Khảo sát mô hình sức kháng sụp đổ của sàn phẳng bê tông cốt thép có mũ cột khi bị mất cột

Chia sẻ: Bigates Bigates | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:14

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày một mô phỏng ứng xử sụp đổ của kết cấu sàn phẳng có mũ cột sau khi một cột biên bị phá hoại. Kỹ thuật mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm LS-DYNA và được kiểm chứng với các kết quả thí nghiệm sụp đổ của hai mẫu sàn phẳng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Khảo sát mô hình sức kháng sụp đổ của sàn phẳng bê tông cốt thép có mũ cột khi bị mất cột

Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, ĐHXDHN, 2021, 15 (5V): 132–145 KHẢO SÁT MÔ HÌNH SỨC KHÁNG SỤP ĐỔ CỦA SÀN PHẲNG BTCT CÓ MŨ CỘT KHI BỊ MẤT CỘT Đỗ Kim Anha , Nguyễn Ngọc Tâna,∗, Phạm Xuân Đạta , Nguyễn Trung Hiếua a Khoa Xây dựng Dân dụng & Công nghiệp, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, 55 đường Giải Phóng, quận Hai Bà Trưng, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 15/8/2021, Sửa xong 25/9/2021, Chấp nhận đăng 29/9/2021 Tóm tắt Sàn phẳng bê tông cốt thép (BTCT) được dùng phổ biến cho các công trình dân dụng. Tuy nhiên, nhược điểm của loại kết cấu này là sức kháng chọc thủng tại đầu cột thấp, dẫn đến nguy cơ sụp đổ một phần hay toàn bộ công trình. Nghiên cứu ứng xử cận sụp đổ và sụp đổ kết cấu BTCT là một vấn đề phức tạp do sự tham dự của hai yếu tố là phi tuyến hình học và phi tuyến của vật liệu bê tông cốt thép. Bài báo trình bày một mô phỏng ứng xử sụp đổ của kết cấu sàn phẳng có mũ cột sau khi một cột biên bị phá hoại. Kỹ thuật mô phỏng được thực hiện bằng phần mềm LS-DYNA và được kiểm chứng với các kết quả thí nghiệm sụp đổ của hai mẫu sàn phẳng. Dựa trên mô phỏng này, các khảo sát phần tử hữu hạn đã được thực hiện nhằm xác định ảnh hưởng của một số tham số đối với sức kháng sụp đổ của sàn phẳng có mũ cột, như là (i) hàm lượng cốt thép trong mũ cột, (ii) cường độ chịu nén của bê tông, và (iii) vị trí mất cột. Những kết quả thu được chỉ ra rằng hàm lượng cốt thép trong mũ cột ảnh hưởng không đáng kể, trong khi đó khả năng chịu lực có thể tăng khoảng 13-14% khi tăng cường độ chịu nén của bê tông từ 18 đến 30 MPa. Trong số các kịch bản mất cột chịu lực, thì vị trí mất cột trong cận góc là nguy hiểm nhất đối với sức kháng sụp đổ của sàn phẳng có mũ cột. Từ khoá: sụp đổ; sàn phẳng có mũ; bê tông cốt thép; mất cột; ứng xử phi tuyến; mô hình phần tử hữu hạn. NUMERICAL INVESTIGATION ON THE COLLAPSE BEHAVIOR OF RC FLAT SLABS WITH CAPITAL UNDER COLUMN REMOVAL SCENARIOS Abstract Reinforced concrete (RC) flat slab is among the favorite structural systems for residential and office buildings. However, the main disadvantage of this structure type is a very low punching shear resistance of the column capitals, resulting in the severe collapse of a large part or entire buildings. Research on the collapse of RC structures is highly complicated due to both materials and geometrical nonlinearities. This paper presents a numerical simulation of the flat slab structures with column capital subjected to a penultimate column removal. The numerical modelling was performed using LS-DYNA software and validated by the experimental data obtained from the collapse tests on two flat slab specimens. Based on these models, finite element investigations have been conducted to determine the effect of several parameters on the collapse resistance of the flat slab systems with column capital, such as concrete compressive strength, reinforcement ratio of column capital, and the position of a column to be removed. The obtained results show that the reinforcement ratio in the column capital does not significantly affect, while the load-carrying capacity can increase by 13-14% when increasing the concrete compressive strength from 18 to 30 MPa. Among the column loss scenarios, the loss of the corner column is the most dangerous for the collapse performance of flat slabs with column capital. Keywords: collapse; flat slab with capital; reinforced concrete; column removal; nonlinear behavior; finite element model. https://doi.org/10.31814/stce.huce(nuce)2021-15(5V)-11 © 2021 Trường Đại học Xây dựng Hà Nội (ĐHXDHN) ∗ Tác giả đại diện. Địa chỉ e-mail: tannn@nuce.edu.vn (Tân, N. N.) 132
Anh, Đ. K., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng 1. Mở đầu Sàn phẳng là một trong những loại kết cấu được ưa chuộng sử dụng cho các tòa nhà dân dụng và công nghiệp, do thời gian thi công xây dựng nhanh và chiều dày cấu kiện nhỏ, nên cho phép tối đa hóa chiều cao công trình. Nhược điểm lớn nhất của loại kết cấu này là sức kháng chọc thủng tại các đầu cột thấp, dẫn đến nguy cơ sụp đổ một phần hay toàn bộ công trình. Đặc biệt là công trình phải chịu những loại tải trọng đặc biệt (sóng xung kích do nổ bom, nổ đường ống dẫn khí, tải trọng va chạm. . . ), làm một cột chịu lực bị gãy đổ. Trong thực tế, sự mất đột ngột một cột chịu lực là nguyên nhân dẫn đến sự sụp đổ lũy tiến hay sụp đổ dây chuyền của một phần hoặc toàn bộ tòa nhà, gây ra những thiệt hại thảm khốc về con người và vật chất. Một số các vụ sụp đổ công trình tiêu biểu có thể được kể ra, như là sự sụp đổ cửa hàng bách hóa Sampoong Hàn Quốc xảy ra năm 1995 làm khoảng 500 người chết và 937 người bị thương [1, 2], Tòa nhà 16 tầng ở Massachusetts, Mỹ đang xây dựng bị sụp đổ vào năm 1971 [3], Bãi đậu xe Pipers Row ở Anh bị sụp đổ một phần vào năm 1997 [4, 5], vụ tấn công khủng bố làm sụp đổ Trung tâm thương mại thế giới [6]. Từ thực tế trên, nghiên cứu về sức kháng sụp đổ của kết cấu công trình khi bị mất cột là một chủ đề được các nhà khoa học và kỹ sư thiết kế quan tâm. Một nghiên cứu thực nghiệm Hawkins và Mitchell [7] đã được thực hiện sàn phẳng chịu tải trọng tới hạn và kết luận rằng loại cấu kiện này cần được thiết kế để duy trì được tính toàn vẹn khi xảy ra phá hoại cục bộ. Một số nghiên cứu thực nghiệm bởi Yap và Li [8], Choi và Kim [9], Qian và Li [10–13] đều xác nhận rằng phá hoại cắt tại khu vực đầu cột là yếu tố chính làm giảm khả năng biến dạng của hệ kết cấu, và hiệu ứng dây căng có khả năng tăng sức kháng của hệ lên đáng kể. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm của Đạt và Tan [14, 15] trên sàn BTCT bị mất cột cho thấy, khi độ võng đạt 5% chiều dài nhịp đôi tương ứng với 50% khả năng chịu uốn, thì sàn đã bị phá hoại cắt xảy ra tại đầu cột. Cùng với các nghiên cứu thực nghiệm, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một công cụ hữu ích cho phép khảo sát ứng xử cơ học của sàn phẳng. Pham và cs. [16], Dat và cs. [17] đã khảo sát hiệu ứng dây căng trong dầm và hiệu ứng màng kéo trong sàn đối với hệ sàn dầm chịu tải trọng phân bố hoặc tập trung khi bị mất cột, và kết luận rằng mất cột biên có thể là kịch bản nguy hiểm nhất của sụp đổ dây chuyền. Trong khi đó, một nghiên cứu của Do và cs. [18] thực hiện trên mô hình sàn phẳng không mũ cột thì xác định rằng mất cột góc có thể là trường hợp cần được quan tâm nhất. Những kết quả nghiên cứu của Dabiri và cs. [19, 20] chỉ ra rằng, khi tăng tiết diện cột thì độ dẻo của kết cấu tăng để duy trì tính toàn vẹn nếu xảy ra phá hoại cục bộ. Weng và cs. [21] đánh giá sự phân bố lại tải trọng của kết cấu sàn phẳng sau khi mất cột để xác định vị trí cột nguy hiểm tiếp theo. Faria và cs. [22] xác định mức độ ảnh hưởng của cốt thép lớp trên đến khả năng chịu cắt và độ võng của sàn phẳng. Trong khi đó, nghiên cứu của Mostofinejad và cs. [23] sử dụng mô hình FEM để nghiên cứu ảnh hưởng của lỗ mở đến sức kháng chọc thủng của sàn phẳng không mũ cột. Cho đến nay, mặc dù các nghiên cứu được thực hiện đã cung cấp nhiều thông tin về sức kháng sụp đổ của sàn phẳng, nhưng vẫn còn một số vấn đề vẫn chưa được giải đáp. Thứ nhất, phá hoại cục bộ ban đầu có thể xảy ra ngẫu nhiên tại một vị trí bất kỳ trên mặt bằng kết cấu, câu hỏi đặt ra là vị trí mất cột nào là nguy hiểm nhất? Thứ hai, sàn phẳng có thể được thiết kế có hoặc không mũ cột, sử dụng bê tông có cường độ chịu nén khác nhau, hàm lượng cốt thép khác nhau. Do đó, các tham số này ảnh hưởng như thế nào đến sức kháng của sàn phẳng? Đây là những vấn đề quan trọng đối với các kỹ sư trong quá trình thiết kế và dự báo sức kháng sụp đổ cho các tòa nhà. Để giải quyết một phần các câu hỏi trên, trong nghiên cứu này, hai mẫu sàn phẳng có mũ cột bằng bê tông cốt thép tương ứng với hai trường hợp mất cột khác nhau đã được mô phỏng bằng phần mềm LS-DYNA. Các mô hình này được kiểm chứng dựa trên các kết quả thực nghiệm, bao gồm biểu đồ tải trọng – chuyển vị, tải trọng phân bố vào cột và dạng phá hoại. Từ đó, những kết quả khảo sát tham số đã cho phép xác định ảnh hưởng 133
