Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng: Ảnh hưởng của tường chèn tới phản ứng của hệ khung bê tông cốt thép chịu động đất

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

52
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án với mục tiêu thiết lập mô hình ứng xử của các tường chèn và sử dụng nó để xác định ứng xử của hệ khung chèn chịu động đất; nghiên cứu ảnh hưởng của tường chèn tới việc kiểm soát phản ứng cục bộ của các cột khung bê tông cốt thép chịu động đất.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng: Ảnh hưởng của tường chèn tới phản ứng của hệ khung bê tông cốt thép chịu động đất

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Phan Văn Huệ ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG CHÈN TỚI PHẢN ỨNG CỦA HỆ KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 9580201 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội - Năm 2020
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Xây dựng Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Lê Ninh Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Tiến Chương - Trường ĐH Thủy Lợi Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Ngọc Phương - Trường ĐH KT HN Phản biện 3: TS Nguyễn Đại Minh - Viện KHCN Xây dựng Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại Trường Đại học Xây dựng vào hồi giờ ngày tháng năm 2020. Có thể tìm hiểu luận án tại Thư viện Quốc Gia và Thư viện Trường Đại học Xây dựng.
1 MỞ ĐẦU 1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Các nghiên cứu khoa học và quan sát hiện trường trong vòng 7 thập kỷ qua cho thấy, các tường chèn có ảnh hưởng lớn tới phản ứng của hệ khung bao quanh dưới tác động động đất. Các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện nay, trong đó có TCVN 9386:2012, đều thừa nhận hiện tượng này, nhưng quy định về thiết kế hệ khung chèn còn có nhiều bất cập: (i) Mâu thuẫn giữa thiết kế tổng thể (không xét tới lực tương tác với tường chèn) và thiết kế cục bộ (phải xét tới lực tương tác với tường chèn); (ii) Các mô hình tính toán hệ khung chèn không rõ ràng và đầy đủ. Do đó, việc thực hiện đề tài nghiên cứu “Ảnh hưởng của tường chèn tới phản ứng của hệ khung bê tông cốt thép chịu động đất” là hết sức cần thiết. 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN (i) Thiết lập mô hình (MH) ứng xử của các tường chèn và sử dụng nó để xác định ứng xử của hệ khung chèn chịu động đất; (ii) Nghiên cứu kiểm soát cơ cấu phá hoại các khung BTCT chịu động đất, khi có xét tới tương tác với các tường chèn; (iii) Nghiên cứu ảnh hưởng của tường chèn tới việc kiểm soát phản ứng cục bộ của các cột khung BTCT chịu động đất. 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tượng nghiên cứu: Khung BTCT toàn khối nhiều tầng, có các tường chèn bằng khối xây trong mặt phẳng khung: (i) Khung được TK theo quan niệm kháng chấn hiện đại; (ii) Các tường chèn (gạch nung đặc và rỗng, gạch AAC) không có cốt thép và lỗ mở, được xây sau khi khung đã cứng. Tường chèn tiếp xúc với khung không có khe hở và không có các liên kết chịu lực với khung. 3.2. Phạm vi nghiên cứu: (i) Các tác động nằm trong mặt phẳng khung. (ii) Tỷ số hình dạng của các tường chèn αm = hm/lm ≤ 1,0. 4. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI (i) Các kết quả nghiên cứu về hệ khung chèn trong 7 thập kỷ qua; (ii) Quan niệm thiết kế kháng chấn hiện đại; (iii) Quy định thiết kế khung BTCT chịu động đất trong các tiêu chuẩn trên thế giới, trong đó có Việt Nam. 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Nghiên cứu lý thuyết và phân tích mô phỏng số.
2 6. ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN (i) Thiết lập được mô hình ứng xử phi tuyến của tường chèn và dùng nó để xác định ứng xử của hệ khung chèn chịu động đất; (ii) Thiết lập được điều kiện kiểm soát cơ cấu phá hoại khung và đề xuất phương pháp thiết kế khung BTCT khi có xét tới tương tác với tường chèn theo quan niệm kháng chấn hiện nay; (iii) Đề xuất phương pháp xác định lực tương tác với tường chèn và PP thiết kế cột khung chịu cắt khi chịu lực tương tác này. 7. