Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Xây dựng: Nghiên cứu thực nghiệm cơ chế phá hủy của kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép khi mất cột biên

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:188

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Xây dựng "Nghiên cứu thực nghiệm cơ chế phá hủy của kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép khi mất cột biên" trình bày các nội dung chính sau: Lịch sử nghiên cứu về kết cấu bê tông cốt thép khi mất cột chịu lực đặc biệt là các nghiên cứu liên quan đến kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép không mũ cột; Nghiên cứu thực nghiệm mô hình sàn phẳng bê tông cốt thép khi mất cột biên; Phương pháp đơn giản xác định sức kháng SĐLT của sàn phẳng bê tông cốt thép.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật Xây dựng: Nghiên cứu thực nghiệm cơ chế phá hủy của kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép khi mất cột biên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Trần Quốc Cường NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CƠ CHẾ PHÁ HỦY CỦA KẾT CẤU SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP KHI MẤT CỘT BIÊN Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Mã số: 9580201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - Năm 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Trần Quốc Cường NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CƠ CHẾ PHÁ HỦY CỦA KẾT CẤU SÀN PHẲNG BÊ TÔNG CỐT THÉP KHI MẤT CỘT BIÊN Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Mã số: 9580201 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS Phạm Xuân Đạt 2. PGS. TS Nguyễn Trung Hiếu Hà Nội - Năm 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, các kết quả trình bày trong luận án hoàn toàn trung thực và chưa được công bố. Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hà Nội, ngày 11 tháng 11 năm 2021 Trần Quốc Cường
ii LỜI CẢM ƠN Trong thời gian nghiên cứu và hoàn thành Luận án, Nghiên cứu sinh đã nhận được sự định hướng, giúp đỡ, các ý kiến đóng góp quý báu và những lời động viên của các nhà khoa học, các thầy cô giáo, đồng nghiệp và gia đình. Trước hết, Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lời cảm ơn tới các thày PGS.TS Phạm Xuân Đạt, PGS.TS Nguyễn Trung Hiếu đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu. Nghiên cứu sinh cũng bày tỏ lòng cảm ơn tới các giảng viên, cán bộ kỹ thuật Phòng thí nghiệm và kiểm định công trình LAS-XD125, đã có nhiều nhận xét cùng sáng kiến cần thiết cho nghiên cứu thực nghiệm. Cho phép Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn các thày cô giáo, các nhà khoa học của Đại học Xây dựng đã có các góp ý quý báu cho Nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện Luận án này. Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn Học viện Cán bộ quản lý xây dựng và đô thị đã tạo điều kiện thuận lợi để Nghiên cứu sinh hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu. Cuối cùng Nghiên cứu sinh cũng bày tỏ lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đã luôn động viên, chia sẻ, ủng hộ và giúp đỡ Nghiên cứu sinh vượt qua khó khăn để đạt được những kết quả nghiên cứu trong Luận án này. NCS Trần Quốc Cường
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii DANH MỤC CÁC BẢNG vii MỞ ĐẦU 1 1. Lý do chọn đề tài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2. Mục tiêu nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 4. Cơ sở khoa học của đề tài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5. Phương pháp nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài . . . . . . . . . . . . . . . 5 7. Những đóng góp mới của luận án . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 8. Cấu trúc của luận án . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN SỰ LÀM VIỆC CỦA SÀN PHẲNG BTCT KHI BỊ MẤT CỘT ĐỠ 8 1.1 Sụp đổ lũy tiến (SĐLT) hệ kết cấu công trình BTCT . . . . . . . . . . . 8 1.1.1 Khái niệm sụp đổ lũy tiến (SĐLT) . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.1.2 Một số vụ sụp đổ điển hình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1.3 Cơ chế SĐLT của kết cấu BTCT khi mất cột chịu lực . . . . . . 12 1.1.3.1 Hiệu ứng gấp đôi nhịp . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