trên mặt bằng kết cấu, câu hỏi đặt ra là vị trí mất cột nào là nguy hiểm nhất? Thứ hai, sàn phẳng có thể được thiết kế có hoặc không mũ cột, sử dụng bê tông có cường độ chịu nén khác nhau, hàm lượng cốt thép khác nhau. Do đó, các tham số này ảnh hưởng như thế nào đến sức kháng của sàn phẳng? Đây là những vấn đề quan trọng đối với các kỹ sư trong quá trình thiết kế và dự báo sức kháng sụp đổ cho các tòa nhà. Để giải quyết một phần cácAnh, câu hỏi Đ. trên, K., vàtrong cs. / nghiên Tạp chícứu này,học Khoa haiCông mẫu sàn nghệphẳng Xây có mũ cột bằng bê dựng tông cốt thép tương ứng với hai trường hợp mất cột khác nhau đã được mô phỏng bằng của hàm lượng cốt phầnthép mềm trong mũ cột, LS-DYNA. Các cường mô hìnhđộ nàychịu đượcnén kiểmcủa bê dựa chứng tôngtrên vàcác vị kết trí quả mấtthực cột đến sức kháng sụp đổ của kết cấu sàn bao nghiệm, phẳng. gồm biểu đồ tải trọng – chuyển vị, tải trọng phân bố vào cột và dạng phá hoại. Từ đó, những kết quả khảo sát tham số đã cho phép xác định ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép trong mũ cột, cường độ chịu nén của bê tông và vị trí mất cột đến sức 2. Mô hình sàn phẳng có mũ cột kháng sụp đổ của kết cấu sàn phẳng. 2. Môthực Một công trình hình tếsàncóphẳng nămcótầngmũ cột như minh họa trên Hình 1, với bước cột 6 × 6 m, và kết cấu sàn phẳng có chiều dàyMột 240 công mmtrình có thựcmũ cộtnăm tế có dày 120 tầng nhưmm. minhCông họa trêntrình Hìnhnày được 1, với bướcthiết kế theo tiêu chuẩn cột 6x6 2 2 Eurocode EN 1992 m, và với tĩnhsàntảiphẳng kết cấu 1 kN/m có chiềuvàdàyhoạt 240 tải mm4cókN/m mũ cột .dày Một120câu mm.hỏiCôngđặttrình ra này là: Nếu có một sự đượcmất cố xảy ra dẫn đến thiếtmột kế theo cộttiêuthìchuẩn ứngEurocode xử của EN 1992 công với tĩnh trình sẽ tải như thế 2nào? 1 kN/m và hoạtLiệu có bị2. sụp đổ lũy tiến tải 4 kN/m hay không? DựaMột câukết trên hỏi quả đặt ranghiên là: Nếu có mộtđã cứu sựđược cố xảycông ra dẫnbố đến[24], mất một thìcột khithìbịứngmất xử của mộtcông cột ở tầng một thì trình sẽ như thế nào? Liệu có bị sụp đổ lũy tiến hay không? ứng xử của các tầng phía trên đều giống nhau nên sàn tầng một được chọn làm hệ kết Dựa trên kết quả nghiên cứu cấu đại diện để đã được công bố [24], thì khi bị mất một cột ở tầng một thì ứng xử của các tầng phía nghiên cứu. trên đều giống nhau nên sàn tầng một được chọn làm hệ kết cấu đại diện để nghiên cứu. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, NUCE 2021 HìnhHình 1. 1. Mô Mô hìnhcông hình công trình trình thực thựctếtếbịbịmất mấtcộtcột biên biên 3 (a) Mặt bằng cốt thép lớp dưới (b) Mặt bằng cốt thép lớp trên (c) Mặt cắt 3-3 Hình 2. Kích thước và cấu tạo cốt thép của mẫu sàn phẳng SP4 Hình 2. Kích thước và cấu tạo cốt thép của mẫu sàn phẳng SP4 134 (Tên hình không thay đổi)
Anh, Đ. K., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng Thực tế, hai vị trí có xác suất xảy ra sự cố rủi ro cao là cột biên cận góc (CBCG) và cột biên giữa (CBG), nên các ô sàn xung quanh hai vị trí này cần được quan tâm nghiên cứu. Trong nghiên cứu này, mẫu sàn mất CBCG và mẫu sàn mất CBG được kí hiệu lần lượt là SP4 và SP6, như minh họa trên các Hình 2 và 3. Như vậy, hai mẫu sàn được giả thiết là đã mất trước một cột, chỉ còn năm cột. Hai mẫu sàn này được mô hình với tỷ lệ bằng 1/3 kích thước thực tế, để đảm bảo các yêu cầu của lý thuyết tương tự nhằm tối ưu hóa tài nguyên khi thực hiện việc khảo sát. Do đó, mẫu sàn phẳng SP4 có các kích thước là 2800 × 4800 × 80 mm, chiều dài nhịp từ trục đến trục là l = 2000 mm, cột có tiết diện 200 × 200 mm với mũ cột có kích thước 700 × 700 × 40 mm. Phần mở rộng về phía bên trái và phía trong (Hình 2), có bề rộng 700 mm tính từ tim cột. Trong khi đó, mẫu sàn phẳng SP6 có các kích thước là 2800 × 5400 × 80 mm, với phần mở rộng về các phía bên trái, bên phải và bên trong (Hình 3), cũng có bề rộng 700 mm. Phần mở rộng của hai mẫu sàn được sử dụng để xét đến ảnh hưởng của các Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, NUCE 2021 ô sàn lân cận ở phía trong khu vực khảo sát. (a) Mặt bằng cốt thép lớp dưới (b) Mặt bằng cốt thép lớp trên (c) Mặt cắt 3-3 Hình 3. Kích thước và cấu tạo cốt thép của mẫu sàn phẳng SP6 Bảng 1. Hàm lượng cốt thép của hai mô hình sàn SP4 và SP6 Hình 3. Kích thước và cấu tạo cốt thép của mẫu sàn phẳng SP6 Sàn Dải cột Dải sàn phẳng Thép trên µ = 0,47% Thép dưới µ = 0,34% Thép trên µ = 0,23% Thép dưới µ = 0,17% SP4 Φ6@80 Φ6@110 Φ6@160 Φ6@220 SP6 Φ6@80 Φ6@110 Φ6@160 Φ6@220 Cấu tạo cốt thép của hai mẫu sàn phẳng SP4 và SP6 được tóm tắt trong Bảng 1. Cốt thép sử dụng là thép tròn trơn có đường kính danh nghĩa Φ6 mm, đã được thí nghiệm kéo trên một tổ mẫu để xác 135
Anh, Đ. K., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng định giới hạn chảy và giới hạn bền có các giá trị trung bình lần lượt là 380 và 410 MPa. Bê tông sử dụng có cường độ chịu nén trung bình ở 28 ngày tuổi là 20 MPa, được xác định từ thí nghiệm nén một mẫu bê tông hình trụ có đường kính 150 mm và chiều cao 300 mm. Tiếp theo, hai mẫu sàn phẳng SP4 và SP6 có mũ cột với các thông số về hình học và vật liệu được trình bày ở trên sẽ được mô phỏng số bằng phần mềm LS-DYNA [25, 26] để khảo sát ứng xử của sàn khi xảy ra sự cố mất cột. Điều này rất cần thiết trước khi tiến hành nghiên cứu thực nghiệm. Nội dung tiếp theo sẽ trình bày phương pháp xây dựng và kiểm chứng độ tin cậy của mô hình FEM cho hai mẫu sàn nói trên. 3.Tạp Xâychídựng Khoa học Công nghệ và kiểm Xâymô chứng dựng, NUCE hình FEM2021 3.1. Xây dựng mô hình FEM Trong nghiên cứu này, mô hình vật liệu MAT_159 (Continuous Surface Cap del) [25] đượca.sửBê dụng tôngđể mô phỏng bê tông, như minh họa trên Hình 4. Mô hình có nhiều ưu điểm,Trong như chính xác,cứu nghiên ổn định này, vềmômặthình toánvậthọc, liệuyêu cầu ít thông MAT_159 số đầu (Continuous Surface Cap Model) [25] được ng độ chịu nén, kích thước sử dụng để môcốt liệu và phỏng bêđơn vị như tông, tính),minhvà phùhọahợp vớiHình trên bê tông 4. Môthông hình này có nhiều ưu điểm, như chính ng. Thuật toán trong xác, ổn mô hình định về vật mặtliệu MAT_159 toán học, yêucho cầuphép tối ưusố ít thông thời đầuđiểm phá hoại (cường độ chịu nén, kích thước cốt liệu và đơn bê tông, là khivịứng suấtvàcắt tính), và hợp phù và ứngvớisuất nén cùng bê tông thông đạtthường. giá trị cực đại. Mô Thuật toánhình nàymô hình vật liệu MAT_159 cho phép trong nh đẳng hướng, quan tối ưu hệ điểm thời giữa ứng phásuấthoạivàcủa biếnbêdạng tuân tông, là theoứng khi địnhsuất luật cắt Hooke và đếnứng suất nén cùng đạt giá trị cực đại. và ứng suất đạt đến Môgiá hìnhtrị này cường cóđộ nén, tính ký hiệu đẳng f c' (MPa), hướng, quan hệ tương giữaứng vớisuất ứng mô vàđunbiến đàn dạng tuân theo định luật Hooke đến 0 khi ứng ban đầu E (MPa). Sausuất đạt đến đó, quan giá trị hệ ứng suấtcường độdạng và biến nén, có kýdạng hiệu phi fc (MPa), tương ứng với mô đun đàn hồi ban đầu E tuyến, tương với giai đoạn biến dạng mềm của vật liệu. Sự hư hỏng của vật liệu được xác định tương ứng với giai đoạn biến dạng (MPa). Sau đó, quan hệ ứng suất và biến dạng có dạng phi tuyến, g qua một đạimềmlượngcủavôvật liệu.kýSựhiệu hướng, hư là hỏng d, cócủa giá vật liệu được trị trong khoảngxáctừđịnh 0 đếnthông 1. Nếuqua một đại lượng vô hướng, ký hiệu là d, có giá trị trong khoảng từ 0 đến 1. Nếu d = 0 thì vật 0 thì vật liệu không bị hư hỏng, trong khi nếu d = 1 thì vật liệu bị hư hỏng hoàn toàn. liệu không bị hư hỏng, trong khi nếu d = 1 Tạp chí Khoa học Công tínhnghệ toánXây dựng,qua NUCE hệ2021 đun suy giảmthì củavật vậtliệu liệubị hư tính được hỏngtoán hoàn toàn. thông quaMô đun hệ số suysuy giảm giảm (1 –của vật liệu d) nhân với được thông số suy đun ban đầu E. giảm (1 − d) nhân với mô đun ban đầu E. Cường độ nén f’c (MPa) Biến dạng dẻo Mô đun E ban đầu Mô đun suy giảm (1-d)E Biến dạng (%) Hình Hình 4. Mô4.hình quanquan Mô hình hệ ứng hệ suất – biến ứng suất dạngdạng – biến của bê củatông bê [25]Hình5.5.Mô Hình Mô hình hình quanquan hệ ứng hệ ứng suất –suất biến–dạng biếncủa dạng cốt của thép tông [25] cốt thép Cốt thép (c) Bám dính giữa bê tông và cốt thép Khi thiết lập mô hình FEM, mô hình vật liệu MAT_024 (Piecewise Trong nghiên cứu Linear này, liên kết bám dính giữa bê tông và cốt thép được xem là l b. Cốt thép tưởng và sử dụng tùy chọn ticity Model) [26] đã được chọn để mô phỏng cốt thép, như minh họa trên Hình 5. Constrained_Lagrange_In_Solid trong phần mềm LS n hệ ứng suất – biến dạng của cốt thép có dạng tuyến tính khi ứng suất tăng từ 0 đếnphần tử bêLinear Khi thiết lập mô hình FEM, mô hình DYNA, vật để liệu khi mô MAT_024 hình các (Piecewise tông không cần trùng Plasticity với các[26] Model) nút của phần tử cố đã được rị giới hạn chảy. chọnđóđểlà mô Tiếp theo giai phỏng cốt chảy, đoạn thềm thép, ứngthép. như Điều minh suất này họa trong sẽthép khắc cốttrên phục5.được Hình không Quankhóhệ khăn khisuất ứng rời rạc – và chọn biến kích của dạng thước lưới phần tử cốt thép có dạng tuyến tính khi ứng suất trong tăng một từ 0hệđến kết giá cấu phức trị tạp hạn giới gồm chảy. nhiều cột Tiếpliêntheo kết với đó sàn là và cóđoạn giai nhiều loại cốt thép đổi, trong khi biến dạng tăng cho đến khi bị phá hoại. Mô hình này giả thuyết ứng được bố trí. Hình 6 minh họa mô hình liên kết tại nút giữa sàn phẳng và cột, trong đó éo và ứng xử nén của cốt thép là giống nhau. Các tham số sử dụng trong mô hình, phần tử cốt thép được “nhúng” vào phần tử bê tông. 136 gồm khối lượng thể tích γ = 7800 kg/m3, mô đun đàn hồi Es = 210 GPa, hệ số Poisson g 0,3, giới hạn chảy của thép fy = 380 MPa, biến dạng giới hạn lấy bằng 0,17.