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN: Luận án gồm phần Mở đầu, Bốn chương và Kết luận, được trình bày trong 116 trang với 29 bảng, 55 hình vẽ, 149 tài liệu tham khảo (Tiếng Việt: 10, Tiếng Anh, Rumani: 139). Phụ lục có 21 trang. CHƯƠNG 1 SỰ TƯƠNG TÁC KHUNG - TƯỜNG CHÈN VÀ VẤN ĐỀ XÁC ĐỊNH PHẢN ỨNG CỦA HỆ KHUNG CHÈN BTCT DƯỚI TÁC ĐỘNG NGANG 1.1. MỞ ĐẦU Trái ngược với quan niệm trước đây xem tường chèn là cấu kiện không chịu tải, các kết quả quan sát hiện trường cho thấy tường chèn là nguyên nhân gây ra phá hoại: các cột, nút khung và sụp đổ nhà …khi chịu động đất. Vấn đề này đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới. 1.2. SỰ TƯƠNG TÁC KHUNG – TƯỜNG CHÈN VÀ ỨNG XỬ CỦA HỆ KHUNG CHÈN BTCT DƯỚI TÁC ĐỘNG NGANG 1.2.1. Sự tương tác khung - tường chèn dưới tác động ngang Ứng xử của tường chèn trong khung dưới tác động ngang được chia thành 2 giai đoạn. Giai đoạn trước khi mặt tiếp xúc khung – tường chèn bị nứt, hệ kết cấu có ứng xử như một công xôn thẳng a) b) đứng liền khối và giai đoạn sau Hình 1.3. Ứng xử của hệ khung khi mặt tiếp xúc bị nứt tại các góc chèn và các lực tương tác tại không chất tải (Hình 1.3a). Trong mặt tiếp xúc vùng tiếp xúc còn lại, xuất hiện các lực tương tác (Hình 1.3b). 1.2.2. Hệ quả của sự tương tác khung – tường chèn đối với ứng xử của hệ khung chèn BTCT 1.2.2.1. Hệ khung được thiết kế không theo các TC kháng chấn
3 Tác động của lực tương tác khung - tường chèn đã làm cho tường chèn lẫn các cấu kiện khung bị phá hoại. 1. Các dạng phá hoại tường chèn: (i) Phá hoại nứt do cắt (dọc theo các mạch vữa có dạng hình bậc thang hoặc trượt ngang; theo phương đường chéo); (ii) Phá hoại nén (theo dải chéo; ép vỡ các góc chịu tải). 2. Các dạng phá hoại khung BTCT: (i) Phá hoại uốn (ở đầu mút cấu kiện; trong chiều dài nhịp); (ii) Phá hoại do lực dọc (cốt thép chảy dẻo; tuột neo); (iii) Phá hoại cắt cột; (iv) Phá hoại nút khung. 1.2.2.2. Khung BTCT được TK theo các TC kháng chấn hiện đại Các nghiên cứu thí nghiệm quy mô của các nhóm tác giả: Mehrabi et al. (1996), Kakaletsis và Karayannis (2008), Morandi et al. (2014 – 2018), Basha (2017) đã cho các dạng phá hoại sau: 1. Phá hoại tường chèn: Tường chèn khỏe - khung khỏe: cắt trượt ngang và nén theo phương chéo; tường chèn yếu - khung khỏe: phá hoại cắt trượt ngang theo phương chéo hoặc giữa chiều cao tường. 2. Phá hoại khung BTCT: a) Cột khung: Khớp dẻo xuất hiện ở hai đầu cột; nứt do cắt xuất hiện đồng thời với nứt uốn. b) Dầm khung: Khe nứt uốn và cắt rất ít khi xuất hiện. Dầm khung có ứng xử cứng hơn so với khi không có tường chèn. 1.3. MÔ HÌNH ỨNG XỬ CỦA TƯỜNG CHÈN DƯỚI TÁC ĐỘNG NGANG 1.3.1. Các mô hình ứng xử của tường chèn trong khung 1.3.1.1. Các mô hình vĩ mô Thay thế tường chèn bằng một hoặc nhiều dải chéo tương đương. 1. MH một dải chéo (Hình 1.8): Đặc trưng dải chéo: bề rộng wm và bề a) Biến dạng do lực ngang; b) MH một dải chéo dày tm bằng bề dày tường. tương đương 2. MH nhiều dải chéo: Hình 1.8. MH một dải chéo tương đương Phân 1 dải chéo thành nhiều dải tương đương (Hình 1.9 và 1.10). 1.3.1.2. Các mô hình vi mô Dựa trên phương pháp PTHH (Hình 1.13 và 1.14).
4 1.3.1.3. Một số nhận xét: Các MH vĩ mô một dải chéo đơn giản, dễ áp dụng, cho kết quả gần đúng khá tốt, nhưng không cho tác động cục bộ. Các MH vi Hình 1.9. MH Hình 1.10. MH mô chính xác hơn, nhưng Chrysostomou El-Dakhakhni khó xác định các thông số của mô hình, khối lượng tính toán lớn. 1.3.2. Các kết quả chính đạt được trong việc mô hình hóa vĩ mô 1.3.2.1. Các kết quả đạt được trong việc xác định bề rộng dải chéo wm 1. Trên thế giới: a) Các PP xác định wm theo đặc tính hình học của tường chèn. Các tác giả sau đây đã Hình 1.13. MH Mallick Hình 1.14. MH đưa ra các biểu thức xác và Severn Mehrabi và Shing định wm bằng một phần cố định của chiều dài đường chéo pano chèn dm: Holmes [1/3] (1961), Smith [0,1÷0,25] (1962), Moghaddam và Dowling [1/6] (1988), Smith và Coull [1/10] (1991), Paulay và Priestley [0,25] (1992), Angel và cộng sự [1/8] (1994), Fardis [0,1÷0,2] (2009) … (Trị số trong [ ] chỉ tỷ số wm/dm đề xuất). b) Các PP xác định wm theo đặc tính hình học lẫn cơ học của khung và tường chèn. Các tác giả sau đây đã đề xuất PP xác định bề rộng wm theo cách này: Mainstone (1974); Abdul-Kadir (1974), Henry (1998); Nguyễn Lê Ninh (1980); Bazan và Meli (1980); Liauw và Kwan (1984); Decanini và Fantin (1986); Govindan (1986); Dawe và Seah (1989); Decanini et al. (1993); Durrani và Luo (1994); Flanagan và Bennet (2001); Al-Chaar (2002); Tucker (2007); Amato et al. (2009); Tabeshpour et al. (2012); Chrysostomou và Asteris (2012); Turgay et al. (2014)… 2. Ở Việt Nam: Lý Trần Cường (1991) và Đinh Lê Khánh Quốc (2017) đã đề xuất PP xác định wm theo phương hướng nhóm b). 3. Một số nhận xét về kết quả đạt được trong việc xác định wm: Bề rộng wm phụ thuộc vào: (i) Đặc tính cơ học và hình học của các thành phần hệ khung chèn; (ii) Mức độ suy giảm độ bền lẫn