iv 1.1.3.2 Hiệu ứng động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2 Ứng xử của kết cấu BTCT chịu uốn khi biến dạng lớn và cơ chế chịu lực 14 1.2.1 Ứng xử của kết cấu BTCT chịu uốn khi biến dạng lớn . . . . . . 14 1.2.2 Các cơ chế chịu lực thứ cấp của kết cấu BTCT khi biến dạng lớn 15 1.2.2.1 Cơ chế chịu lực vòm nén (CCVN) . . . . . . . . . . . 15 1.2.2.2 Cơ chế chịu lực dây căng (CCDC) . . . . . . . . . . . 16 1.2.2.3 Cơ chế màng (CCM) trong cấu kiện dầm sàn BTCT . 17 1.3 Sự làm việc và dạng phá hoại của kết cấu sàn phẳng BTCT . . . . . . . 18 1.3.1 Sự làm việc của kết cấu sàn phẳng . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.3.2 Các cơ chế phá hoại của sàn phẳng . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.3 Ứng xử của sàn phẳng BTCT ở trạng thái biến dạng lớn và các cơ chế chịu lực thứ cấp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.3.1 Ứng xử của sàn phẳng ở trạng thái biến dạng lớn . . . 19 1.3.3.2 Hiệu ứng màng nén bản sàn bị hạn chế chuyển vị ngang 20 1.3.3.3 Hiệu ứng màng căng bản sàn hạn chế chuyển vị ngang 21 1.3.3.4 Hiệu ứng màng với bản sàn tự do chuyển vị ngang . . 22 1.4 Một số phương pháp thiết kế phòng chống SĐLT trên thế giới . . . . . 23 1.4.1 Phương pháp lực giằng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.4.2 Phương pháp kháng cục bộ đặc biệt . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.4.3 Phương pháp Đường tải trọng thay thế . . . . . . . . . . . . . . 25 1.5 Nghiên cứu kết cấu BTCT khi mất cột chịu lực . . . . . . . . . . . . . . 27 1.5.1 Nghiên cứu thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.5.1.1 Sự phát triển CCDC và CCVN trong khung phẳng . . 27 1.5.1.2 Sự hình thành và phát triển CCM trong kết cấu sàn . . 30 1.5.2 Phương pháp bán thực nghiệm tính toán sức kháng sụp đổ . . . 35 1.5.3 Những vấn đề còn tồn tại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 1.6 Tóm tắt và kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH SÀN PHẲNG BTCT KHI MẤT CỘT BIÊN 44 2.1 Mục tiêu và nội dung của nghiên cứu thực nghiệm . . . . . . . . . . . . 45
v 2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.1.2 Nội dung nghiên cứu thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.2 Cơ sở xây dựng mô hình thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.2.1 Kết cấu công trình thực tế sử dụng cho việc xây dựng mô hình thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.2.2 Cơ sở lý thuyết mô hình hóa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.2.2.1 Số tỷ lệ cơ bản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.2.2.2 Số tỷ lệ dẫn xuất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.2.3 Lựa chọn các số tỷ lệ cơ bản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.2.4 Mô hình hóa kết cấu chịu tác động do mất cột đột ngột . . . . . 52 2.3 Mô hình thí nghiệm và vật liệu chế tạo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.3.1 Mô hình thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.3.1.1 Cấu tạo bản sàn BTCT . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.3.1.2 Cột đỡ sàn phẳng BTCT thí nghiệm . . . . . . . . . . 59 2.3.1.3 Liên kết cột với mẫu sàn thí nghiệm . . . . . . . . . . 61 2.3.1.4 Liên kết cột với sàn phòng thí nghiệm . . . . . . . . . 62 2.3.2 Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ lý vật liệu chế tạo . . . . . . . 62 2.3.2.1 Vật liệu bê tông . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 2.3.2.2 Cốt thép sử dụng cho bê tông . . . . . . . . . . . . . . 62 2.3.2.3 Vật liệu chế tạo cột thép . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.3.2.4 Vật liệu bu lông . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.4 Tải trọng thí nghiệm tĩnh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.4.1 Dạng tải trọng thí nghiệm tĩnh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.4.2 Giá trị tải trọng tĩnh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.4.3 Sơ đồ tác dụng tải trọng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.4.4 Biện pháp tạo tải trọng phân bố đều . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.4.5 Quy trình tác dụng tải trọng tĩnh . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.5 Tải trọng thí nghiệm động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.5.1 Tình huống mất cột đột ngột . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.5.2 Cách thức tạo trường hợp mất cột đột ngột . . . . . . . . . . . . 69
vi 2.5.3 Quy trình thí nghiệm động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 2.6 Thiết bị và dụng cụ đo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.6.1 Thiết bị và dụng cụ đo chuyển vị LVDT . . . . . . . . . . . . . 71 2.6.1.1 Đo chuyển vị đứng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.6.1.2 Đo chuyển vị ngang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 2.6.2 Thiết bị và dụng cụ đo biến dạng thép . . . . . . . . . . . . . . . 73 2.6.2.1 Loại phiến điện trở (strain gauges) sử dụng . . . . . . 73 2.6.2.2 Mục đích sử dụng phiến điện trở (strain gauge) . . . . 73 2.6.2.3 Cơ sở chọn vị trí dán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 2.6.2.4 Xác định nội lực trong cột . . . . . . . . . . . . . . . . 