Anh, Đ. K., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng thềm chảy, ứng suất trong cốt thép không thay đổi, trong khi biến dạng tăng cho đến khi bị phá hoại. Mô hình này giả thuyết ứng xử kéo và ứng xử nén của cốt thép là giống nhau. Các tham số sử dụng trong mô hình, bao gồm khối lượng thể tích γ = 7800 kg/m3 , mô đun đàn hồi E s = 210 GPa, hệ số Hình 5. Mô hình quan hệ ứng suất – biến dạng của cốt thép Poisson bằng 0,3, giới hạn chảy của thép fy = 380 MPa, biến dạng giới hạn lấy bằng 0,17. (c) Bám dính giữa bê tông và cốt thép c. Bám dính giữa bê tông và cốt thép Trong nghiên cứu này, liên kết bám dính giữa bê tông và cốt thép được xem là lí Trong nghiên cứu này, liên kết bám dính giữa bê tông và cốt thép được xem là lí tưởng và sử dụng tưởng và sử dụng tùy chọn Constrained_Lagrange_In_Solid trong phần mềm LS- tùy chọn Constrained_Lagrange_In_Solid trong phần mềm LS-DYNA, để khi mô hình các phần tử DYNA, để khi mô hình các phần tử bê tông không cần trùng với các nút của phần tử cốt bê tông không cần trùng với các nút của phần tử cốt thép. Điều này sẽ khắc phục được khó khăn khi thép. Điều này sẽ khắc phục được khó khăn khi rời rạc và chọn kích thước lưới phần tử rời rạc và chọn kích thước lưới phần tử trong một hệ kết cấu phức tạp gồm nhiều cột liên kết với sàn trong một hệ kết cấu phức tạp gồm nhiều cột liên kết với sàn và có nhiều loại cốt thép và có nhiều loại cốt thép được bố trí. Hình 6 minh họa mô hình liên kết tại nút giữa sàn phẳng và cột, được bố trí. Hình 6 minh họa mô hình liên kết tại nút giữa sàn phẳng và cột, trong đó trong đó phần tử cốt thép được “nhúng” vào phần tử bê tông. phần tử cốt thép được “nhúng” vào phần tử bê tông. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, NUCE 2021 Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, NUCE 2021 Khi lập mô hình FEM, việc lựa chọn kích thước lưới phần tử có thể ảnh hưởng đến Khi lập mô hình FEM, việc lựa chọn kích thước lưới phần tử có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả, cũng như thời gian tính toán. Để có cơ sở lựa chọn lưới phần độ chính xác của kết quả, cũng như thời gian tính toán. Để có cơ sở lựa chọn lưới phần tử, ba kích thước lưới đã được khảo sát lần lượt là 10x10x10 mm (dạng 1), 20x20x10 tử, ba kích thước lưới đã được khảo sát lần lượt là 10x10x10 mm (dạng 1), 20x20x10 mm (dạng 2) và 40x40x10 mm (dạng 3) ở khu vực xung quanh nút sàn - cột. Biểu đồ tải mm (dạng 2) và 40x40x10 mm (dạng 3) ở khu vực xung quanh nút sàn - cột. Biểu đồ tải trọng trọng –– chuyển chuyển vị vị tương tương ứng ứng với vớibabatrường trườnghợp hợptrên trênđược đượcgiới giớithiệu thiệu trên trên HìnhHình 7(a). 7(a). Những Những kếtkết quả thu được quả thu được cho6. Hình cho Hình thấy, 6.thấy, Mô khigiảm Mô phỏng phỏng khi giảm liên liên kếtkích kích kết cốt thước thép cốtthước thép với lưới lưới với bê phần bê tông phần tông từtừthìthì không không thaythay đổiđổi đáng đáng kể (d)kết kể quả. của Độ nhạy kết quả. Dolưới Do đó,phần đó, để tiết để tiết kiệmthời tử kiệm thờigian giantínhtínhtoántoánvàvàtàitàinguyên nguyên máymáy tính, tính, lưới lưới phần d. Độphần nhạytử có tửcủa kích có lưới thước kíchphần thước lớn hơn tửlớn hơnđã đãđược đượcchọn. chọn.Nghĩa Nghĩalà,là,bêbêtông tônglà là một một phần phần tử tử khốikhối có có sáu Khi mặt sáu lập mặtmôtám tám nútFEM, nút hình với kích với kích thước việcthước lựa chọn 40x40x10 40x40x10 kích thước 7mm, mm, cốt lưới cốt thép thép phần làphần tửlàcó phần thể tửtử ảnh mộtmột hưởng chiều chiều đếngồmđộgồmhaihaixác chính của nút, kết có có độ nút,quả, độ dài là 40 dàinhư cũng là 40 mm. thờimm. Hai gianHai mẫu tínhmẫu sàn sàn toán. phẳng Đểphẳng có cơ có cómũ sở lựamũcột cộtđãlưới chọn đãđược được phầnmômô phỏng phỏng tử, ba bằng bằng kích phần phần thước lưới đã mềm mềm LS-DYNA, LS-DYNA, ký ký hiệu hiệu làlàSP4-FEM SP4-FEMvà vàSP6-FEM, SP6-FEM,như nhưminhminh họahọa trên trên Hình Hình 7(b). 7(b). Hình 17. Mô hình sốsàn củaSP4-FEM hai mẫu sàn SP4 và SP6 (a) (a) (a) Biểu đồ tải trọng – chuyển vị Biểu Biểu đồ đồ tải tải trọng trọng ––chuyển chuyểnvịvị (b) Mô Hình (b) Mô (b) 17.Mô hình Môhình hìnhsàn sànSP4-FEM hình số của SP4-FEM vàsàn và hai mẫu SP6-FEM SP6-FEM và SP4 và SP6 SP6-FEM Hình 7.7.7. Hình Hình Phân Phântích Phân tíchđộ tích độ nhạy độnhạy lưới nhạylưới phần phần lưới tửtử phần tử 3.2. Kiểm chứng mô hình FEM 137 3.2. Kiểm chứng mô hình FEM Những kỹ thuật mô phỏng trình bày trong mục 3.1 được sử dụng để mô hình hai Những kỹ thuật mô phỏng trình bày trong mục 3.1 được sử dụng để mô hình hai mẫu sàn phẳng không mũ cột, ký hiệu là SP1 và SP3, trong một nghiên cứu thực nghiệm mẫu sàn phẳng không mũ cột, ký hiệu là SP1 và SP3, trong một nghiên cứu thực nghiệm của Trần Quốc Cường và cs. [27]. Các thông số hình học và cấu tạo vật liệu của hai mẫu
Anh, Đ. K., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng được khảo sát lần lượt là 10 × 10 × 10 mm (dạng 1), 20 × 20 × 10 mm (dạng 2) và 40 × 40 × 10 mm (dạng 3) ở khu vực xung quanh nút sàn - cột. Biểu đồ tải trọng – chuyển vị tương ứng với ba trường hợp trên được giới thiệu trên Hình 7(a). Những kết quả thu được cho thấy, khi giảm kích thước lưới phần từ thì không thay đổi đáng kể kết quả. Do đó, để tiết kiệm thời gian tính toán và tài nguyên máy tính, lưới phần tử có kích thước lớn hơn đã được chọn. Nghĩa là, bê tông là một phần tử khối có sáu mặt tám nút với kích thước 40 × 40 × 10 mm, cốt thép là phần tử một chiều gồm hai nút, có độ dài là 40 mm. Hai mẫu sàn phẳng có mũ cột đã được mô phỏng bằng phần mềm LS-DYNA, ký hiệu là SP4-FEM và SP6-FEM, như minh họa trên Hình 7(b). 3.2. Kiểm chứng mô hình FEM Những kỹ thuật mô phỏng trình bày trong mục 3.1 được sử dụng để mô hình hai mẫu sàn phẳng không mũ cột, ký hiệu là SP1 và SP3, trong một nghiên cứu thực nghiệm của Cuong và cs. [27]. Các thông số hình học và cấu tạo vật liệu của hai mẫu sàn này hoàn toàn tương tự như hai mẫu sàn SP4 và SP6, với điểm khác biệt duy nhất là không có mũ cột. Những kết quả thu được từ mô hình FEM được Tạpnghiệm, so sánh với số liệu thực chí Khoa học Công để kiểm chứng nghệ Xây và đánh giádựng, độ tin NUCE cậy của 2021 mô hình. Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, NUCE 2021 a. Quan hệ tải trọng - chuyển vị nhất nhấtkhoảng khoảng 10 Hình 8 giới %. %. Sau 10thiệu biểu đó, Sau quan đồ quan đó, quan hệhệ tải tải hệ trọng tải trọng ––chuyển - chuyển trọng chuyển vịvịthu vị thu được thu từ thíđược được từtừthíthí nghiệm và mô nghiệm nghiệm hình số.và và môĐốimô với hình mỗi sàn, là tương hai đường đối giống cong rất nhau trùng khớp khi chuyển trong chuyển vịvịtăng giai đoạn tăngtừtừ50 đầu 50đến tiên khi đến9090mm kết mmđốicấu chưa đốivớivới xuất hiện vết hình nứt, là vậttương liệu làmđốiviệcgiống đàn hồinhau tuyến khitính, tương ứng với chuyển vị nhỏ hơn 5 mm. sànsàn Tiếp theo, SP1 SP1 và và khi xuất 2 tăng hiệntừ tăng từ 38 các đến 38vết nứt80 đến bê mm 80 mm thì tông đối với đốiđộvới cứngsàn sàn SP3. SP3. giảm, Sàn kếtSàn SP1bịbịphá cấuSP1 chuyển pháhoại sang hoại giai tạitạitải đoạn tảitrọng làm trọng việc bằng phi bằng 1414 tuyến, quykN/m kN/m 2 luật (bao củagồm (bao gồmtải đường trọng cong tải bản bản thân) tải trọng trọng – chuyển thân) khivịcột khi cột C1 gầnC1nhưbịbị dịchthay không dịch chuyển chuyển từtừtừnhiên, đổi. Tuy từvào vàotrong phíaphíatrong trong giai dodo đoạn lựclực chuyểnkéokéo vị tăng phát từ triển5 đến 50 mm, sự chênh lệch về tải trọng giữa thí nghiệm và mô hình có thể được xác