp dụng rộng rãi trong công trình cầu; góp phần nâng cao độ tin cậy của công trình và tiết kiệm chi phí xây dựng. y = 420MPa thì D/t < 75. Trong thực tế tại Mỹ, tỷ số D/t thờng dùng khoảng 100. Nh vậy, do cha có nghiên cứu đầy đủ nên quy trình quy định thiên về an toàn. Điều này gây ra lãng phí vật liệu thép và lãng phí kinh phí thí nghiệm khi dùng tỷ số D/t vợt giới hạn cho phép. Có thể nói, vấn đề ổn định cục bộ của ống thép đang rất cần những nghiên cứu mới để cung cấp một phơng pháp hiệu quả, chính xác và đơn giản để ứng dụng vào thiết kế, đồng thời làm nổi bật các u điểm về kinh tế cũng nh góp phần phổ biến sử dụng loại vật liệu này. v. Kết luận Tài liệu tham khảo [1]. American Institude of Steel construction, Specification for Structural Steel Buildings, 2005. [2]. Aval et al, Comprehensive Composite Inelastic Fiber Element for Cyclic Analysis of Concrete Filled Steel Tube Columns, Journal of Engineering Mechanics, 2002. [3]. Caner et al, Lateral Confinement Needed to Suppress Softening of Concrete in Compression, Journal of Engineering Mechanics, 2002. [4]. Fam et al, Concrete Filled Steel Tubes Subjected to Axial Compression and Lateral Loads, Journal of Structural Engineering, 2004. [5]. Hajjar, Concrete Filled Steel Tube Columns under Earthquake Loads, Prog. Struct. Engng Mater, 2000. [6]. Heng-zhi et al, Numerical Analysis of Ultimate Strength of Concrete Filled Steel Tubular Arch Bridges, Journal of Zhejiang University Science, 2005. [7]. Laura De Lorenzis, A CoMParative Study of Models on Confinement of Concrete Cylinders with FRP Composites, Devision of Building Technology, Chalmers University of Technology, 2001. [8] Roeder et al, Composite Action in Concrete Filled Tubes, Journal of Structural Engineering, 1999 . thép và bê tông, sự hạn chế biến dạng ngang của ống thép đối với bê tông khi chịu nén và ổn định cục bộ của ống thép. ii. vấn đề dính bám giữa thép v bê tông - Quan hệ giữa dính bám và. Vấn đề dính bám giữa thép v bê tông, biến dạng ngang của bê tông khi chịu nén, ổn định tổng thể v cục bộ của ống thép nhồi bê tông ThS. Ngô thanh thuỷ Bộ môn Cầu hầm Liên Bộ môn công. đủ về vấn đề dính bám giữa thép và bê tông, vấn đề ống thép ngăn chặn biến dạng ngang của bê tông, đặc biệt là vấn đề mất ổn định cục bộ của ống thép. Đối với ống thép nhồi bê tông có đờng