75 2.6.3 Đo gia tốc dao động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 2.6.4 Thiết bị ghi dữ liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 2.7 Quy trình thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 2.7.1 Lắp dựng mẫu thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 2.7.2 Quy trình thực hiện thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 2.8 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 81 3.1 Phân tích kết quả thí nghiệm tĩnh với mẫu SP1 và SP3 . . . . . . . . . . 81 3.1.1 Sự phân bố vết nứt, dạng và cơ chế phá hoại của mẫu thí nghiệm 81 3.1.2 Quan hệ tải trọng – chuyển vị . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.1.3 Biến dạng của cốt thép . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.1.4 Sự phân bố tải trọng về các chân cột . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.1.5 Hiệu ứng màng-ứng xử của sàn phẳng khi biến dạng lớn . . . . 95 3.2 Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm động với mẫu SP2 . . . . . . . 101 3.2.1 Sự làm việc của cơ cấu cột chống thép . . . . . . . . . . . . . . 102 3.2.2 Quan hệ tải trọng – chuyển vị . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 3.2.3 Ứng xử động của kết cấu bản sàn . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.2.3.1 Quan hệ chuyển vị theo thời gian . . . . . . . . . . . . 106 3.2.3.2 Biến dạng của cốt thép . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 3.2.3.3 Sự gia tăng nội lực trong cột . . . . . . . . . . . . . . 109
vii 3.2.4 Xác định hệ số động theo số liệu thực nghiệm . . . . . . . . . . 110 3.2.5 Sự phát triển vết nứt và cơ chế phá hủy của mẫu SP2 . . . . . . 110 3.3 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 CHƯƠNG 4. PHƯƠNG PHÁP ĐƠN GIẢN XÁC ĐỊNH SỨC KHÁNG SĐLT CỦA SÀN PHẲNG BTCT 114 4.1 Các giả thiết tính toán của phương pháp đơn giản . . . . . . . . . . . . 114 4.2 Đánh giá hiệu ứng động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 4.3 Sức kháng SĐLT của kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép . . . . . . . . 117 4.4 Tải trọng cực hạn Wult của hệ kết cấu sàn phẳng . . . . . . . . . . . . . 118 4.4.1 Tải trọng cực hạn Wult khi mất cột biên giữa (CBG) . . . . . . . 119 4.4.2 Tải trọng cực hạn Wult khi mất cột biên cận góc (CBCG) . . . . 120 4.5 Hệ số độ dẻo chuyển vị µ∆ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.5.1 Lựa chọn khớp dẻo xoay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.5.2 Xác định chuyển vị dẻo ∆y theo độ cong dẻo ϕy . . . . . . . . . 121 4.5.3 Xác định chuyển vị chảy dẻo ∆p theo độ cong chảy dẻo ϕp . . . 123 4.5.4 Xác định hệ số chuyển vị dẻo µ∆ theo hệ số dẻo xoay µϕ . . . . 124 4.5.5 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số đến sức kháng SĐLT . . . 125 4.6 So sánh với kết quả thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.6.1 Mẫu thí nghiệm sàn phẳng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 4.6.2 Áp dụng phương pháp đơn giản cho mẫu thí nghiệm SP1 . . . . 128 4.6.3 Nhận xét . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 4.7 Ví dụ áp dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 4.8 Điều kiện áp dụng phương pháp đơn giản . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 4.9 Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 KẾT LUẬN 138 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 141 TÀI LIỆU THAM KHẢO 142
viii PHỤ LỤC P1 PHỤ LỤC A. CÁC QUY TRÌNH TÍNH TOÁN P1 A.1 Áp dụng phương pháp đơn giản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P1 A.2 Thiết kế bản sàn công trình thực . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P3 A.3 Các bảng tính theo phương pháp đơn giản . . . . . . . . . . . . . . . . . P5 PHỤ LỤC B. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM P6 B.1 Các số liệu thí nghiệm (data logger) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P6 B.2 Các kết quả Etab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P6 B.3 Số liệu Etab của sàn phẳng trước và sau khi mất cột . . . . . . . . . . . P6
x DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT PHLT Phá hủy lũy tiến. SĐLT Sụp đổ lũy tiến. BTCT Bê tông cốt thép. CCU Cơ cấu uốn CCVN Cơ cấu vòm nén CCM Cơ cấu màng CCDC Cơ cấu dây căng CBG Cột biên giữa CBCG Cột biên cận góc CGCG Cột giữa cận góc ALP Alternative load path ĐTT Đường truyền tải trọng thay thế GSA General Services Administration UFC Unified Facilities Criteria DOD Department of Defense ASCE American Society of Civil Engineers ACI American Concrete Institute LVDT Linear variable differential transformer BSG Bottem strain gauge TSG Top strain gauge Es Modul đàn hồi của cốt thép. Ec Modul đàn hồi của bê tông. As Diện tích tiết diện cắt ngang. Is Mô men quán tính của cột thép tròn. Rs Bán kính ngoài của cột thép tròn. ϵ Biến dạng dọc trục của thép. Lx(y) Nhịp kết cấu phương X và Y. mx(y) Moment uốn dương đơn vị phương X và Y.