định, lớn phát triểnởởkhu khu vực vực giữa giữa sàn, sàn, gây gây mấtmất ổn nhất khoảng 10%. Sau đó, quan hệ tải trọng – chuyển vị thu ổnđịnh địnhvà vàdẫn dẫnđếnđếnsụp được từ sụpđổđổhoàn thí nghiệm hoàntoàn. và toàn. mô hình Trong Tronglà khikhi tương đó, sàn SP3 bị 2 2 (bao gồm tải trọng bản thân) do phá đó, đốisàn SP3 giống bị phá nhau khi hoại hoại tại pháchuyển tải trọng tải vị tăng trọng bằng từ 50 bằng đến 901818 mm kN/m kN/m đối với(bao gồmvàtải sàn SP1 tăngtrọng từ 38bản đếnthân) 80 mmdo đốiphá với hoại cắt tại các hoại cắt tại các vị trí sàn SP3. Sàn SP1 vịbịtrí đầu phá hoạicộttại C1 và C5, với các dấu hiệu đặc trưng là bê tông bị vỡ vàbịvà C1 tải và trọng C5, bằng với 14 các kN/m dấu 2 (bao hiệu gồm đặc tải trưng trọng bảnlà bê thân) tông khi bị cột C1vỡ dịch chuyển từ từ vào phía trong do lực kéo phát triển ở khu vực giữa sàn, gây mất ổn định và dẫn đến các cácvết vếtnứtnứtmở mở rộng rộng rất lớn [27]. [27]. NhưNhư vậy,vậy,quanquansát sáttrên trêncáccácbiểu biểuđồđồcócóthểthể nhận nhận xétxétrằngrằng sụp đổ hoàn toàn. Trong khi đó, sàn SP3 bị phá hoại tại tải trọng bằng 18 kN/m2 (bao gồm tải trọng mô mô hình bản thân)FEM hình FEM do phá có khả cóhoại khảcắtnăng tại cácmô tả đầu tả vị trí ứngcột ứng xử xử tải C1tải trọng C5, với––các vàtrọng chuyển chuyển dấu hiệu vịvịcủa đặc của haihaisàn trưng làsàn phẳng bêphẳng tông vỡthí bịthí nghiệm.Sự nghiệm. Sựchênh chênh lệchlệch về tải trọngtrọng lớn lớn nhất nhấtgiữagiữathíthínghiệm nghiệmvàvàmô môhình hình là là rấtrất nhỏ.nhỏ. (a) Sàn phẳng SP1 (b) Sàn phẳng SP3 (a) Sàn phẳng SP1 (b) Sàn phẳng SP3 (a) Sàn phẳng SP1 (b) Sàn phẳng SP3 Hình 8. So sánh quan hệ tải trọng - chuyển vị từ thí nghiệm và mô hình FEM Hình 8. So sánh quan hệ tải trọng - chuyển vị từ thí nghiệm và mô hình FEM Hình 8. So sánh quan hệ tải trọng - chuyển vị từ thí nghiệm và mô hình FEM (b) Biến dạng cốt thép 138 (b) Biến dạng cốt thép Trong hai mẫu sàn phẳng SP1 và SP3 không có mũ cột, biến dạng của cốt thép lớp Trong hai mẫu trên và lớp dưới sàn phẳng đã được đo đạcSP1bằngvàcáchSP3dánkhông phiến cóđiện mũ cột, biến trở tại mộtdạng của cốt số điểm điểnthép hìnhlớp
Anh, Đ. K., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng và các vết nứt mở (a) (a)Sàn Sàn rộng rấtphẳng phẳng SP1 SP1Như vậy, quan sát trên các(b) lớn [27]. (b) Sàn đồphẳng Sàn biểu có thểSP3 phẳng SP3 nhận xét rằng mô hình FEM có khả năng mô sánh Hình tả ứng xử tải trọng – chuyển vị của hai sàn phẳng thímô nghiệm.FEM Sự chênh lệch về Hình8.8.So So sánhquan quanhệ hệtải tải trọng trọng -- chuyển chuyển vị vị từ từ thí thí nghiệm nghiệm và và mô hình hình FEM tải trọng lớn nhất giữa thí nghiệm và mô hình là rất nhỏ. (b) Biến Biếndạng (b)dạng dạng cốt cốtthép thép b. Biến cốt thép Trong Trong Trong hai mẫuhai hai mẫu mẫu sàn sàn sànphẳng phẳng SP1 vàSP1 phẳng SP3và SP1 SP3 SP3 không vàkhông có mũcó không có mũ cột, mũbiến cột, biến biến dạng cột,dạng dạng của cốt cốt thép củathép của cốt thép lớp lớp và lớp lớp trên dưới trên trênvà đã vàlớp được lớpdưới đo dướiđã đạc đãđược bằngđượcđo cách đođạc dánđạcbằng bằng cách phiến cách dán điện dán phiến trở tạiphiến điện một điện trở số điểmtrở tại tại một điển một số hìnhsố điểm điểm điển như điển hình chỉ ra trên hìnhHình 9. Phiếnnhưđiện trởra(strain gage),9.kýPhiến hiệu BSG-1, dùng đểgage), khảo sát biến dạng của cốt thép lớp dưới gần với nhưchỉ chỉ ra trên trên Hình Hình 9. Phiến điện điện trở trở (strain (strain gage), ký ký hiệu hiệu BSG-1, BSG-1, dùngdùng để để khảo khảo sátsát vị trí mất cột. Phiến điện trở, ký hiệu TSG-13, được dùng để khảo sát biến dạng của cốt thép lớp trên biến biếndạng dạngcủa củacốt cốtthép théplớplớp dưới dưới gần gần với với vị vị trí trí mất mất cột. cột. Phiến Phiến điện điện trở, trở, ký ký hiệu hiệu TSG-13, TSG-13, ở gần với cột C3. được đượcdùng dùngđể đểkhảo khảosát sát Tạpbiến chí dạng biến dạng của Khoa của cốt học cốt thép Công nghệlớp thép lớp trên Xâytrên ởở gần dựng, gần với NUCE cột cột C3. với2021 C3. Tạpchí Tạp Tạp chíKhoa chí Khoahọc Khoa họcCông học Côngnghệ Công nghệXây nghệ Xâydựng, dựng,NUCE NUCE2021 NUCE 2021 2021 Hình 10 giới Hình giới thiệu thiệu biểu biểu đồ đồ quan quan hệ hệ biến biến dạng dạng cốt cốt thép thép -- chuyển chuyển vị sàn sàn thu thu được từ Hình1010 Hình 10giới giớithiệu thiệubiểu biểuđồđồquan quan hệ hệ biến biến dạng chuyểnvịvịvị thép -- chuyển cốt thép sànthu sàn thuđượcđược được từtừtừ thí nghiệm thí nghiệm và mô mô hình. hình. Quan Quan sátsát biểu biểu đồđồ trên trên các các Hình Hình 10(a)10(a) và và 10(c), 10(c), khi khi chuyển chuyển vị thí nghiệmvàvà thínghiệm vàmômôhình. hình.QuanQuansát sát biểu biểu đồđồ trên trên các Hình 10(a) 10(a) và và 10(c), 10(c),khi chuyểnvịvịvị khichuyển tăng tăng từ 40 đến 60 mm thì hai đường cong có sự chênh lệch lớn nhất về biến dạng khoảng tăngtừtừ tăng từ4040 đến6060mm 40đến mmthì thìhai thì haiđường hai đườngcong đường congcó cong cócósựsựchênh chênhlệchlệchlớn lệch lớnnhất lớn nhấtvề nhất vềvề biến biến biến dạng dạng dạng khoảng khoảng khoảng 30%. Sau 30%. Sau đó, đó, hai hai đường đường cong cong tương tương đối đối phùphù hợphợp nhau. nhau. Sự Sự chênh chênh lệch lệch tương tương đối đối lớn lớn về về 30%.Sau 30%. Sauđó, hai đường đườngcong congtương tương đốiđối phùphù hợp nhau. Sự Sự chênh chênh lệch lệchtương tươngđối đốilớn lớn vềvề biến biến dạng dạng cốt thép cốtthép théplớp lớp dưới giữa dướigiữa giữathí thí nghiệm thínghiệm nghiệmvà và vàmô mô môhìnhhình hìnhcó có thể được giải thích do nhiều biếndạng biến dạngcốt lớpdưới dưới giữa thí nghiệm và mô hình cócóthểthểđược thể đượcgiải được giải giải thích thích thích dodo do nhiều nhiều nhiều nguyên nguyên nhân, nhân,bao bao baogồm gồm gồmđộ độ chính độchính chínhxác xác xáccủa của củamô mô môhình,hình, hình,và và các sai số đo đạc do sàn làm việc nguyênnhân, nguyên gồm độ chính xác của mô hình, vàvàcáccácsai các saisố sai sốsốđođođođạc đạcdo đạc dodo sànsàn sàn làm làm làm việcviệc việc ởở trạng ở trạng thái trạng thái biến biến dạng dạnglớn lớnkèm lớn kèmtheo kèm theosự theo sựxuất sự xuấthiện xuất hiệnnhiều hiện nhiềuvết nhiều vếtnứt vết nứtphát nứt pháttriển phát triển triển trên trên trên mặt mặt mặt dưới dưới dưới ở trạng thái biến(a)dạng lớn kèm theo sự xuất hiện nhiều vết nứt (b)phát triển trên mặt dưới củasàn. của của sàn.Trong sàn. Trong (a) (a) khiSàn khiSàn Sàn đó, SP1 đó,SP1cáckết SP1 các các kếtquả kết quảtại quả tạivịvị tại vịtrí tríTSG-13 trí TSG-13của TSG-13 củacốt của cốt (b) cốtthép thép (b) thép Sàn Sàn lớp Sàn lớp lớp SP3 SP3 trên SP3 trên trên tương tương tương đối đối trùng trùng đối trùng của sàn. Trong khi đó, các kết quả tại vị trí TSG-13 của cốt thép lớp trên tương đối trùng khớp khớp nhau nhau giữa giữa thí thí nghiệm nghiệm và và mômô hình, hình, như như chỉ chỉ rara trên trên cáccác Hình Hình 10(b) 10(b) vàvà 10(d). 10(d). khớpnhau khớp nhaugiữaHìnhHình 9. 9.Các nghiệm thí Hình nghiệm Các vị và 9. Các trí vàmô vị vịmô trí khảokhảosát hình, khảo hình, trí sátnhư như sát biến biếnchỉdạng chỉ biến ratrên dạng ra dạng cốt trên cốt cốt cácthép cácthép thépHình trong Hìnhtrong trong 10(b) sànsàn 10(b) sàn và10(d). và 10(d). 