Mô hình ứng xử phi tuyến của liên kết chân cột thép

Chia sẻ: Sở Trí Tu | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài báo cung cấp kết quả đo đạc biến dạng và ứng xử của liên kết chân cột thép từ thí nghiệm rung lắc của một công trình kết cấu tỉ lệ thực. Thông qua đó, bài báo đề xuất hai loại mô hình đơn tuyến tính và đa tuyến tính cho việc mô phỏng ứng xử động của liên kết này trong tính toán phân tích kết cấu. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Mô hình ứng xử phi tuyến của liên kết chân cột thép

MÔ HÌNH ỨNG XỬ PHI TUYẾN CỦA LIÊN KẾT CHÂN CỘT THÉP (Non-linear Behavior Rule for Steel Column Base Connection) Trần Tuấn Nam Khoa Xây dựng, trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh (HUTECH) TÓM TẮT Một trong những vấn đề cần quan tâm trong tính toán kết cấu thép là liên kết. Sự biến dạng của liên kết thường ảnh hưởng lớn đến sự biến dạng của toàn kết cấu và góp phần đáng kể đến sự phân phối nội lực trong kết cấu. Do vậy, có khá nhiều đề tài nghiên cứu về ứng xử của liên kết, chẳng hạn như liên kết nút giao dầm–cột, liên kết nối dầm, liên kết dầm–sàn... Tuy nhiên, ứng xử của liên kết chân cột, đặc biệt đối với công trình chịu tác dụng của tải trọng động đất, còn một số vấn đề cần làm rõ. Bài báo cung cấp kết quả đo đạc biến dạng và ứng xử của liên kết chân cột thép từ thí nghiệm rung lắc của một công trình kết cấu tỉ lệ thực. Thông qua đó, bài báo đề xuất hai loại mô hình đơn tuyến tính và đa tuyến tính cho việc mô phỏng ứng xử động của liên kết này trong tính toán phân tích kết cấu. Từ khóa: Kết cấu thép, chân cột, bản đế, bu lông neo, ứng xử phi tuyến. 1. GIỚI THIỆU Ở các khu vực hoặc quốc gia thường xuyên xảy ra động đất, thì việc thiết kế kết cấu luôn cần phải xét đến ứng xử của vật liệu và của các chi tiết liên kết khi chịu tác dụng tải trọng động. Trong đó, liên kết chân cột cũng cần được xem xét và khảo sát. Với tác dụng của tải trọng động, độ cứng liên kết chân cột có sự thay đổi theo thời gian ảnh hưởng khá lớn đến kết quả phân tích khung, đặc biệt đối với chuyển vị ngang của khung và nội lực chân cột. Việc xác định độ cứng này có ý nghĩa quan trọng trong việc mô phỏng và phân tích ứng xử của kết cấu trong quá trình chịu tác dụng của tải trọng động đất. Từ các số liệu dựa trên kết quả thí nghiệm rung lắc kết cấu thép 4 tầng tỷ lệ thực tại thiết bị bàn rung E- Defense, Nhật Bản [1], dữ liệu về ứng xử liên kết chân cột là nguồn tư liệu hữu ích nhằm đo đạc kiểm nghiệm ứng xử động lực học của cấu kiện này. Bài báo cung cấp kết quả đo đạc từ thí nghiệm trên, qua đó kiểm nghiệm và đánh giá công thức tính toán sơ bộ độ cứng liên kết chân cột đã được đề xuất trong tiêu chuẩn thiết kế (chẳng hạn như tiêu chuẩn Nhật Bản [2]), nhằm khuyến nghị giá trị thích hợp cho công việc lập mô hình phân tích mô phỏng. 