xi m′x(y) Moment uốn âm đơn vị phương X và Y. As Tiết diện cốt thép chịu kéo đơn vị trong sàn phẳng. ds chiều cao tính kết cấu trong sàn phẳng. fc′ Cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông. fy Giới hạn chảy dẻo của cốt thép. wyield Tải trọng gây chảy dẻo đơn vị của sàn phẳng. Wyield Tải trọng giới hạn chảy dẻo của sàn phẳng. WM Đóng góp của moment dương cho sức kháng tải. WT M A Đóng góp của hiệu ứng màng cho sức kháng tải. Wactual Tải trọng thí nghiệm. M′ Tổng Moment uốn âm lý thuyết của mẫu thí nghiệm. µ∆ Hệ số dẻo của kết cấu khi chuyển vị đứng. Wult Tải trọng phân bổ đều cực hạn. ϕy Độ cong khi bắt đầu chảy dẻo. ϕp Độ cong trong suốt quá trình chảy dẻo. ϕm Độ cong lớn nhất của tiết diện. θ Góc xoay của tiết diện. β1 Hệ số tỷ lệ chiều cao vùng nén. (Me g)max Tải trọng đứng max để chuyển vị động max. Re Khả năng chịu lực của hệ tương đương. ∆y Chuyển vị tương ứng với thời điểm bắt đầu chảy dẻo. ∆p Chuyển vị trong suốt quá trình chảy dẻo. ∆m Chuyển vị lớn nhất. Uf Chuyển vị dẻo giới hạn Pgn Tải trọng gây nứt. Pph Tải trọng phá hoại. Pcp Tải trọng cho phép. Φ Hệ số giảm cường độ.
xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tòa nhà Murrah building trước và sau khi bị SĐLT [21] . . . . . 9 Hình 1.2 SĐLT của kết cấu tòa nhà Sampoong Store . . . . . . . . . . . . 11 Hình 1.3 SĐLT của các công trình khác . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Hình 1.4 Gia tăng nội lực trong dầm phẳng hai nhịp mất gối tựa . . . . . . 12 Hình 1.5 Mô hình ứng xử động của kết cấu khi bị mất cột đột ngột . . . . 13 Hình 1.6 Cơ cấu uốn, cơ cấu vòm nén và cơ cấu dây căng . . . . . . . . . 14 Hình 1.7 Cơ cấu chịu lực vòm nén (CCVN) [43] . . . . . . . . . . . . . . 15 Hình 1.8 So sánh sức kháng của cơ cấu dây căng và cơ cấu uốn . . . . . . 16 Hình 1.9 Đường truyền tải trọng thay thế khi mất cột biên giữa . . . . . . 17 Hình 1.10 Sụp đổ công trình do lực kéo CCDC [40] . . . . . . . . . . . . . 18 Hình 1.11 Sự hình thành cơ cấu màng (CCM) trong cấu kiện sàn BTCT [41] 18 Hình 1.12 Kết cấu sàn phẳng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Hình 1.13 Các loại hiệu ứng màng của kết cấu sàn phẳng [25] . . . . . . . 20 Hình 1.14 Hệ kết cấu khung sàn phẳng chịu lực[25] . . . . . . . . . . . . . 21 Hình 1.15 Nguyên lý phát triển hiệu ứng màng nén trong bản sàn BTCT [25] 21 Hình 1.16 Nguyên lý phát triển hiệu ứng màng căng trong bản sàn BTCT[25] 22 Hình 1.17 Nguyên lý phát triển hiệu ứng màng căng kết hợp vành nén[13] . 23 Hình 1.18 Mô hình lực giằng cho hệ kết cấu khung (DOD 2005) [16] . . . 24 Hình 1.19 Mô hình loại bỏ cột và đường truyền tải trọng thay thế . . . . . . 26 Hình 1.20 Đường truyền tải trọng thay thế trong dầm BTCT [48] . . . . . . 28 Hình 1.21 Đường truyền tải trọng thay thế CCDC khi cột bị phá hủy . . . . 29 Hình 1.22 Thí nghiệm cơ chế CCDC khi cột bị phá hủy . . . . . . . . . . . 30 Hình 1.23 Cơ chế màng khi cột cận góc bị phá hủy . . . . . . . . . . . . . . 30 Hình 1.24 Sơ đồ thí nghiệm kết cấu dầm sàn BTCT mất cột biên [44] . . . 31 Hình 1.25 Dạng phá hoại của mẫu thí nghiệm [44] . . . . . . . . . . . . . . 31 Hình 1.26 Mô hình TN đánh giá cơ chế màng của sàn phẳng BTCT . . . . 33 Hình 1.27 Sơ đồ chất tải trong thí nghiệm của Russel [46] . . . . . . . . . . 34