99 (a) (a) SànSP1: (a) Sàn Sàn SP1:BSG-1 SP1: BSG-1 BSG-1 (b) (b) Sàn Sàn (b) SP1: SP1: Sàn TSG-13 SP1:TSG-13 TSG-13 (a)Sàn (a) SànSP1: SP1:BSG-1 BSG-1 (b)Sàn (b) SànSP1: SP1:TSG-13 TSG-13 (c) Sàn SP3: BSG-1 (d) Sàn SP3: TSG-13 (c) (c) Sàn SànSP3: SP3:BSG-1 BSG-1 (d) (d)SànSànSP3: SP3:TSG-13 TSG-13 (c) (c) Sàn Sàn SP3: SP3: BSG-1 BSG-1 (d) (d) Sàn Sàn SP3: SP3: TSG-13 TSG-13 Hình Hình 10. Hình 10. So 10.So sánh Sosánh quan quanhệhệ sánhquan hệ biến biến dạng dạng biến dạng cốt cốt thép thép cốt - -chuyển - chuyển thép vịvịsàn vị sàn chuyển từ từtừthí thí sàn thínghiệm nghiệm vàvà và mô nghiệm mô hình môhình FEM hình Hình Hình 10. 10. SoSo sánh sánh quan quan hệhệ biến biến dạng dạng cốt cốt thép FEM thép - - chuyển chuyển vịvị sàn sàn từ từ thí thí nghiệm nghiệm và và mô mô hình hình Hình 10 giới thiệu biểu đồ quan hệ biến dạngFEM cốt thép - chuyển vị sàn thu được từ thí nghiệm và FEM mô hình.(c) Dạng (c)Quan Dạngsát phá phá hoại biểu đồ trên các Hình 10(a)FEM hoại và 10(c), khi chuyển vị tăng từ 40 đến 60 mm thì hai (c)Dạng (c) Dạngphá pháhoại hoại Một trong Một trong các cáctiêu tiêuchí chíquan quantrọng trọngkhikhi đánh giá độ tin cậy của mô hình FEM, đó là 139 đánh giá độ tin cậy của mô hình FEM, đó là khảMộtMột mô năng trong cáctiêu phỏng tiêu dạng chí quan phá hoạitrọng củakhikhiđánh kết đánhthí cấu giá độtin nghiệm. tincậy cậycủa Trong củanghiên môhình hình cứuFEM, đólàlà này, đó hai khả năngtrong các mô phỏng chí dạng quan trọng phá hoại của kết cấugiá thí độ nghiệm. Trongmô FEM, nghiên cứu này, hai khả khảmẫu năng sàn năng mô phẳng phỏng SP1 dạng và SP3 phá đềuhoại bị của phá kết hoại cấu ở thí trạng nghiệm. thái chuyển Trongvị, nghiên trong cứu khoảng này, 80 –hai mẫu sànmô phỏng phẳng SP1dạngvà SP3phá đều hoạibịcủa phákết cấuở thí hoại nghiệm. trạng Trong vị, thái chuyển nghiên trongcứu này, 80 khoảng hai – mẫu mẫu90 mm,sànphẳng sàn phẳngSP1 tương SP1với ứng vàvàSP3 4SP3 đềubị – 4,5% đều bịphá chiềuphádàihoại hoạinhịp ở ởtrạng trạng của thái(lchuyển ô thái sàn chuyển = 2000vị, vị,trong mm). trong Dạng khoảng phá hoại khoảng 8080–– 90 mm, tương ứng với 4 – 4,5% chiều dài nhịp của ô sàn (l = 2000 mm). Dạng phá hoại
Anh, Đ. K., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng đường cong có sự chênh lệch lớn nhất về biến dạng khoảng 30%. Sau đó, hai đường cong tương đối phù hợp nhau. Sự chênh lệch tương đối lớn về biến dạng cốt thép lớp dưới giữa thí nghiệm và mô hình có thể được giải thích do nhiều nguyên nhân, bao gồm độ chính xác của mô hình, và các sai số đo đạc do sàn làm việc ở trạng thái biến dạng lớn kèm theo sự xuất hiện nhiều vết nứt phát triển trên mặt dưới của sàn. Trong khi đó, các kết quả tại vị trí TSG-13 của cốt thép lớp trên tương đối trùng khớp nhau giữa thí nghiệm và mô hình, như chỉ ra trên các Hình 10(b) và 10(d). c. Dạng phá hoại Một trong các tiêu chí quan trọng khi đánh giá độ tin cậy của mô hình FEM, đó là khả năng mô phỏng dạng phá hoạiTạp Tạp củachí chí Khoa kết Khoa học Công nghệnghiên Xây dựng, NUCE 2021 Tạp chícấu Khoa thíhọc nghiệm. học CôngTrong Công nghệ nghệXây Xâydựng, cứu NUCE dựng, này, hai2021 NUCEmẫu 2021sàn phẳng SP1 và SP3 đều bị phá hoại ở trạng Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng, NUCE 2021 với 4 – 4,5% chiều dài thái chuyển vị, trong khoảng 80 – 90 mm, tương ứng những nhịp củavịôtrí sànđó = 2000 (l trên mômm). hìnhDạngsố, trạng phá hoạitháiđặcphá hoại trưng bởiđược sự hình đặc trưng thành cácbởi chỉ trên vết nứt số hư hỏng bề mặt những dưới vàvịvị những bềtrí trí mặtđóđó trên trêntrên củamôcáchình mô hình số, ô sàn. số, Tạitrạng trạng thái các núttháiphá liên kếthoại phá hoạiđược giữa được sàn vàđặc đặctrưng các C1,bởi trưng cột bởichỉ C3, sốsốhư chỉC5, và bêhưhỏng hỏng tông đã tăng những từTương vị0tríđếnđó 1, trêntương ứng mô hình với số, thang trạng màu thái pháthay hoại đổi được từđặc màu xanh trưng bởiđậm chỉ đến số hưmàuhỏng đỏ.sốDo tăng tăngtừtừ00đến bị vỡ. đến1,1,tương ứng tươngứng tại những ứngvới vị vớithang trí đó thangmàu trên mômàuthay hình thayđổi số, đổitừtừmàu trạng tháimàuxanh phá xanhđậm hoại đậmđến được đặcđếnmàu màuđỏ. trưng bởi đỏ.Do chỉDo tăng đó, hư hỏngtừ 0một khi đếnphần tăng từ1,0 tương đến ứng tử1,bêtương tôngvới ứng thang trong màu mô với thang hìnhthay màu bị đổi thayphá từhoại, đổi từmàu màuthìxanhnó đậm xanh có chỉ đậm đếnsố đến màu màu hưđỏ.đỏ.DoDo hỏng bằng đó, khi 1, đó, đó, khi khi một một phần phần tử bê tông trong mô hình bị phá hoại, thì nó có chỉ số hư hỏng bằng 1, đó, vàmộtbịkhi một xóa phần phần khỏi tử bê mô tôngtửtửhình bêbêtông trong tông môtrongtrong (element hình mô bị mô hình hình erosion). phá hoại, bị nó bịthì phá Các phá cóhoại, hoại, hình chỉthì ảnh thì sốnóphá hư nó có có bằng chỉ hoại hỏng chỉhư số sốhỏng hư thu1,được và bịhỏng bằng từ bằng 1, xóathíkhỏi nghiệm mô1, vàvà bịbịxóa xóakhỏi mô khỏierosion). hình môhình hình (element (element erosion). erosion). Các Các hình hìnhtừảnh ảnh phá phá hoại thuthuđược từtừthí thínghiệm và và hình bị mô (element xóa khỏi hình mô được giới Các hình ảnh (element thiệu và phá hoạiCác erosion). so sánh thu trên được hình Hình ảnh thí 11. phá hoạihoại nghiệm và thumô được được hìnhtừđược giới thí nghiệm nghiệm thiệu và và mô hình được giới thiệu và so và mô hình được giới thiệu và so sánh trên Hình 11. so sánh trên Hình 11. sánh trên Hình 11. và mô hình được giới thiệu và so sánh trên Hình 11. (a) Mặt (a)Mặt trênsàn Mặttrên sàn sàn SP1 SP1 (b)(b)(b) Mặt Mặt trên trên sàn sànSP1-FEM SP1-FEM sànSP1-FEM (a) trên SP1 (b) Mặt trên sàn (a)Mặt Mặttrên trênsàn sànSP1 SP1 Mặt (b) trên Mặt sàn trên SP1-FEM SP1-FEM (c) (c) MặtMặtdưới dưới sàn SP1 (d)(d) Mặt dưới sàn SP1-FEM (c)Mặt Mặtdưới dướisànsànSP1 Mặt (c) sàn SP1 (d)dưới Mặt sàn dưới SP1-FEM sàn SP1-FEM (c) Mặt dưới sàn SP1 SP1 (d) (d) Mặt Mặt dưới dưới sàn sàn SP1-FEM SP1-FEM Hình 11. So Hình 11. So sánh các hình ảnh phá hoại sàn giữa thí nghiệm và mô hình FEMFEM sánh các hình ảnh phá hoại sàn giữa thí nghiệm và mô hình Hình Hình11.11.So sánh cáccáchình hìnhảnh ảnhphápháhoại hoạisànsàn giữa giữathíthínghiệm nghiệm và vàmômô hình FEM hình FEM So sánh các hình ảnh phá hoại sàn giữa thí nghiệm và mô hình FEM Như vậy, việc kiểm chứng mô hình số đã được thực hiện trên hai mẫu sàn phẳng Như Như Như vậy, vậy, vậy, việc việc kiểm kiểm chứng kiểm chứng mô hình chứng mô sốhình mô sốsố đã được hình đãthực đãđượchiệnthực được trên hiện thực trên hai mẫu hiện sànhai trên mẫu phẳng hai sànsàn không mẫu phẳng mũ cột, phẳng không dựa mũ trên cột, các tham việc dựasố kiểm trên chính các đặcchứng tham trưng sốmô cho hình chính ứng xử số đặc cơ đã trưng học được củacho thực sàn ứng phẳng hiện xử cơtrên như học biểu hai của đồ mẫu sàn tải sàn phẳng trọng – phẳng chuyển không không mũ cột, dựa trên các tham số chính đặc trưng cho ứng xử cơ học của sàn phẳng như biểumũ không đồcột, dựa trên tải trọng các tham các – chuyển tham số chính số vị, biểu chính đồ đặc đặc biến dạng trưng trưng cốt chochoứng thép –ứng xửcơ xử chuyển cơ học vịhọc và củacủasàn hình sànphẳng dạng phẳng như biểu đồ tải trọng – chuyển vị, biểu đồ biến 140 dạng cốt thép – chuyển vị và hình dạng như phá biểu Những nhưhoại. đồ tải trọng kết quả chuyển – chuyển chỉ ra rằngvị,các vị, biểu biểu mô đồhình đồ biếnFEM biến dạng dạng cốt đãcốtxây thép thép dựng––chuyển chuyển đảm bảovịvị độvàvà hình hình tin cậydạng dạng phá hoại. Những kết quả chỉ ra rằng các mô hình FEM đã xây dựng đảm bảo độ tin cậy phá và hoại.xác pháchính Những để môkết chỉ quả chỉ phỏng ứngraraxửrằng rằng cácmô phi các tuyếnmô hình hình của FEM sànFEM phẳng đãđãBTCT. xâydựng xây dựng Từ đảm đó,đảm bảobảođộđộ nghiên tintincậy cứu cậy và chính xác để mô phỏng ứng xử phi tuyến của sàn phẳng BTCT. Từ đó, nghiên cứu được và mở rộng và chính xác đểtrênmôhaiphỏng mô hình phỏng ứng ứng sànxửphẳng xử SP4-FEM phi tuyến phi tuyến củasàn của và phẳng sàn SP6-FEM phẳngBTCT. có mũ BTCT. TừTừcột, để đó, đó, khảo cứu nghiên nghiên cứu được mở rộng trên hai mô hình sàn phẳng SP4-FEM và SP6-FEM có mũ cột, để khảo