2. THÍ NGHIỆM RUNG LẮC KẾT CẤU THÉP 4 TẦNG 2.1. Mô hình thí nghiệm Mô hình thí nghiệm là khung nhà thép 4 tầng tỉ lệ thực với chiều cao 14 m (Hình 1-a). Bộ gia tốc đất nền sử dụng trong thí nghiệm lấy từ địa điểm Takatori trong trận động đất 1995 tại thành phố Kobe, Nhật Bản, được truyền vào khung kết cấu với độ lớn tăng dần nhằm khiến kết cấu hoàn toàn sụp đổ. Công trình được thiết kế theo tiêu chuẩn Nhật Bản và các chỉ dẫn ban hành sau trận động đất Kobe 1995. Kết quả thí nghiệm [3] cho thấy công trình có ứng xử đàn hồi khi chịu mức tải trọng động đất dưới 20% bộ gia tốc gốc. Khi tải trọng tăng lên mức 40% và 60%, ứng xử phi tuyến dần xuất hiện trong các cấu kiện và liên kết, trong đó có chân cột, dẫn đến công trình có độ dẻo nhất định. Sau cùng, dưới tác dụng của 487
mức tải trọng 100% thì công trình hoàn toàn sụp đổ. Bộ dữ liệu thí nghiệm này phản ánh ứng xử của kết cấu nói chung và các cấu kiện nói riêng từ giai đoạn đàn hồi đến phi tuyến và phá hoại. 2.2. Thiết bị đo đạc biến dạng xoay của chân cột Mặt bằng công trình gồm 6 cột, được đánh số lần lượt A1, A2, A3, B1, B2, B3 (Hình 1-b). Ghi nhận từ thí nghiệm, công trình bị rung lắc chủ yếu theo hướng Tây Nam – Đông Bắc. Do đó, cột A1 ở góc Tây Nam chịu ảnh hưởng lớn nhất trong quá trình biến dạng của kết cấu. Cột B3 ở phía Đông Bắc chịu ảnh hưởng lớn nhất theo chiều hướng đối nghịch cũng nên được chọn. Tuy nhiên dữ liệu thí nghiệm của các sensor cho cột B3 có nhiều lỗi sai, nên cột B2 được chọn thay thế để phân tích trong bài báo này. Để xác định ứng xử của liên kết chân cột, một hệ thống gồm 24 chuyển vị kế được lắp đặt ở khu vực bản đế. Mỗi bản đế tại một chân cột được gắn 4 chuyển vị kế ở 4 góc (Hình 1-c). Bằng cách xác định hiệu số chuyển vị giữa các điểm đo, ta có thể tính được độ nâng (uplift) và góc xoay (rotation) của bản đế trên từng cạnh, hoặc theo đường xiên 45º, từ đó so sánh mối tương quan với momen chân cột để lập đường cong ứng xử của liên kết chân cột. (a) Mô hình thí nghiệm (b) Mặt bằng cột (c) Sensor đo biến dạng chân cột Hình 1. Mô tả mô hình thí nghiệm và cách đo biến dạng của chân cột Hình 2. Đường cong tương quan momen và biến dạng xoay của chân cột 3. ỨNG XỬ CỦA CHÂN CỘT TRONG THÍ NGHIỆM 3.1. Đường cong ứng xử lý thuyết Để khảo sát ứng xử của liên kết chân cột, cần phải xác định mối liên hệ giữa momen chân cột M và góc xoay tại chân cột θ. Hình 2 biểu diễn đường cong ứng xử điển hình của một liên kết chân cột, trong đó ta có thể chia thành ba giai đoạn: - Giai đoạn 1: Là giai đoạn đàn hồi khi bản đế chưa bị tách rời, độ cứng (k1) trong giai đoạn này là rất lớn, cột có thể được xem như liên kết ngàm. 488