5 độ cứng của chúng; (iii) Thời điểm xác định wm. Do đó, trị số wm hoàn toàn khác nhau giữa các tác giả. Trong số các phương pháp được đề xuất, chỉ có phương pháp của Nguyễn Lê Ninh (1980) có khả năng xét tới tất cả yếu tố trên. 1.3.2.2. Các kết quả đạt được trong việc thiết lập mô hình ứng xử phi tuyến đơn giản của tường chèn Nhiều tác giả đã nghiên cứu về MH này: Decanini, Bertoldi và Gavarini (1993); Panagiotakos và Fardis (1994); Kappos và Stylianidis (1998); Chronopoulos (2004); Hình 1.15. MH của Decanini et al. Stavridis et al. (2017)…Dạng đường cong của các mô hình về cơ bản giống nhau như Hình 1.15. Sự khác nhau nằm ở cách xác định các thông số MH: độ cứng và độ bền của tường chèn. Do đó, tuy có nhiều ưu điểm, nhưng ứng dụng của chúng còn rất hạn chế. 1.4. ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ TƯƠNG TÁC KHUNG - TƯỜNG CHÈN TRONG CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN 1.4.1. Các quy định xét tới ảnh hưởng của tường chèn Các tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 và EN 1998-1:2004; FEMA 356 (2000); ASCE 41-13 (2013) và ASCE 41-17 (2017); NZSEE (2017) đã có các quy định xét ảnh hưởng của tường chèn tới ứng xử của hệ khung BTCT chịu động đất. 1.4.2. Nhận xét về các quy định trong các tiêu chuẩn thiết kế • Các TC đều cho rằng tường chèn có ảnh hưởng bất lợi tới hệ khung, nhưng tách riêng việc tính toán phản ứng cục bộ ra khỏi tính toán tổng thể. Các quy định thiết kế dầm, cột và nút khung đều không xét tới ảnh hưởng của lực tương tác với tường chèn, nhưng khi kiểm tra cột chịu cắt lại phải xét tới lực tương tác này. • Khi tính toán phản ứng cục bộ, các tiêu chuẩn yêu cầu sử dụng mô hình một dải chéo, nhưng đều không có các chỉ dẫn về cách thiết lập mô hình (đặc biệt TCVN 9386:2012) nên rất khó thực hiện. 1.5. NHẬN XÉT CHƯƠNG 1 1. Sự tương tác với tường chèn gây ra các dạng phá hoại điển hình ở các khung BTCT được thiết kế theo quan niệm kháng chấn
6 hiện nay: phá hoại uốn và cắt ở hai đầu mút hoặc ở giữa cột; dầm thường bị gia tăng độ cứng, còn tường chèn thường bị phá hoại cắt trượt ngang theo phương chéo hoặc ở giữa chiều cao tường và phá hoại nén theo phương chéo. 2. Mô hình đơn giản sử dụng một dải chéo tương đương được xem là phù hợp để xác định phản ứng tổng thể của hệ khung chèn. 3. Tuy thừa nhận ảnh hưởng quan trọng của lực tương tác khung – tường chèn, nhưng các quy định về thiết kế hệ khung chèn trong các tiêu chuẩn vẫn còn nhiều bất cập và không rõ ràng. CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA ỨNG XỬ PHI TUYẾN CỦA HỆ KHUNG CHÈN BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT 2.1. LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP MÔ HÌNH HÓA HỆ KHUNG CHÈN Từ nghiên cứu tổng quan, các mô hình sau đã được lựa chọn để phân tích hệ khung chèn: mô hình đơn giản mô phỏng ứng xử uốn tại các vùng tới hạn của khung BTCT và mô hình một dải chéo tương đương mô phỏng ứng xử của tường chèn. 2.2. MÔ HÌNH ỨNG XỬ CỦA HỆ KẾT CẤU KHUNG BTCT 2.2.1. Ở mức vật liệu: Sử dụng các mô hình ứng xử của bê tông và cốt thép quy định trong EN 1992-1-1:2004. 2.2.2. Ở mức cấu kiện chịu lực: Sử dụng MH khớp dẻo tập trung. Ứng xử khớp dẻo được kiểm soát qua MH Takeda sửa đổi và đường cong lực-chuyển vị của nó lấy theo ASCE 41-13 (Hình 2.2). a) b) c) Hình 2.2. a) Biến dạng dẻo b) Luật trễ Takeda c) Quan hệ M–θ tại khớp dẻo tập trung ở các CK khung sửa đổi của các CK khung BTCT 2.3. THIẾT LẬP MÔ HÌNH ỨNG XỬ PHI TUYẾN CỦA CÁC TƯỜNG CHÈN TRONG KHUNG BTCT 2.3.1. Xây dựng quan hệ lực – chuyển vị của mô hình Ứng xử của tường chèn trong khung được mô hình hóa dưới dạng một đường cong như trong Hình 2.3. Trong mô hình khung, tường chèn được biểu diễn như trong Hình 2.4.