xiii Hình 1.28 Nghiên cứu sức kháng tải của sàn phẳng khi mất cột [30] . . . . 34 Hình 1.29 Mô hình tính theo bốn mức độ khác nhau [20] . . . . . . . . . . 35 Hình 1.30 Sơ đồ hiệu ứng dây xích và hiệu ứng vòm nén[20] . . . . . . . . 36 Hình 1.31 Mô hình gia tải tĩnh có hệ số động khi mất cột đột ngột [20] . . 36 Hình 1.32 Phương pháp đánh giá động đơn giản [20] . . . . . . . . . . . . 37 Hình 1.33 Trường hợp mất cột biên cận góc và cột trong cận góc [43] . . . 39 Hình 1.34 Quan hệ đàn-dẻo và nút khung nguy hiểm . . . . . . . . . . . . . 40 Hình 1.35 Vị trí hình thành các khớp dẻo khi kết cấu mất cột [45] . . . . . 40 Hình 2.1 Sơ đồ kết cấu 3D công trình thực và vị trí mất một cột . . . . . . 48 Hình 2.2 Sơ đồ thí nghiệm trường hợp mất cột biên cận góc . . . . . . . . 53 Hình 2.3 Sơ đồ thí nghiệm trường hợp mất cột biên giữa . . . . . . . . . . 54 Hình 2.4 Mô hình thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Hình 2.5 Mặt bằng bố trí thép mẫu thí nghiệm SP1, SP2 . . . . . . . . . . 56 Hình 2.6 Mặt bằng bố trí thép mẫu thí nghiệm SP3 . . . . . . . . . . . . . 57 Hình 2.7 Mẫu sàn thí nghiệm với dải sàn mở rộng . . . . . . . . . . . . . 58 Hình 2.8 Chất tải biên và tải trọng thí nghiệm bằng các viên mẫu bê tông 58 Hình 2.9 Chi tiết cột thép đỡ bản sàn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Hình 2.10 Mô phỏng cột đỡ sàn bằng cột thép . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Hình 2.11 Biểu đồ ứng suất-biến dạng khi kéo thép . . . . . . . . . . . . . 63 Hình 2.12 Sơ đồ gia tải và mặt bằng 24 điểm tải . . . . . . . . . . . . . . . 66 Hình 2.13 Giá đỡ tạo tải trọng phân bổ đều . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Hình 2.14 Sơ đồ gia tải và phương tiện tạo tải trọng . . . . . . . . . . . . . 67 Hình 2.15 Biện pháp gia tải phân bố đều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Hình 2.16 Hệ thay thế bằng cột thép và búa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Hình 2.17 Mặt bằng bố trí thiết bị đo chuyển vị (LVDT) . . . . . . . . . . . 72 Hình 2.18 Sơ đồ bố trí thiết bị đo chuyển vị LVDT . . . . . . . . . . . . . . 73 Hình 2.19 Strain gauge đo biến dạng một phương . . . . . . . . . . . . . . 74 Hình 2.20 Mặt bằng bố trí các phiến điện trở . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Hình 2.21 Sơ đồ bố trí thiết bị đo nội lực cột thép . . . . . . . . . . . . . . 76 Hình 2.22 Sơ đồ thiết bị đo gia tốc dao động . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
xiv Hình 2.23 Thiết bị đọc và ghi dữ liệu tự động . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Hình 2.24 Khung đỡ thép hình U140 dùng để lắp dựng mẫu thí nghiệm . . 78 Hình 3.1 Sơ đồ phát triển vết nứt mẫu thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . 82 Hình 3.2 Dạng phá hoại của mẫu SP1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Hình 3.3 Dạng phá hoại của mẫu SP3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Hình 3.4 Dạng phá hoại của các mẫu thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . 85 Hình 3.5 Đường cong tải trọng – chuyển vị đứng LVDT3 (SP1,SP3) . . . 86 Hình 3.6 Tải trọng gây sụp đổ mẫu thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . 87 Hình 3.7 Ứng xử của mẫu SP1 theo các cấp tải trọng . . . . . . . . . . . . 88 Hình 3.8 Ứng xử của mẫu SP3 theo các cấp tải trọng . . . . . . . . . . . . 