- Giai đoạn 2: Là giai đoạn song tuyến khi bản đế có hiện tượng tách rời khỏi chân cột, đồng thời lực nén trong cột giảm xuống do cột chịu nhổ. Độ cứng trong giai đoạn này (k2) có giá trị nhỏ hơn rất nhiều so với k1, chân cột được xem như có liên kết lò xo với móng. - Giai đoạn 3: Tương tự như giai đoạn 2, nhưng ứng với trường hợp âm (đảo chiều momen), đồng thời lực nén trong cột tăng lên do cột chịu nén. Độ cứng k3 cũng nhỏ hơn rất nhiều so với độ cứng k1, tuy nhiên lớn hơn độ cứng k2. Với dữ liệu thí nghiệm, ta khảo sát ứng xử thực tế của chân cột và so sánh với lý thuyết, qua đó có cơ sở lựa chọn xác định độ cứng thích hợp cho chân cột trong bài toán phân tích động lực học kết cấu. 3.2. Ứng xử thực tế trong thí nghiệm Bảng 1. Độ cứng xoay chân cột xác định từ thí nghiệm (cấp tải 20%) Cột k1 (kNm/rad) k2 (kNm/rad) k3 (kNm/rad) k2/k1 k3/k1 A1 500.000 150.000 256.000 0,30 0,51 B2 575.000 345.000 160.000 0,60 0,28 Hình 3. Tương quan giữa momen và góc xoay chân cột (cấp tải 20%) Hình 3 thể hiện đường cong ứng xử của chân cột A1 và B2 ở cấp tải 20%. Dựa vào các biểu đồ này, độ cứng k1, k2, k3 tương ứng với ba giai đoạn được xác định và thể hiện trong Bảng 1. Ngoài ra trong bảng còn thể hiện các tỉ số k2/k1, k3/k1. Các trường hợp tải 40% và 60% được thể hiện lần lượt trên Hình 4 & 5 và các Bảng 2 & 3. Bảng 2. Độ cứng xoay chân cột xác định từ thí nghiệm (cấp tải 40%) Cột k1 (kNm/rad) k2 (kNm/rad) k3 (kNm/rad) k2/k1 k3/k1 A1 400.000 85.000 160.000 0,21 0,40 B2 375.000 115.000 90.000 0,31 0,24 489
Hình 4. Tương quan giữa momen và góc xoay chân cột (cấp tải 40%) Bảng 3. Độ cứng xoay chân cột xác định từ thí nghiệm (cấp tải 60%) Cột k1 (kNm/rad) k2 (kNm/rad) k3 (kNm/rad) k2/k1 k3/k1 A1 125.000 75.000 95.000 0,60 0,76 B2 169.000 105.000 105.000 0,62 0,62 Hình 5. Tương quan giữa momen và góc xoay chân cột (cấp tải 60%) Hình 6. Tổng hợp đường cong ứng xử của chân cột qua nhiều cấp tải 3.3. Nhận xét Theo Bảng 1, cột A1 ở cấp tải 20% có tỉ số k2/k1 = 0,3; còn cột B2 có tỉ số k2/k1 = 0,6. Sở dĩ có khác biệt này là do khi kết cấu biến dạng về phía Đông Bắc, cột A1 chịu nhổ lớn nhất nên lực nén trong cột là nhỏ nhất, dẫn đến bản đế bị nới lỏng đáng kể. Điều này khiến cho độ cứng chân cột giảm xuống còn 0,3 lần độ cứng ban đầu. Ngược lại, cột B2 chịu nén, nên chân cột ít bị nới lỏng hơn so với cột A1. Vì thế, mặc dù tỉ số k2/k1 của cột B2 là 0,6, vẫn lớn gấp đôi so với cột A1. 490
Thí nghiệm cho kết quả trái ngược khi kết cấu biến dạng về phía Tây Nam. Lúc này, cột A1 chịu nén, còn cột B2 chịu nhổ. Ở cấp tải 20%, tỉ số k3/k1 của cột A1 là 0,51, gần gấp đôi so với tỉ số 0,28 của cột B2 (Bảng 1). Điều này có thể nhận diện rõ hơn ở các cấp tải tiếp sau đó. Để có cái nhìn tổng quan, Hình 6 biểu diễn chồng chập đường cong tương quan qua tất cả các cấp tải, lần lượt cho cột A1 và B2 theo thứ tự tương ứng. Thí nghiệm cho thấy, ứng xử của hai cột này giống nhau ở giai đoạn đàn hồi (độ cứng k1), còn các giai đoạn sau khi bản đế bị nới lỏng thì độ cứng có xu hướng như sau: – Cột góc,chịu ảnh hưởng kéo nén mạnh (ví dụ: A1): k2 ≈ 