TạpTạp chí Khoa Anh,chí K., học Đ. Khoa Công học và cs. / Tạp nghệ Công chí Xây nghệ Khoa dựng, Xây học NUCE dựng, Công nghệ NUCE Xây 2021 dựng2021 vị, biểu đồ biến dạng cốt thép – chuyển vị và hình dạng phá hoại. Những kết quả chỉ ra rằng các mô 1.6m và 2m. hình1.6m FEM và Việc đã2m. xây bố đảm Việc dựng trí bố cốt trí bảothép cốt trong độthép tin mũchính trong cậy và cột cột mũ đối với xácđối cácphỏng với để mô trường các ứnghợp trường khảo xửhợp phi sát của khảo tuyến nàynày sát được sàn được phẳng thực BTCT. hiện thực bằng Từhiện đó, cách bằng nghiên là giảm cách cứu là giảm được khoảng mở rộng cách khoảngtrêncáchgiữa hai các giữa mô thanh các hình cốt cốt thanh sàn phẳng thép, tương thép, SP4-FEM vàứng tương 123123 ứng SP6-FEM mm, cómm, mũ cột,100 100 để mm khảo và sát mm và các 80 80 tham mm mm số với so với so ảnh hưởng cách đến bố trí cách bố trísức cốt kháng thép cốt mũsụp thép cộtđổ mũ của được cột loạitrình trình được sàn bàynày. trêntrên bày Hình 12. 12. Hình (a) Mặt bằng cốt thép lớp dưới (b) Mặt bằng cốt thép lớp trên (c) Mặt cắt 3-3 4. Nghiên cứu tham số 4.1. Hàm lượng cốt thép mũ cột Trường hợp khảo sát thứ nhất, ký hiệu “1 m”, cốt thép mũ cột được bố trí giống nhau theo hai Hìnhnhư phương là Φ6@160, 3. minh Kích họa thước trênvàHình cấu12. tạoHàm cốt thép lượngcủa cốtmẫu thépsàn đượcphẳng SP6và thống kê trong tính toán Bảng 1. Tiếp theo, ba mô hình đã được phát triển để tăng hàm lượng cốt thép trong mũ cột thêm 30%, 60% và 100%, ký hiệu lần lượt là 1,3 m, 1,6 m và 2 m. Việc bố trí cốt thép trong mũ cột đối với các trường hợp khảo sát này được thực hiện bằng cách là giảm khoảng cách giữa các thanh cốt thép, tương ứng 123 mm, 100 mm và 80 mm so với cách bố trí cốt thép mũ cột được trình bày trên Hình 12. Hình 12. 12. Hình ChiChi tiếttiết cấucấu tạo tạo nútnút giữagiữa sànsàn và mũ cột cột và mũ Hình 13 giới Hình 13 giớithiệu cáccác thiệu biểubiểu đồ tải đồ trọng tải trọng – chuyển – chuyển vị của vị củahai hai mẫumẫu sànsàn phẳng phẳng có mũcó mũ SP4SP4và SP6, và SP6,vớivớicáccáchàmhàm lượng khác lượng khácnhaunhauđốiđốivớivớicốt cốt thépthép trong mũmũ trong cột.cột. NhữngNhững kết kết quảquả thuthu được chỉ chỉ được ra rằng, ra rằng, khikhi tăngtăng hàmhàm lượnglượngcốt cốt thépthép thì thì biểubiểu đồ tải đồ trọng – chuyển tải trọng – chuyển vị gầnvị gần 2 2 nhưnhưkhông thaythay không đổi,đổi,đặcđặc biệtbiệt đốiđốivớivớigiaigiai đoạn tải trọng đoạn tải trọngtăngtăng từ 0từ– 010,4 kN/m – 10,4 kN/m trêntrên sànsàn 2 2 SP4-FEM, SP4-FEM, tăngtăngtừ 0từ–016,0 – 16,0kN/mkN/m trêntrên sànsànSP6-FEM, SP6-FEM, và tương và tương ứngứngvớivới chuyển chuyểnvị tăng vị tăng từ 0từ–020– mm. 20 mm. NếuNếu giả giả thiếtthiết chuyển chuyển vị tới hạnhạn vị tới là 150 mm, là 150 mm,tươngtươngđương đương7,5%7,5%chiều dài dài chiều Hình nhịpnhịp của ô 12. của ô Chi sàn sàn Hình =tiết (l 12. =cấu (l2000 Chi 2000 tạo tiếtmm),nút cấumm), giữa tạothì sức nútthì sàn sức giữa và kháng sàn vàmũ kháng mũcột sụp sụp cột (mặt đổ cắt củacắt đổ (mặt hai của 4-4 4-4 sàn hai trong này sàn trong các2 hình được này Hình được và dự2dự 3) và báo báo 3)lần lần 2 2 2 2 lượtlượt là khoảng là khoảng 18 18 kN/m kN/m và 22 và 22kN/m kN/m . Độ . Độchênh +chênh lệchlệch về sức về sứckhángkhángsụpsụp đổ đổgiữagiữacáccác Hình 13 giới thiệu các biểu đồ(Update tải trọngHình 12 – chuyển Tên vị củaHình) hai mẫu sàn phẳng có mũ SP4 và SP6, trường hợphợp với trường các hàm khảo lượng sát sát khảo khác lànhau nhỏ. Dovới là nhỏ. đối Dođó, có cốtđó, thể kết kết cótrong thép thể luận mũ luậnrằng, cột. hàmhàm rằng, Những lượng kết cốtđược lượng quả thu thépthép cốt trong chỉ mũmũ ratrong rằng, khi cột chỉ tăngcột hàmcần chỉ bố cốt cần lượng trí bố đểtrí đảm thép đểthìđảmbảobảo biểu khả đồ năng khả tải kháng năng trọng kháng – chuyển chọc thủng vịchọc gần thủng như và ảnh và ảnh không hưởng thay đổi,không hưởng biệtđáng đặckhông đốiđáng kểgiai với kể đếnđến ứngứngxử xửcủacủasànsàn phẳng. phẳng. 2 (a)(a)(a) SànSàn SP4-FEM SP4-FEM Sàn SP4-FEM (b) Sàn SP6-FEM (b) (b) Sàn SP6-FEM Sàn SP6-FEM Hình 13.Hình Hình Biểu 13. đồBiểu Biểu 13. tải trọng đồ đồ tảitải - chuyển trọng trọng vị vịkhi --chuyển chuyển thay vịkhikhi đổi thay thay hàmhàm đổi đổi hàm lượng lượng cốt cốt lượng thép thépcốt mũmũ mũthép cột cột cột 4.2.4.2. Cường độ chịu Cường nénnén độ chịu củacủa bê tông bê tông 141
TạpTạp chí chí KhoaKhoa họchọc CôngCông nghệnghệ XâyXây dựng, dựng, NUCE NUCE 20212021 HìnhHình 14 giới 14 giới thiệuthiệu cáccác Anh, K.,biểu biểu Đ. độ độcs.quan và quan / Tạp hệ hệ trọng tải chí Khoa tải họctrọng - chuyển - chuyển Công nghệ Xâyvịdựngvị của của hai mẫu hai mẫu sàn sàn phẳng phẳng đoạncótảimũ có mũ SP4 SP4 trọngvàtăngvà từ SP6, SP6, để để 0 –khảo 10,4khảo sát sát kN/m 2 cường độ chịu nén của bê tông tăng từ cườngtrên độsànchịu nén của SP4-FEM, tăng bêtừtông tăngkN/m 0 – 16,0 18 30-sàn từ 182 -trên 30 SP6-FEM, MPa. MPa.Có Có và thể thểtương nhận nhận thấy, ứng thấy, vớikhi khi chuyển chuyển chuyển vị tăng vịtừnhỏ vị nhỏ 0 – hơn hơn 2050mm.50 mm, mm, các các Nếu đường giả đường thiết cong cong chuyển tảitớitrọng tảivịtrọng – chuyển – chuyển hạn là 150 vị mm, vịtương gần gần = nhưnhư trùng nhau, nghĩa là cường độ nén bê tông ảnh hưởng không đáng kể đến khả năng đương 7,5% chiều dài nhịp của ô sàn (l 2000 mm), thì sức kháng sụp đổ của hai sàn này được dự trùng nhau, nghĩa là cường 2 độ nén bê2tông ảnh hưởng không đáng kể đến khả năng báo lần lượt là khoảng 18 kN/m và 22 kN/m . Độ chênh lệch về sức kháng sụp đổ giữa các trường chịuchịu lựclực trongtrong giai đoạn này, với độ chênh lệchlệch vềtrọng tải trọng nhỏ hơn 2%. Trong giai đoạn hợp khảo sát là giai nhỏ. đoạn Do đó, này, có với thể kếtđộ chênh luận rằng, về tải hàm lượng cốtnhỏthéphơn trong 2%. mũTrong cột chỉgiai cầnđoạn bố trí để tiếptiếp đảm bảotheo, theo, nhiều khả nhiều năng vết vết nứtnứt kháng xuấtxuất chọc hiện, thủng hiện, độ và ảnhđộ cứng cứng suysuy hưởng giảm khônggiảm vàđáng vàkể sàn sàn phẳng đếnphẳng chuyển ứng chuyển xử của sànsang sang giai giai phẳng.đoạnđoạn làmlàmviệcviệc phiphi tuyến. tuyến. KhiKhi chuyển chuyển vị càng vị càng lớn lớn thì các thì các đường đườngcong cong có xu có hướng xu hướng chênhchênh lệchlệch 4.2.nhiều Cường độ hơn. chịu Tương nén của tự nhưbê tông đã phân nhiều hơn. Tương tự như đã phân tíchtíchở mục ở mục4.1,4.1, nếunếu giả giả thiếtthiết chuyểnchuyển vị hạn vị tới tới hạn là 150 là 150 2 của hai mẫu sàn phẳng có mũ SP4 và mm, mm, thì thì Hình sànsàn 14 SP4SP4 giới chịuchịu thiệu các được biểu được độ tải trọng quan tải trọng hệ bằng bằng tải 15,915,9 trọng - kN/m chuyển kN/m 2 khi khi vị bê tông bê tông có cường có cường độ nén độ nén đặc đặc SP6, để khảo sát cường độ chịu nén của bê tông tăng từ 18 - 30 MPa. Có thể nhận thấy, khi chuyển trưng trưng là 18 là 18 MPa, MPa, trongtrong khikhiđó nếuđó nếu cường cường độ nén độ nén tăngtăng từ 22 từ –2230– MPa 30 MPa thì trọng thì tải tải trọng tới tới vị nhỏ hơn 50 mm, các đường cong tải trọng – chuyển vị gần 2như trùng nhau, nghĩa là cường độ nén bê hạn hạntông gần gầnảnh như nhưgiống hưởng giốngnhau, không nhau, đáng khoảng khoảng kể đến18,1khả18,1– 18,2 năng –chịu 18,2 kN/m kN/m lực 2 . Do.giai trong Do đó, sức sức đó,đoạn kháng