89 Hình 3.9 Chuyển vị ngang đầu cột C1 và cột C5 . . . . . . . . . . . . . . 90 Hình 3.10 Chuyển vị đứng tại vị trí LVDT1 và LVDT5 . . . . . . . . . . . 91 Hình 3.11 Biến dạng cốt thép ở vị trí mất cột . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Hình 3.12 Biến dạng cốt thép ở vị trí đầu cột C3 . . . . . . . . . . . . . . . 93 Hình 3.13 Tỷ lệ phân phối tải trọng tới các cột . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Hình 3.14 So sánh tải trọng thí nghiệm với phản lực chân cột . . . . . . . . 95 Hình 3.15 Biến dạng cốt thép tại vị trí cột bị mất của mẫu SP1, SP3 . . . . 96 Hình 3.16 Sơ đồ đường dẻo và mô men âm thực nghiệm . . . . . . . . . . . 97 Hình 3.17 Dạng phá hoại của mẫu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Hình 3.18 Hệ chịu tải trọng trước khi mất cột . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Hình 3.19 Biến dạng của cột thép và phiến điện trở BD14 và BD15 . . . . 103 Hình 3.20 Đường tải trọng–chuyển vị LVDT3 của mẫu SP1 và SP2 . . . . 104 Hình 3.21 Biểu đồ gia tốc dao động của mẫu SP2 . . . . . . . . . . . . . . 105 Hình 3.22 Biến động của chuyển vị theo thời gian . . . . . . . . . . . . . . 106 Hình 3.23 Biểu đồ biến dạng của cốt thép khi mất cột . . . . . . . . . . . . 107 Hình 3.24 Biểu đồ biến động biến dạng cốt thép đặc trưng . . . . . . . . . 108 Hình 3.25 Biểu đồ biến dạng cốt thép tại vị trí mất cột . . . . . . . . . . . . 109 Hình 3.26 Biểu đồ biến động lực dọc cột C-5 . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Hình 3.27 Dạng phá hoại của mẫu thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . 111 Hình 3.28 Dạng phá hoại cuối của mẫu thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . 111
xv Hình 4.1 Mô hình tính toán hiệu ứng động khi sàn BTCT mất một cột [44] 116 Hình 4.2 Hàm độ bền của hệ tương đương . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 Hình 4.3 Sơ đồ tính mô men đường dẻo của các mẫu thí nghiệm . . . . . 118 Hình 4.4 Sơ đồ tính chuyển vị đàn dẻo ∆y khi sàn BTCT mất cột [44] . . 121 Hình 4.5 Mô hình tính chuyển vị chảy dẻo ∆p khi sàn BTCT mất cột [44] 123 Hình 4.6 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa µ∆ và µϕ . . . . . . . . . . . . 125 Hình 4.7 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dài khớp dẻo . . . . . . . . . . . . 126 Hình 4.8 Khảo sát ảnh hưởng của chiều dày bản sàn . . . . . . . . . . . . 126 Hình 4.9 Khảo sát ảnh hưởng của cường độ bê tông . . . . . . . . . . . . 127 Hình 4.10 Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép . . . . . . . . . . . 127 Hình 4.11 Biểu đồ phương pháp đơn giản so với thực nghiệm mẫu SP1 . . 130 Hình 4.12 Biểu đồ phương pháp đơn giản so với thực nghiệm mẫu SP1,2,3 131 Hình 4.13 Mặt bằng kết cấu điển hình bố trí thép sàn theo dải . . . . . . . . 132 Hình 4.14 Mặt phá hoại theo kiểu chọc thủng [3] . . . . . . . . . . . . . . . 134 Hình 4.15 Tiết diện tính toán đối với cột giữa, cột biên và cột góc [3] . . . 135 Hình A.1 Mặt bằng dải cột và dải nhịp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . P4 Hình A.2 Chi tiết phân vùng dải cột và dải nhịp một ô sàn . . . . . . . . . P5 Hình A.3 Bố trí cốt thép cho một ô sàn kết cấu thực điển hình . . . . . . . P5