7 Hình 2.3. Quan hệ lực–chuyển vị của Hình 2.4. Vị trí các khớp dẻo mô hình ứng xử tường chèn trong MH hệ khung chèn 2.3.2. Xác định các thông số cơ bản của mô hình 2.3.2.1. Độ cứng của tường chèn Theo Nguyễn Lê Ninh (1980) bề rộng: wm = e m (1− n ) wm 0 (2.1) với dm Em tm lm E t h wm 0 = = (2.2); λh 4= ; λl 4 m m m2 (2.3) ( λh h + λl l + k ) 2 4 Ec I c hm 4 Ec I b lm n = H/Hu – với H lực ngang tác động và Hu lực ngang tại thời điểm tường chèn đạt độ bền cực hạn; m và k – các hệ số phụ thuộc vào loại khối xây tường chèn; các thông số khác biểu thị các đặc tính hình học và cơ học của khung và tường chèn (Hình 1.8). Từ bề rộng wm xác định được độ cứng của tường chèn khi bắt đầu bị nứt (2.4) và khi đạt độ bền cực hạn (2.5): e0,4 m wm 0 tm Em wm 0 tm Em K my K my = θ (2.4); K mu cos 2= ∗ = cos 2 θ (2.5) dm dm e0,4 m 2.3.2.2. Độ bền của tường chèn 1. Độ bền cực hạn của tường chèn Vmu được xác định từ điều kiện Vmu = min (Vms ,Vmc ) (2.6), trong đó: a) Vms - độ bền cắt trượt của tường chèn được lựa chọn từ các phương pháp xác định của các tác giả sau: Rosenblueth (1980); Smith và Coull (1991); Paulay và Priestley (1992); Decanini et al. (1993); Panagiotakos và Fardis (1994), Fardis (2009); Zarnic và Gostic (1997); FEMA 356 (2000), Al-Chaar (2002), ASCE 41-06, ASCE 41-13; Galanti et al. (1998), EN 1998-1:2004; FEMA 306 (1998); EN 1996-1-1:2005; theo TCVN 5573:2011 (2.10)… f bs tm lm Vms = (2.10) 1 − 0,72n1µ tgθ
8 b) Vmc – độ bền nén theo phương chéo được lựa chọn từ các PP: Smith và Coull (1991); Decanini et al. (1993); Galanti et al. (1998); FEMA 306; Al- Chaar (2002); Tucker (2007); ASCE 41-13. Để lựa chọn được các độ bền thích hợp cho MH tường chèn, các phân tích Hình 2.9. Biến thiên của Vms xác định theo các PP so sánh đã được thực hiện khác nhau theo hm/lm trên một khung chèn phù hợp với đối tượng và mục tiêu nghiên cứu đặt ra. Kết quả được các đường cong biểu diễn quan hệ Vms và Vmc theo tỷ số hm/lm thường gặp của tường chèn trong các Hình 2.9 và 2.10. Từ 2.10. Biến thiên của Vmc xác định theo đó chọn được độ bền Vms theo Hình các PP khác nhau theo hm/lm TCVN 5573:2011 (2.10) và độ hm bền Vmc theo ASCE 41-13: Vmc = f mc tm cos θ (2.11) 3 2. Độ bền chảy dẻo của tường chèn Vmy được lựa chọn từ các phương pháp: Nguyễn Lê Ninh (1980), Dolsek và Fajfar (2008); Decanini et al. (1993); Panagiotakos và Fardis (1994); Saneinejad và Hobbs (1995), FEMA 306; Tucker (2007); Stavridis (2009). Tương tự như trên, từ kết quả trong Hình 2.12 chọn Vmy = 0,6Vmu (2.12) theo đề xuất của Nguyễn Lê Ninh và Dolsek và Fajfar (2008). 3. Độ bền dư của tường chèn Hình 2.12. Biến thiên của Vmy xác định theo các PP khác nhau theo hm/lm Vmr: 0 ≤ Vmr ≤ 0,1Vmy (2.13)
9 2.3.2.3. Các bước xây dựng đường cong lực-chuyển vị của mô hình Bước 1. Xác định Kmy theo (2.4). Bước 2. Xác định Vmu theo (2.6). Bước 3. Xác định ∆ mu = Vmu K mu∗ (2.14). Bước 4. Xác định Vmy theo (2.12). Bước 5. Xác định ∆ my = Vmy K my (2.15). Bước 6. Xác định Vmr theo (2.13). Bước 7. Xác định ∆ mr =∆ mu + (Vmr − Vmu ) / K mr (2.16) 2.3.2.4. Phản ứng phi tuyến dọc trục của dải chéo tương đương Sử dụng quan hệ ứng suất-biến dạng khối xây do Kaushik, Rai và Hình 2.13. Quan hệ ứng suất – biến Jain (2007) đề xuất (Hình 2.13). dạng khối xây chịu nén 2.3.3. Hiệu chuẩn mô hình ứng xử của tường chèn Việc hiệu chuẩn mô hình đề xuất được thực hiện trên số liệu thí nghiệm các mẫu khung chèn BTCT được thiết kế theo EC8 và EC2 của Kakaletsis và Karayannis (2008) và Morandi, Hak và Magenes (2014-2018). 2.3.3.1. Kakaletsis và Karayannis (2008) Hình 2.16. MH ứng xử của các tường chèn a) Tường chèn yếu (S) b) Tường chèn khỏe (IS) Dựa trên thông số các mẫu thí nghiệm, thiết lập MH ứng xử của tường chèn theo các bước ở mục 2.3.2.3 (Hình 2.16). Sử dụng các MH này cùng với các mô hình ứng xử của vật liệu và cấu kiện BTCT được lựa chọn trong mục 2.2, thực hiện phân tích đẩy dần các mẫu khung thí nghiệm. Các đường cong khả năng thu được từ phân tích được so sánh với các Hình 2.18. So sánh kết quả thí đường bao lực - chuyển vị thí nghiệm với kết quả phân tích