0,3k1; k3 ≈ 0,5k1 – Cột giữa,chịu ảnh hưởng kéo nén yếu (ví dụ: B2): k2 ≈ k3 ≈ 0,4k1 Đây là cơ sở quan trọng để có thể gán độ cứng xoay thích hợp cho mô hình chân cột trong bài toán phân tích động lực học. Trong đó, cần chú ý hai yếu tố chính: vị trí của cột trên mặt bằng và các giai đoạn sau khi bản đế bị nới lỏng. 3.4. Nhận xét Dựa trên các Hình 3 – 5, ta có thể xác định độ cứng xoay trung bình bằng phương pháp xấp xỉ tuyến tính. Các độ cứng này được thể hiện bằng đường thẳng gạch đứt trên các hình. Thí nghiệm cho thấy, ở cấp tải nhẹ (20%) thì độ cứng xoay trung bình của các cột đều khá lớn, bằng khoảng 5 đến 6 lần Kbs – độ cứng xác định theo lý thuyết. Khi cấp tải tăng dần, thì bản đế có xu hướng nới lỏng ra, khiến độ cứng trung bình giảm xuống. Tuy nhiên, ngay ở cấp tải động đất khá mạnh (60%) thì độ cứng trung bình vẫn lớn gấp đôi so với độ cứng lý thuyết Kbs. Điều này có thể giải thích là do công thức áp dụng cho đế móng bê tông cốt thép, có xét đến biến dạng nén trong bê tông. Còn với chân cột trong mô hình thí nghiệm bàn rung, thì đế móng làm bằng thép. Suy ra, trong việc mô hình hóa khung thí nghiệm trên bàn rung, thì công thức này nên nhân thêm hệ số bằng 2, nhằm phản ánh chính xác ứng xử của kết cấu dưới tác dụng của động đất với cường độ trung bình trở lên. Hình 7. Mô hình đề xuất cho đường ứng xử của liên kết chân cột 4. KẾT LUẬN Từ các nhận xét ở trên, ta có thể rút ra hai phương pháp mô hình hóa ứng xử của liên kết chân cột như sau (Hình 7): - Mô hình đa tuyến tính: Có thể xem như K1 là rất lớn, bằng khoảng 10 lần giá trị Kbs, sau đó gán độ cứng K 2 và K 3 tùy vào tính chất của chân cột. Mô hình này áp dụng cho việc phân tích chính xác ứng xử chân cột ở mức tải trọng động đất nhẹ, với biến dạng nhỏ. - Mô hình tuyến tính: Gán một độ cứng trung bình Ktb cho cả chân cột, với độ lớn bằng 2 lần giá trị Kbs. Mô hình này áp dụng cho việc phân tích kết cấu chịu cấp động đất từ trung bình trở lên, với biến dạng khá lớn. 491
LỜI CẢM ƠN Tác giả gửi lời cảm ơn trân trọng đến Giáo sư Kasai Kazuhiko (Tokyo Institute of Technology) với vai trò cố vấn học thuật và chủ nhiệm thí nghiệm, cảm ơn trường Đại học Công nghệ Tp HCM đã hỗ trợ kinh phí thực hiện đề tài, cảm ơn học viên cao học Nguyễn Thị Mỹ Xương hỗ trợ vẽ hình minh họa. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nam TT, Kasai K, Ohtsuka T, Motoyui S (2016) Full-Scale Building Collapse Test and Analysis Considering Two-Directional Column Deteriorations. Journal of Structural Engineering 62B:411- 424. [2] JSCE (2007). Standard specifications for Steel and Composite Structures. [3] Kasai K, Nam TT, Maison BF (2016) Structural collapse correlative analysis using phenomenologi- cal fiber hinge elements to simulate two‐directional column deteriorations. Earthquake Engineering & Structural Dynamics 45(10):1581-1601. 492