xvi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tổ hợp tải trọng thiết kế SĐLT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Bảng 2.1 Thống kê mẫu thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Bảng 2.2 Kích thước và bố trí cốt thép các mẫu thí nghiệm . . . . . . . . 56 Bảng 2.3 Xác định cốt thép của mô hình từ hàm lượng cốt thép nguyên mẫu 57 Bảng 2.4 Bảng cấp phối bê tông (kg/m3 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Bảng 2.5 Đặc trưng cơ lý của cốt thép cho bê tông . . . . . . . . . . . . . 63 Bảng 2.6 Đặc trưng cơ lý của thép chế tạo cột . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Bảng 2.7 Đặc trưng cơ lý của thép chế tạo bu lông . . . . . . . . . . . . . 64 Bảng 3.1 Gia tăng sức kháng tải do hiệu ứng màng căng . . . . . . . . . . 87 Bảng 3.2 Chuyển vị tương đối tại vị trí mất cột . . . . . . . . . . . . . . . 89 Bảng 3.3 Kết quả tải trọng giới hạn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Bảng 3.4 Tỷ lệ tải trọng phân bổ về các cột . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Bảng 3.5 Bảng tính mô men uốn đơn vị tới hạn của bản sàn . . . . . . . . 99 Bảng 3.6 Kết quả tính toán khả năng chịu tải lý thuyết của bản sàn . . . . 99 Bảng 3.7 Bảng tính mô men âm thực tế so với lý thuyết kN m . . . . . . . 100 Bảng 3.8 Tải trọng và hệ số tăng sức kháng tải do hiệu ứng màng . . . . . 101 Bảng 3.9 Bảng tính hệ số động . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Bảng 4.1 Thông số xác định hệ số độ dẻo xoay µϕ . . . . . . . . . . . . . 120 Bảng 4.2 Kết quả thực nghiệm hệ số độ dẻo xoay µϕ theo hàm lượng cốt thép ρ [44] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Bảng 4.3 Kết quả thực nghiệm ∆yj theo ∆yb [44] . . . . . . . . . . . . . . 122 Bảng 4.4 Xác định chiều dài khớp dẻo lp theo chiều dày cấu kiện d [35] . 124 Bảng 4.5 Hệ số độ dẻo chuyển vị µ∆ theo hệ số độ dẻo xoay µϕ . . . . . . 125 Bảng 4.6 Kích thước và bố trí cốt thép các mẫu thí nghiệm . . . . . . . . 128 Bảng 4.7 Khả năng chịu mô men uốn tới hạn của sàn phẳng . . . . . . . . 129
xvii Bảng 4.8 Tải trọng giới hạn dẻo của mẫu thí nghiệm . . . . . . . . . . . . 129 Bảng 4.9 Tải trọng và đặc trưng vật liệu kết cấu thực . . . . . . . . . . . . 132 Bảng 4.10 Kiểm tra tải trọng chọc thủng tại đầu cột mẫu SP1 (kN) . . . . . 136 Bảng 4.11 Kiểm tra tải trọng chọc thủng tại đầu cột mẫu SP2 (kN) . . . . . 136 Bảng 4.12 Kiểm tra tải trọng chọc thủng tại đầu cột mẫu SP3 (kN) . . . . . 136
1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong khoảng hơn ba thập kỷ gần đây, thế giới đã chứng kiến nhiều vụ sụp đổ công trình có qui mô thiệt hại lớn về người và của. Có thể kể đến vụ sụp đổ tòa nhà Murrah Building (Thành phố Oklahoma, Mỹ, năm 1995) do bom xe làm chết 168 người, sụp đổ tòa nhà Sampoong Department Store (Thành phố Seoul, Hàn Quốc) làm chết và bị thương gần 500 người, hay vụ tấn công khủng bố Tháp đôi trung tâm thương mại thế giới WTC (Thành phố New York, Mỹ, năm 2001) làm chết gần 3000 người. Các nghiên cứu hiện trường đã chỉ ra rằng các vụ sụp đổ công trình có đặc điểm chung là được bắt đầu bởi sự phá hoại của một vài cấu kiện chịu lực mang tính cục bộ do áp lực của vụ nổ bom hay khí ga, sau đó lan truyền từ cấu kiện này sang cấu kiện khác, cuối cùng dẫn đến sụp đổ phần lớn hoặc toàn bộ kết cấu công trình. Đây được định nghĩa là sụp đổ lũy tiến (SĐLT) công trình. Do hậu quả nghiêm trọng mà nó gây ra, việc phòng