10 nghiệm (Hình 2.18). Kết quả cho thấy một sự phù hợp khá tốt giữa chúng. 2.3.3.2. Morandi et al. (2014-2018) Hình 2.20. Quan hệ lực – chuyển vị của mô hình tường chèn đề xuất Tương tự như trên, thiết lập mô hình ứng xử của tường Hình 2.21. So sánh KQ thí nghiệm chèn theo phương pháp đề với KQ phân tích theo MH đề xuất xuất (Hình 2.20) và thực hiện phân tích đẩy dần các mẫu thí nghiệm. Kết quả cho thấy các đường cong khả năng thu được từ phân tích khá phù hợp với các đường bao thí nghiệm (Hình 2.21). 2.4. NHẬN XÉT CHƯƠNG 2 Đã thiết lập được mô hình đơn giản mô phỏng ứng xử của tường chèn trong khung BTCT có xét tới sự suy giảm độ bền và độ cứng của khung và tường chèn. Kết quả kiểm chứng trên các mẫu khung chèn được thiết kế theo quan niệm kháng chấn hiện nay cho kết quả khá tốt và không phải hiệu chuẩn mô hình. CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG CHÈN TỚI VIỆC KIỂM SOÁT CƠ CẤU PHÁ HOẠI KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT 3.1. QUAN NIỆM HIỆN ĐẠI VÀ CÁC QUY ĐỊNH THIẾT KẾ KHUNG TRONG CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN HIỆN NAY 3.1.1. Quan niệm hiện đại trong thiết kế công trình chịu động đất Theo quan niệm kháng chấn hiện nay, mục tiêu thiết kế công trình nhằm bảo vệ trực tiếp sinh mạng con người và của cải vật chất xã hội. Khi động đất mạnh xảy ra, công trình được phép làm việc sau giới hạn đàn hồi, nhưng không bị sụp đổ đột ngột. 3.1.2. Các nguyên tắc thiết kế cơ bản theo quan niệm kháng chấn hiện đại
11 Nhằm đạt được các mục tiêu trên, hệ kết cấu phải được thiết kế để bị phá hoại dẻo và phá hoại cắt phải xảy ra sau phá hoại uốn khi động đất mạnh xảy ra. 3.1.3. Thiết kế khung BTCT theo tiêu chuẩn kháng chấn hiện nay Để thực hiện nguyên tắc thiết kế trên, phương pháp thiết kế theo khả năng đã được sử dụng. Theo phương pháp này, các lực dùng để thiết kế khung phải như sau, ví dụ theo TCVN 9386:2012 (nguyên tắc thiết kế cơ bản cột khỏe – dầm yếu): a) Dầm: Mômen uốn M và lực dọc N: lấy theo kết quả phân tích KC, còn lực cắt Q: xác định lại từ khả năng chịu uốn của dầm. b) Cột: Mômen uốn M: được xác định lại từ điều kiện: ∑ M Rc ≥ 1,3∑ M Rb (3.1) trong đó: ΣMRc - tổng khả năng chịu mômen uốn nhỏ nhất của các cột quy tụ vào nút, có xét tới lực dọc N; ΣMRb - tổng khả năng chịu mômen uốn của các dầm quy tụ vào nút. Lực cắt Q: được xác định lại từ khả năng chịu uốn của cột. Một số nhận xét: (i) Quá trình thiết kế khung phải tuân theo một quy trình rất nghiêm ngặt; (ii) Các quy định thiết kế khung không xét tới sự tương tác khung – tường chèn. 3.2. ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG CHÈN TỚI PHẢN ỨNG CỦA CÁC DẦM KHUNG Các nghiên cứu thí nghiệm trên hệ khung chèn cho thấy, dầm khung có ứng xử cứng hơn so với khung trống do lực tương tác với tường chèn gây ra. Để làm rõ hiện tượng này, xét một khung BTCT không có tường chèn (khung trống) như trong Hình 3.2a. Ngoại lực H gây ra mômen uốn tại tiết diện đầu mút C của dầm: Hh 3ω I h M bC , H = (3.2) trong đó: ω = b (3.3) 2 6ω + 1 Icl a) Khung trống b) Khung có tường chèn c) Sơ đồ tính toán hệ khung chèn tương đương Hình 3.2. Các sơ đồ tính toán khung