này, kháng với của của sàn sàn độ chênh lệchphẳng phẳng về tải SP4SP4 trọng nhỏtăng tăng hơn khoảng khoảng 13,8% 2%. Trong 13,8% giai khi tăngtăng khiđoạn cường tiếp cường theo, độ độ tông bê nhiều bê tông vết từxuất nứt 18từ lên 18 hiện,lên 30 30độMPa. cứngMPa. suy giảm và sàn phẳng chuyển sang giai đoạn làm việc phi tuyến. Khi chuyển vị càng lớn thì các đường cong có xu hướng Tươngtự, tự, đối với sànsàn SP6 sử dụng bê tông có cường nén độ nén 18 MPa, tải trọng tới chênh Tương lệch nhiều đối hơn.với Tương SP6 tự nhưsửđãdụng phânbê tông tích có cường ở mục 4.1, nếuđộgiả 18chuyển thiết MPa, tải trọng vị tới hạntới là 150 2 2 hạnhạn mm, thì bằng bằng 21,7 sàn 21,7 SP4kN/mkN/m chịu 2 tương được tương tải ứng ứng trọng với với bằng chuyển chuyển 15,9 vị2 150 vị 150 kN/m mm, khi mm, bê và tông vàcó có cócường thể thể đạt đạt giá giá độ trị trị đặc24,6 nén24,6 kN/m kN/m trưng 2 là 18 nếunếu MPa,cườngcường trong độ độ khi đó nén nénnếu bê tông bê cường tông độ sàn sàn bằng nén bằng tăng 3022MPa. 30từMPa. – Sức Sức 30 MPa kháng kháng thì sụp sụp đổ đổ của tải trọng tới của sàn sàn hạn SP6SP6 gần được như được tăng tăngnhau, giống 2 khoảng lênlên 18,1 –13,4%. khoảng khoảng 18,2 kN/m 13,4%. ẢnhẢnh.hưởng Dohưởng đó, của sứccủa kháng của cường cường độ sàn phẳng độ tông bê bê tôngSP4đến đến tăng sức khoảng sức khángkháng 13,8% sụp sụp đổ là khi đổ tăng là đáng cường đáng kể kể độ bê tông từ 18 lên 30 MPa. hơnhơn so với so với ảnhảnh hưởng hưởng củacủa hàmhàm lượng lượng cốt cốt thépthép trong trong mũ mũ cột.cột. (a)(a)(a) SànSàn SP4-FEM SP4-FEM Sàn SP4-FEM (b)(b)Sàn (b) Sàn Sàn SP6-FEM SP6-FEM SP6-FEM Hình 14.14. Hình Biểu Hình đồBiểu Biểu 14. tải đồ trọng tải đồ tải - chuyển trọng trọng vị khi - -chuyển chuyển thay vịkhi vị khi đổi thay thay cường đổiđổi độđộ cường cường chịu độnén chịu nén chịu của củanén bê tông của bê tông bê tông 4.3.4.3. CácCác Tươngkịch bảnbản tự,kịch đối mấtsàn với cộtSP6 mất cột sử dụng bê tông có cường độ nén 18 MPa, tải trọng tới hạn bằng 21,7 kN/m2 tương ứng với chuyển vị 150 mm, và có thể đạt giá trị 24,6 kN/m2 nếu cường độ nén bê Hình 15(a) Hình trình 15(a) bàybày trình nămnăm kịchkịch bảnbản mấtmấtcột cột có thể xảyxảy có thể ra, đó ra, là đómất cột trong là mất (CT), cột trong (CT), tông sàn bằng 30 MPa. Sức kháng sụp đổ của sàn SP6 được tăng lên khoảng 13,4%. Ảnh hưởng của mấtmất cườngcột biên độcột giữa bê biên tông đến(CBG), giữasức mấtsụp (CBG), kháng cộtđổcột mất góc (CG), góc là đáng kể mất (CG), cộtvới hơnmất so biên cột cận biên ảnh góccủa cận hưởng (CBCG), góc (CBCG), hàm lượngvàcốt mất cộttrong vàthép mất cột trong mũ cột.cậncận trong gócgóc (CTCG). (CTCG).Trong phần Trong này,này, phần nămnămmô mô hìnhhình FEM FEMđã được đã đượcphátphát triểntriển cho cho nămnăm sànsàn phẳng phẳngcó cómũmũ cột cột vớivới cột cột bị mất tương bị mất ứngứng tương với với các các kịchkịch bảnbản kể trên. CácCác kể trên. biểubiểu đồ đồ 4.3. Các kịch bản mất cột quan hệ -hệtải- tải quan trọng chuyển trọng vị thu chuyển được vị thu từ phân được tíchtích từ phân mô môhìnhhình được giớigiới được thiệu trêntrên thiệu HìnhHình Hình 15(a) trình bày năm kịch bản mất cột có thể xảy ra, đó là mất cột trong (CT), mất cột biên 15(b), chocho 15(b), phép so sánh phép so sánhkhảkhả năng chịuchịu năng lực lực giữagiữa các các sàn.sàn. Có Cóthể thể nhậnnhận thấy, khi khi thấy, tải trọng tải trọng giữa (CBG), mất cột góc 2 2 (CG), mất cột biên cận góc (CBCG), và mất cột trong cận góc (CTCG). tăng Trongtừ tăng 0 – 10 từ 0này, phần kN/m – 10 nămkN/m, tương ứng , tương mô hình FEMứngvới chuyển với chuyển đã được vị nhỏ trong vị cho phát triển nhỏnăm khoảng trong 0 sànkhoảng – 6,75 0 –mũ phẳng có mm, 6,75 cộtmm,thì vị với cộtthìtrí bịvịmất trí 142 13 13
Tạp chí Anh,Khoa Tạp Đ. K., học chí Khoa và cs.Công nghệ / Tạp chí học Công KhoaXây dựng, học Công nghệ Xây NUCE nghệ dựng, 2021 Xây dựng NUCE 2021 tương ứng với các kịch bản kể trên. Các biểu đồ quan hệ - tải trọng chuyển vị thu được từ phân tích mô hình cột bịđược mất giới thiệu gầngầnnhư trên ảnh Hình hưởng 15(b), cho phép không đáng sokểsánh đếnkhảứng năng xửxửchịu cơcơ lực giữa học trên các sàn. tham Có thểsố nhận cột thấy, bị khi mất tải trọng như tăng từảnh 0 –hưởng 10 kN/m không 2 , tương đáng ứng kể với đến chuyểnứng vị nhỏ học trong trêncảcảhai khoảng 0 hai – tham 6,75 mm, sốlà thìlà 2 2 tải trọng vịtải trí trọngvà chuyển và chuyển cột bị mất vị. gần như ảnh Khi tải vị. hưởng Khi tải trọng trọng không lớn hơn lớnkểhơn đáng 10 kN/m 10 kN/m đến ứng , xử cơ họcthì hai , thì sàn haicả sàn trên bị mất bị mất hai tham CBCG số làCBCG và tải trọngvà CTCG vàCTCG có có chuyển chuyển vị.chuyển vị trọng Khi tải lớnlớn vị hơnhơn lớn đáng hơn 10kể đáng (độ(độ kể kN/m 2cứngcứng , thì nhỏ hai nhỏ sàn hơn) bịhơn)soso mất với CBCGvớinhóm nhóm và CTCGbabasànsàn có còn cònlạilại(mất chuyển vị(mất lớn CT, hơn CT,CBG đáng CBG và và kể CG). (độ CG).Ứng cứng nhỏ Ứng xửxửcủacủa hơn) so baba với sànsàn nhóm nàyba này chỉchỉ sàn bắtbắt còn đầu lại xuất (mất đầu CT, xuấthiện CBG hiệnsựsự và phân CG). tán khi tải trọng Ứng xử của ba 2 phân tán khi tải trọng sàn này chỉ bắt đầu xuất hiện sự2phân tán khi tải trọng lớn hơn khoảng 15 kN/m . lớnlớn hơn khoảng hơn 1515 khoảng kN/m . . kN/m 2 (a) Vị trí cột bị mất (b) Tải trọng – chuyển vị (a)(a) VịVịtrí trí cộtcộtbị bị mấtmất (b)(b) Tải Tảitrọng trọng – chuyển – chuyểnvịvị Hình 15.15. Hình SoSo Hìnhsánh Soquan 15.sánh quan sánh hệhệ quantải trọng hệtải tải trọng- -chuyển trọng -chuyển chuyểnvịvịkhi khi vị thay khi thay đổi thay đổi vị đổi trí vị trí vị mất trímất cột mấtcột cột Để Bảng sánh2.sức so Bảng Khả 2. Khảnăng kháng sụpchịu năng chịu đổ lựclực giữa của cáccủanăm kịch nămtrường bản trường mất hợp cột, hợp mất chuyểnmất cộttớitạihạn vị cột tạichuyển của sànvịcũng chuyển vị150 150 mm đượcmm giả thiết là 150 mm. Khi đó, tải trọng giới hạn của sàn bị mất CTCG có giá trị nhỏ nhất bằng 16,1 kN/m2 , tiếp theo sàn bị mất cột CBCG TảiTải trọng trọng chịu tạitại đượcchuyển tải trọngvị16,5 chuyển 150 vị 150mm kN/mmm2 . Tải Tỷ Tỷ trọngsốgiới số sosovới sàn với hạn sàn của mất sàn bịCT mất CTCT mất cóVị giátrítrịtrí Vị cột lớnbị cột mất bị nhất, mất 2 bằng 23,4 kN/m . Trong khi đó, hai sàn bị mất CBG, CG chịu được tải trọng giới hạn tương đương nhau, nămKý Ký hiệu trong hiệu khoảng trungKếtKết quảquả gian (kN) (kN) từ 21,5 - 21,8Ký Kýhiệu kN/m hiệu 2 . NhữngKếtKếtquả kết quả(kN) quả (kN) này cho phép nhận định rằng, trường hợp mất CTCG là kịch bản nguy hiểm nhất đối với sàn phẳng có mũ cột, do Cột Cột trong sức trong sụp đổ giảm nhiều kháng PCTPnhất CT (31,2%) so23,4 23,4 với những trườngPhợp PCT CT /P /PcònCTCTlại như được 1 bày 1 trình trong Bảng 2. CộtCột biên biên giữa giữa PCBG PCBG 21,8 21,8 PCBG PCBG /P/P CTCT 0,932 0,932 Bảng 2. Khả năng chịu lực của năm trường hợp mất cột tại chuyển vị 150 mm CộtCột gócgóc PCG PCG 21,5 21,5 PCG PCG /P/P CTCT 0,912 0,912 Tải trọng tại chuyển vị 150 mm Tỷ số so với sàn mất CT CộtCột biên Vị biên trí cậncận cột góc bịgóc mất PCBCG PCBCG 16,5 16,5 PCBCG PCBCG /P/P CTCT 70,5 70,5 Ký hiệu Kết quả (kN) Ký hiệu Kết quả (kN) CộtCột trong trong Cột cậncận tronggócgóc PCTCG PPCTCG CT 16,1 16,1 23,4 PCTCG PPCTCG CT /P/PCT/P CTCT 68,8 68,8 1,000 Cột biên giữa PCBG 21,8 PCBG /PCT 0,932 ĐểĐểso so Cột gócsánh sánh sứcsức kháng kháng CGsụp Psụp đổđổ giữa giữa cáccác kịch kịch 21,5 bảnbản mất mất Pcột, cột, /Pchuyển CGchuyển CT vịvịtớitớihạn hạncủa 0,912 củasàn sàn cũng cũngCột được