chống SĐLT đã và đang thu hút được nhiều sự quan tâm của cộng đồng nghiên cứu quốc tế cũng như các nhà lập pháp ở nhiều quốc gia. Trong hơn ba thập kỷ vừa qua, nhiều nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết mô phỏng số đã được thực hiện nhằm hiểu rõ cơ chế SĐLT của công trình nhà dân dụng, đặc biệt là kết cấu bê tông cốt thép (BTCT). Mặc dù còn nhiều điểm chưa thống nhất, đa số các nghiên cứu đều chỉ ra rằng, ứng xử cận sụp đổ và sụp đổ của công trình BTCT là rất phức tạp bởi sự có mặt của các yếu tố sau: (i) Tính phi tuyến của vật liệu bê tông bao gồm sự phát triển vết nứt và nén vỡ, (ii) Tính phi tuyến hình học ở trạng thái biến dạng lớn, và (iii) Hiệu ứng động khi cấu kiện chịu lực như cột BTCT bị đánh sập đột ngột. Song song với các nỗ lực nghiên cứu của cộng đồng quốc tế, các yêu cầu nhằm hạn chế thiệt hại do SĐLT gây ra cũng đã được các nhà lập pháp đưa vào trong các tiêu chuẩn thiết kế và thi công hiện hành tại nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Châu Âu, Singapore. Nhiều tài liệu hướng dẫn thiết kế phòng chống SĐLT cũng đã được ban hành như hướng dẫn thiết kế cải tạo các công trình của
2 chính phủ Mỹ (GSA - Progressive collapse Analysis and Design Guidelines for New Federal Office Buildings and Major Modernization Projects-2003) [23] và UFC 4-023-03 (Design of Buildings to Resist Progressive Collapse-2016) [16]. Nhìn chung, sức kháng sụp đổ của công trình thường được đánh giá thông qua tình huống giả định là một cột chịu lực bị mất đột ngột dưới tác động của bom, khí ga, đâm xe hay sụt lún nền và móng. Mặc dù còn nhiều điểm hạn chế trong cả các qui trình tính toán thiết kế cũng như cấu tạo BTCT, việc ban hành các tài liệu hướng dẫn này đã được giới chuyên môn ủng hộ và cũng đã thể hiện vai trò quan trọng của công tác phòng chống SĐLT công trình ở các nước tiên tiến trên thế giới. Đáng chú ý là nội dung các tài liệu này được cập nhật liên tục hàng năm dựa trên các kết quả nghiên cứu quan trọng của cộng đồng khoa học quốc tế. Kết cấu sàn phẳng được sử dụng nhiều cho các mục đích dân dụng và công nghiệp, đặc biệt là siêu thị và các khu vui chơi giải trí. So với kết cấu dầm sàn truyền thống, ưu điểm của kết cấu sàn phẳng là thời gian thi công nhanh chóng, chiều cao tầng lưu không lớn. Tuy nhiên, nhược điểm chính là trọng lượng bản thân rất lớn trong khi khu vực sàn đầu cột dễ bị phá hoại cục bộ do chọc thủng. Khi phá hoại này xảy ra tại một vị trí cục bộ nào đó thì việc ngăn chặn sự lan truyền phá hoại này là điều rất cần thiết để tránh SĐLT có thể xảy ra. Cần nhấn mạnh là tình huống giả định mất cột đột ngột hoàn toàn tương thích và phản ánh được sự phá hoại chọc thủng tại đầu cột này. Đề tài: “Nghiên cứu thực nghiệm cơ chế phá hủy của kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép khi mất cột biên” được lựa chọn nhằm làm rõ ứng xử của bản sàn khi mất cột, qua đó ngăn chặn hoặc hạn chế thiệt hại của sụp đổ dây chuyền. 2. Mục tiêu nghiên cứu • Xây dựng một mô hình thực nghiệm phù hợp đủ để có thể mô tả ứng xử sụp đổ của kết cấu sàn phẳng BTCT trong điều kiện mất cột biên. Mô hình thực nghiệm cần phải được thiết kế đảm bảo các vấn đề sau. Thứ nhất, hệ gia tải trọng cần phải đảm bảo được sự phân bố đều trên mặt mẫu thí nghiệm trong suốt quá trình thí nghiệm, đặc biệt là khi biến dạng rất lớn.