12 Độ cong của dầm tại đầu mút C sẽ có giá trị sau: M bC , H Hh 3ω =ρbC , H = (3.4) Ec I b 2 Ec I b 6ω + 1 Khi có tường chèn, sơ đồ tính toán hệ khung chèn như trong Hình 3.2b, trong đó Rm là lực nén trong dải chéo tiết diện wmtm. Thay thế sơ đồ ở Hình 3.2b bằng sơ đồ tương đương ở Hình 3.2c với Vm – hình chiếu theo phương ngang của lực nén Rm trong dải chéo. Với sơ đồ này, ta có mômen và độ cong của dầm khi có xét ( H - Vm ) h 3ω tới lực tương tác tường chèn: M bC , H -Vm = (3.5) 2 6ω + 1 M bC , H -Vm ( H - Vm )h 3ω = ρbC , H -Vm = < ρbC , H (3.6) Ec I b 2 Ec I b 6ω + 1 Như vậy, sự tương tác với tường chèn đã làm cho dầm cứng lên. Gọi Ibm ( >Ib) là mômen quán tính tương đương của dầm khung khi xét tới tương tác với tường chèn, tương tự (3.4) ta được độ cong của dầm trong trường hợp này: 3ωm * M bC Hh I h =ρbC * = ,H (3.7), trong đó: ωm = bm (3.8) Ec I bm 2 Ec I bm 6ωm + 1 ,H Icl I bm ωm Xét (3.3) và (3.8), ta được hệ số k= = (3.9) biểu thị Ib Ib ω sự gia tăng mômen quán tính (độ cứng uốn) của dầm khi tương tác với tường chèn. Cân bằng các độ cong (3.6) và (3.7), ta thiết lập 6ω + 1 H được mối quan hệ: m = (3.11). Từ mối quan hệ giữa 6ω + 1 H − Vm lực ngang H và Vm thiết lập được trên cơ sở các sơ đồ tính toán ở Hình 3.2b, 3.2c và từ (3.11) ta thiết lập được tỷ số ωm/ω. Với kết quả này, xác định hệ số kIb (3.9) tại thời điểm cực hạn (wm = wm0 khi n = 1,0 xem Chương 2) khi xét tới tương tác với tường chèn: I h3 w m 0tm Em cos 2θ 3ω + 2 k Ibu = bmu = 1 + (3.18) Ib Ec I c d m 72ω Biểu thức (3.18) cho thấy, khi xét tới tương tác với tường chèn, mômen quán tính của dầm khung Ibmu đã được tăng lên kIbu lần:
13 Ibmu = kIbuIb so với khi không xét. Điều này có nghĩa là, chiều cao tiết diện của dầm khung bị gia tăng thành hbmu = hb 3 k Ibu (3.19) gọi là chiều cao tiết diện tương đương. Sự gia tăng chiều cao tiết diện dầm, kéo theo sự gia tăng khả năng chịu uốn của nó theo − + chiều âm M Rb lẫn chiều dương M Rb trong phương tác động động đất đang xét. Trong trường hợp tổng quát, tại một nút khung bất kỳ: ∑ − M Rbmu =M Rbmu + + M Rbmu ∑ > M Rb =M Rb − + + M Rb (3.21) trong đó ΣMRbmu và ΣMRb – tương ứng là tổng khả năng chịu uốn của các dầm khung quy tụ vào một nút khung khi có xét và không xét tới tương tác với tường chèn, trong phương động đất đang xét. Như vậy, khi xét tới lực tương tác với tường chèn, khả năng chịu uốn của các dầm khung được gia tăng qua hệ số sau: = k Mb = ∑ M Rbmu M Rbmu- + + M Rbmu > 1 (3.22) ∑ M Rb - M Rb + + M Rb 3.3. PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ KHUNG BTCT CHỊU ĐỘNG ĐẤT KHI CÓ XÉT TỚI TƯƠNG TÁC VỚI TƯỜNG CHÈN 3.3.1. Điều kiện kiểm soát cơ cấu phá hoại khung Theo kết quả nghiên cứu ở trên, trong trường hợp có xét tới tương tác với tường chèn, điều kiện kiểm soát cơ cấu phá hoại dẻo (3.1) của khung trong TCVN 9386:2012 có thể sẽ không còn đúng, ∑ do M Rb ở vế phải đã bị gia tăng qua hệ số kMb. Điều này cũng có nghĩa là cột khung có thể bị phá hoại trước dầm và cơ cấu phá hoại tầng mềm có thể xuất hiện ngoài ý muốn của người thiết kế. Do đó, để hệ khung chèn bị phá hoại dẻo như mục tiêu thiết kế đặt ra, điều kiện thiết kế (3.1) cần phải được viết lại như sau: ∑ ∑ M Rcmu ≥ 1,3kMb M Rb (3.23) trong đó: ΣMRcmu - tổng khả năng chịu mômen uốn nhỏ nhất của các cột quy tụ vào nút, có xét tới lực dọc N, ở TTGH cực hạn của tường chèn. Với điều kiện này, dù có hoặc không có tường chèn, nguyên tắc thiết kế “cột khỏe – dầm yếu” sẽ được bảo đảm và khung sẽ bị phá hoại theo cơ cấu dẻo dưới tác động động đất mạnh.