biêngiả được giả cận thiết góc thiết là là 150150 PCBCG mm.mm. Khi Khi đó,đó, tảitải 16,5trọng trọng giới giới hạnhạn Pcủacủa CBCG /Psàn sàn CTbịbịmất mấtCTCGCTCG 70,500cócógiágiá Cột trong cận góc PCTCG 2 2 16,1 PCTCG /PCT 68,800 trị trị nhỏnhỏnhấtnhất bằng bằng 16,1 16,1 kN/m kN/m , tiếp , tiếp theo theo sànsàn bị bị mấtmất cộtcột CBCGchịu CBCG chịuđược đượctảitảitrọng trọng16,5 16,5 2 2 kN/mkN/m2 . Tải . Tải trọng trọng giới giới hạn hạn củacủa sànsàn bị bị mất mất CTCTcócógiágiátrịtrị lớnlớn nhất, nhất, bằng bằng 23,4 23,4 kN/m kN/m 2 . Trong . Trong khikhiđó,đó,haihai sànsàn bị bị mấtmất CBG, CBG, CGCG chịu chịu được được tảitải trọng trọng giớihạn giới hạntương tươngđương đươngnhau,nhau,nămnăm 2 trong trong khoảng khoảng trung trung gian gian từ từ 21,5 21,5 - 21,8 - 21,8 kN/m kN/m 2 . Những kết quả này cho phép nhận định . Những kết quả này cho phép nhận định rằng, trường hợp mất CTCG là kịch rằng, trường hợp mất CTCG là kịch bản nguy hiểm bản nguy 143 hiểm nhất nhất đốiđốivới vớisàn sànphẳng phẳngcócómũ mũcột, cột, dodo sứcsức kháng kháng sụpsụp đổđổ giảm giảm nhiều nhiều nhất nhất (31,2%) (31,2%) sosovớivới những những trường trường hợp hợp còn còn lạilạinhưnhưđược được trình trình bàybày trong trong Bảng Bảng 2. 2.
Anh, Đ. K., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng 5. Kết luận Nghiên cứu này trình bày phương pháp xây dựng mô hình số cho kết cấu sàn phẳng không và có mũ cột, để mô phỏng ứng xử phi tuyến khi bị mất một cột. Các mô hình số đã được kiểm chứng dựa trên các kết quả thực nghiệm thu được trên hai mẫu sàn phẳng không mũ cột. Từ đó, một nghiên cứu tham số đã được tiến hành trên hai mẫu sàn phẳng có mũ có các kích thước hình học và cấu tạo cốt thép tương tự. Những kết quả thu được từ các mô hình số cho phép đưa ra một số nhận xét như sau: - Nếu như, phá hoại chọc thủng không xảy ra, thì việc thay đổi hàm lượng cốt thép ở mũ cột không làm thay đổi khả năng chịu lực của sàn. Như vậy, đối với sàn phẳng có mũ cột, thì cốt thép trong mũ cột chỉ yêu cầu hàm lượng tối thiểu để đảm bảo sức kháng chọc thủng tại đầu cột. - Ảnh hưởng của cường độ bê tông đến khả năng chịu lực của sàn phẳng có mũ cột là đáng kể hơn so với ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép trong mũ cột. Khi tăng cường độ chịu nén từ 18 - 30 MPa, thì sức kháng sụp đổ của sàn phẳng có thể tăng thêm 13-14%. - Trong số các kịch bản mất cột, tương ứng với chuyển vị tới hạn của sàn được dự báo bằng 150 mm, thì mất cột trong cận góc là trường hợp nguy hiểm nhất, do sức kháng sụp đổ đã giảm tới 31,2% so với khi mất cột trong, tiếp đến là trường hợp mất cột biên cột góc. Trong khi đó, mất cột trong là ít nghiêm trọng nhất trong năm trường hợp mất cột. Tài liệu tham khảo [1] Gardner, N. J., Huh, J., Chung, L. (2002). Lessons from the Sampoong department store collapse. Cement and Concrete Composites, 24(6):523–529. [2] Park, T. W. (2012). Inspection of collapse cause of Sampoong Department Store. Forensic Science International, 217(1-3):119–126. [3] King, S., Delatte, N. J. (2004). Collapse of 2000 Commonwealth Avenue: Punching Shear Case Study. Journal of Performance of Constructed Facilities, 18(1):54–61. [4] Wood, J. G. M. (1997). Pipers Row Car Park, Wolverhampton. Quantitative Study of the Causes of the Partial Collapse on 20th March. [5] Whittle, R. (2012). Failures in Concrete Structures. CRC Press. [6] FEMA (2002). World Trade Center Building Performance Study: Data collection, Preliminary, Observa- tions, and Recommendations. Federal Emergency Management Agency, Washington, DC. [7] Hawkins, N. M., Mitchell, D. (1979). Progressive Collapse of Flat Plate Structures. ACI Journal Pro- ceedings, 76(7). [8] Yap, S. L., Li, B. (2011). Experimental Investigation of Reinforced Concrete Exterior Beam-Column Subassemblages for Progressive Collapse. ACI Structural Journal, 108(5). [9] Choi, H., Kim, J. (2011). Progressive collapse-resisting capacity of RC beam–column sub-assemblage. Magazine of Concrete Research, 63(4):297–310. [10] Qian, K., Li, B. (2015). Load-resisting mechanism to mitigate progressive collapse of flat slab structures. Magazine of Concrete Research, 67(7):349–363. [11] Qian, K., Li, B. (2013). Performance of Three-Dimensional Reinforced Concrete Beam-Column Sub- structures under Loss of a Corner Column Scenario. Journal of Structural Engineering, 139(4):584–594. [12] Qian, K., Weng, Y.-H., Li, B. (2018). Impact of two columns missing on dynamic response of RC flat slab structures. Engineering Structures, 177:598–615. [13] Qian, K., Li, B. (2016). Resilience of Flat Slab Structures in Different Phases of Progressive Collapse. ACI Structural Journal, 113(3). [14] Dat, P. X., Hai, T. K. (2013). Membrane actions of RC slabs in mitigating progressive collapse of building structures. Engineering Structures, 55:107–115. [15] Dat, P. X., Tan, K. H. (2015). Experimental Response of Beam-Slab Substructures Subject to Penultimate- External Column Removal. Journal of Structural Engineering, 141(7):04014170. 144
Anh, Đ. K., và cs. / Tạp chí Khoa học Công nghệ Xây dựng [16] Pham, A. T., Lim, N. S., Tan, K. H. (2017). Investigations of tensile membrane action in beam-slab systems under progressive collapse subject to different loading configurations and boundary conditions. Engineering Structures, 150:520–536. [17] Dat, P. X., Wahyudi, T. Y., Anh, D. K. (2018). Analytical model for predicting membrane actions in RC beam-slab structures subjected to penultimate-internal column loss scenarios. Journal of Science and Technology in Civil Engineering (STCE) - NUCE, 12(3):10–22. [18] Do, A. K., Nguyen, T. N., Tran, C. Q., Nguyen, H. T., Pham, D. X. (2021). Experimental and numerical investigations on the collapse behaviour of RC flat slab structures. Asian Journal of Civil Engineering, 22(6):1143–1155. [19] Dabiri, H., Kheyroddin, A., Kaviani, A. (2018). A Numerical Study on the Seismic Response of RC Wide Column–Beam Joints. International Journal of Civil Engineering, 17(3):377–395. [20] Dabiri, H., Kaviani, A., Kheyroddin, A. (2020). Influence of reinforcement on the performance of non- seismically detailed RC beam-column joints. Journal of Building Engineering, 31:101333. [21] Weng, Y.-H., Qian, K., Fu, F., Fang, Q. (2020). Numerical investigation on load redistribution capacity of flat slab substructures to resist progressive collapse. Journal of Building Engineering, 29:101109. [22] Faria, R., Marreiros, R., Ramos, A. P., Jesus, C. (2020). Influence of the top reinforcement detailing in the behaviour of flat slabs. Structures, 23:718–730. [23] Mostofinejad, D., Jafarian, N., Naderi, A., Mostofinejad, A., Salehi, M. (2020). Effects of openings on the punching shear strength of reinforced concrete slabs. Structures, 25:760–773. [24] Sasani, M., Kropelnicki, J. (2008). Progressive collapse analysis of an RC structure. The Structural Design of Tall and Special Buildings, 17(4):757–771. [25] Murray, Y. D. (2007). User Manual for LS-DYNA Concrete Material Model 159. Publication No. FHWA- HRT-05-062, Federal Highway Administration. [26] Hallquist, J. O. (2017). LS-DYNA Keyword User’s Manual, Version 971. Livermore Software Technology Corporation, Livermore, CA, USA. [27] Cuong, T. Q., Linh, N. N., Hung, H. M., Hieu, N. T., Dat, P. X. (2019). Experiments on the collapse response of flat slab structures subjected to column loss. Magazine of Concrete Research, 71(5):228–243. 145