14 3.3.2. Phương pháp thiết kế khung chịu động đất khi có xét tới tương tác với tường chèn Bước 1. Thiết kế các dầm khung theo quy định của tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện nay. Bước 2. Xác định hệ số kIbu theo (3.18) và chiều cao tiết diện tương đương của dầm khung hbmu theo (3.19). Từ đó, xác định khả năng chịu uốn của các dầm tương đương khi có xét tới tương tác với tường chèn M Rbmu − + và M Rbmu . Xác định hệ số kMb theo (3.22). Bước 3. Xác định mômen uốn dùng để thiết kế cột ∑ M Rcmu theo điều kiện đề xuất (3.23). Từ đó tính toán và cấu tạo cốt thép dọc cho cột theo các quy định của tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn. 3.4. VÍ DỤ TÍNH TOÁN 3.4.1. Các số liệu tính toán Xét nhà khung BTCT liền khối cao 3 tầng với các kích thước như trong Hình 3.4. Các dầm ngoài 25x45 cm, các dầm trong 25x50 cm, bản sàn dày 15 cm. Sử dụng: bê tông B30, cốt thép dọc loại CB400-V, cốt thép đai loại CB240-T. Các khung KB và KE được chèn kín bằng tường gạch đặc dày 20 cm mác 100, vữa xi măng mác 75. Tải trọng thẳng đứng (thường xuyên g và tạm thời q) ở mỗi tầng (kể cả mái): g + ψ2q = 9 kN/m2. Công trình được xây dựng tại vùng có gia tốc nền agR = 0,1097g, nền đất loại D, γI = 1,2; cấp dẻo DCM theo TCVN 9386:2012. a) Sơ đồ mặt bằng tầng điển hình b) Sơ đồ kết cấu khung ngang Hình 3.4. Sơ đồ kết cấu nhà khung 3.4.2. Thiết kế KC khung theo các quy định TCVN 9386:2012 Cấu tạo cốt thép khung điển hình KE được cho ở Hình 3.5.
15 Hình 3.5. Cấu tạo cốt thép khung KE 3.4.3. Xác định phản ứng của khung KE được TK theo TCVN 9386:2012 Hình 3.6. Ứng xử của khung KE được TK theo TCVN a) Bước 6 b) Bước 22 c) Bước 48 d) Bước 102 9386:2012 Sử dụng PP phân tích đẩy dần để xác định phản ứng của khung KE. Các MH ứng xử của vật liệu và các cấu kiện khung được lấy theo EC2 và ASCE 41- 13. Kết quả phân tích cho thấy, khung bị phá hoại dẻo như mục tiêu thiết kế đặt ra (Hình 3.6). Đường Hình 3.7. Đường cong khả năng của khung cong khả năng cho trong KE trong các trường hợp khác nhau Hình 3.7 (đường liền nét). 3.4.4. Xác định phản ứng của khung KE được thiết kế theo TCVN 9386:2012 nhưng có xét tới tương tác với các tường chèn Để thực hiện phân tích đẩy dần, sử dụng mô hình tường chèn được đề xuất trong Chương 2 (Hình 2.3).
16 Kết quả tính toán cho các quan hệ lực-chuyển vị của các tường chèn như trong Hình 3.8. a) Tầng 1 b) Các tầng 2 đến 3 Hình 3.8. Quan hệ lực – chuyển vị trong MH ứng xử của tường chèn Việc phân tích đẩy dần ở Hình 3.10 cho thấy, quá trình biến dạng dẻo bắt đầu từ các tường chèn tới các dầm và chân cột tầng một. Đường cong khả năng (đường đứt nét) ở Hình 3.7 cho thấy, khi lực cắt đáy đạt giá trị lớn nhất V = 626,27 kN và ∆ = 0,023 m ở bước 10, hệ KC bị sụt giảm độ cứng đột ngột và biến thiên không đều, do các tường chèn ở tầng một và tầng hai bị phá hoại khá mạnh. Sau thời điểm này cho tới khi đạt chuyển vị mục tiêu ∆ = 4%H = 0,36m (bước 108), các biến dạng dẻo hầu như chỉ tập trung vào các chân cột trên mặt móng và các đầu mút các cột ở tầng một, các tường chèn ở tầng một không còn khả năng chịu lực (Hình 3.10). Hệ kết cấu khung chèn bị phá hoại theo cơ cấu “tầng mềm”. Hình 3.10. Ứng xử của khung KE khi xét tới tương tác với tường a) Bước 3 b) Bước 10 c) Bước 15 d) Bước 108 chèn So sánh các đường cong khả năng của khung KE trong Hình 3.7 khi không xét (đường liền nét) và có xét (đường đứt nét) tới tương tác với tường chèn cho thấy, sự tương tác với các tường chèn đã làm gia tăng đáng kể độ cứng, khả năng chịu lực ngang và khả năng phân tán năng lượng của hệ khung trong giai đoạn đàn hồi ban đầu. 3.4.5. Thiết kế hệ kết cấu khung BTCT có xét tới tương tác với tường chèn theo phương pháp đề xuất Việc thiết kế hệ kết cấu khung đã cho ở Hình 3.4 được thực hiện theo phương pháp đề xuất trong mục 3.3.2. Bước 1 tính toán cốt thép dầm khung KE và khả năng chịu uốn MRb của chúng như
17 thiết kế đã thực hiện ở mục 3.4.2 (Hình 3.5). Bước 2 xác định được hệ số kIbu = 2,508 và chiều cao tiết diện tương đương của dầm khung hbmu = 680 mm, từ đó xác định khả năng chịu uốn của các dầm và hệ số kMb = 1,14. Bước 3 xác định mômen uốn yêu cầu dùng để thiết kế cột ∑ M Rcmu yc từ điều kiện đề xuất (3.23), từ đó tính toán và cấu tạo cốt thép dọc cho các cột. So với kết quả thiết kế theo tiêu chuẩn (Hình 3.5), chiều cao tiết diện các cột ở tầng một (C1 và C4) đều phải tăng thêm 50mm, còn cốt thép tất cả các cột vẫn như cũ. Hình 3.11. Ứng xử của khung KE được thiết kế theo điều kiện đề xuất (3.23) a) Bước 11 b) Bước 17 c) Bước 113 Thực hiện phân tích đẩy dần với các mô hình ứng xử của vật liệu, các cấu kiện khung và tường chèn như trong ví dụ tính toán ở mục 3.4.4. Kết quả phân tích cho thấy, hệ khung được thiết kế theo phương pháp đề xuất không bị phá hoại tầng mềm (Hình 3.11) như trong trường hợp được thiết kế theo TCVN 9386:2012 (Hình 3.10). Các đường cong khả năng trong Hình 3.7 cho thấy, khung KE được thiết kế theo phương pháp đề xuất (đường đứt nét hai chấm) với điều kiện (3.23) có ứng xử vượt trội so với các trường hợp được thiết kế theo điều kiện (3.1) của TCVN 9386:2012. 3.5. NHẬN XÉT CHƯƠNG 3 1. Đã định lượng được các hệ số gia tăng độ cứng uốn kIbu và khả năng chịu uốn của dầm khung kMb khi có xét tới tương tác với tường chèn. 2. Trên cơ sở này, điều kiện kiểm soát cơ cấu phá hoại (3.23) được đề xuất để thay thế cho điều kiện (3.1) của TCVN 9386:2012 không còn đúng nữa khi xét tới tương tác với tương chèn. Từ đó, một phương pháp thiết kế hệ khung BTCT chịu động đất đã được đề xuất. 3. Các ví dụ tính toán cụ thể chứng minh tính đúng đắn của các nghiên cứu lý thuyết đã thực hiện: mô hình tường chèn, phương pháp thiết kế hệ khung khi có xét tới tương tác với tường chèn…
18 CHƯƠNG 4 KIỂM SOÁT PHÁ HOẠI CỤC BỘ KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT CÓ XÉT TỚI TƯƠNG TÁC VỚI TƯỜNG CHÈN 4.1. KIỂM SOÁT PHÁ HOẠI CỤC BỘ KHUNG BTCT TRONG CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ KHÁNG CHẤN HIỆN NAY 4.1.1. Kiểm soát phá hoại cắt ở khung BTCT Phá hoại cắt là dạng phá hoại giòn, do đó cần phải được ngăn chặn, không để nó xảy ra trước phá hoại uốn. Đối với cột khung, theo TCVN 9386:2012, lực cắt dùng để thiết kế được xác định từ khả năng chịu uốn của cột (gọi là lực cắt khả năng) Hình 4.1. Sơ đồ xác định (Hình 4.1): lực cắt cột γ Rd  M Rc ,1  ∑   M Rb   ∑ M Rb    + M Rc ,2      ∑ M Rc 1  ∑ M Rc   VCD , c =  2  (4.3) lcl , c trong đó: lcl,c – chiều dài thông thuỷ của cột; MRc,i - khả năng chịu ∑ ∑ uốn tại đầu mút cột i (i = 1, 2); ( M Rb / M Rc )i ≤ 1 với ∑MRb là tổng khả năng chịu uốn của các tiết diện dầm ở các mặt đối diện của nút i và ∑MRc là tổng khả năng chịu uốn của các tiết diện cột ở trên và dưới của cùng nút i; γRd - hệ số vượt độ bền. 4.1.2. Kiểm tra phá hoại cắt cột trong các tiêu chuẩn kháng chấn TCVN 9386:2012 và EN 1998-1:2004 yêu cầu phải kiểm tra và cấu tạo cột chịu cắt có xét tới tương tác với tường chèn, theo điều kiện: VRd ,c ≥ VEd ,c ,lc (4.4), trong đó: VRd,c - độ bền chịu cắt tại các đầu mút cột được thiết kế theo quy định của tiêu chuẩn; VEd,c,lc - lực cắt thiết kế bị gia tăng do lực ngang trong dải chéo tác động tại các đầu mút cột (Hình 4.2): VEd ,c ,lc = min (VEd ,c , ms ;VEd ,c , M ) (4.5) Hình 4.2. Lực cắt tác động lên cột do tường chèn gây ra