Luận án tiến sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng nút khung tới phản ứng của khung bê tông cốt thép chịu động đất

Luận án tiến sĩ phân tích ảnh hưởng của biến dạng nút khung đến phản ứng khung bê tông cốt thép dưới tác động động đất, đóng góp quan trọng cho thiết kế kết cấu an toàn.

• Tác giả: Võ Mạnh Tùng
• Người hướng dẫn: PGS TS. Nguyễn Lê Ninh
• Trường học: Trường Đại Học Xây Dựng
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng
• Đề tài: Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Biến Dạng Nút Khung Tới Phản Ứng Của Khung Bê Tông Cốt Thép Chịu Động Đất
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Nghiên cứu tổng quan về ứng xử của nút khung bê tông cốt thép dưới tác động động đất

Nghiên cứu này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của biến dạng nút khung đến phản ứng của khung bê tông cốt thép khi chịu tác động động đất. Các kết cấu này thường bị phá hoại do biến dạng tại các nút khung, dẫn đến sự sụp đổ toàn bộ công trình. Các ví dụ thực tế từ các trận động đất lớn như ở Thổ Nhĩ Kỳ (1999) và Sumatra (2004) đã chứng minh tầm quan trọng của việc nghiên cứu này. Các mô hình lý thuyết và thực nghiệm đã được đề xuất từ những năm 1960, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế do tính phức tạp của kết cấu và sự đa dạng trong thiết kế.

1.1. Phân loại nút khung bê tông cốt thép

Các nút khung được phân loại dựa trên hình học, cách neo cốt thép, và ứng xử của kết cấu. Việc phân loại này giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng và phản ứng của nút khung dưới tác động động đất. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, việc thiết kế nút khung cần phải xem xét đến các lực tác động như lực cắt, lực kéo, và lực nén.

1.2. Các phương pháp xác định khả năng chịu cắt của nút khung

Các phương pháp xác định khả năng chịu cắt của nút khung bao gồm các mô hình của Paulay và Priestley (1978, 1992), cũng như các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Hoa Kỳ (ACI 318M-2011), New Zealand (NZS 3101), và Việt Nam. Các mô hình này đã được áp dụng trong thực tế, nhưng vẫn cần được cải tiến để phản ánh chính xác hơn ảnh hưởng của biến dạng nút khung đến phản ứng của khung bê tông cốt thép.

II. Biến dạng của nút khung bê tông cốt thép

Biến dạng của nút khung là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến phản ứng của khung bê tông cốt thép khi chịu tác động động đất. Các thành phần biến dạng bao gồm chuyển vị xoay đầu mút cố định và biến dạng cắt của nút khung. Các nghiên cứu thực nghiệm đã chỉ ra rằng, biến dạng cắt có ảnh hưởng lớn đến sự phân bố ứng suất và khả năng chịu lực của nút khung.

2.1. Chuyển vị xoay đầu mút cố định

Chuyển vị xoay đầu mút cố định là một thành phần quan trọng của biến dạng nút khung. Nó được xác định từ thời điểm cốt thép bắt đầu chảy dẻo cho đến khi kết cấu đạt trạng thái cực hạn. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, lực bám dính giữa cốt thép và bê tông đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chuyển vị xoay này.

2.2. Biến dạng cắt nút khung

Biến dạng cắt của nút khung được xác định thông qua ứng suất cắt và các kết quả nghiên cứu thực nghiệm. Các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện đại đã đưa ra các phương pháp để xác định ứng suất cắt này, giúp cải thiện khả năng chịu lực của nút khung dưới tác động động đất.

III. Nghiên cứu thí nghiệm nút khung bê tông cốt thép

Các nghiên cứu thí nghiệm được thực hiện nhằm mục đích xác định ảnh hưởng của biến dạng nút khung đến phản ứng của khung bê tông cốt thép. Các mẫu thí nghiệm được thiết kế với các đặc trưng cơ lý của vật liệu bê tông và cốt thép. Quy trình chất tải và các số liệu thí nghiệm được ghi lại để phân tích ứng xử của các mẫu thí nghiệm.

3.1. Thiết kế mẫu thí nghiệm

Các mẫu thí nghiệm được thiết kế dựa trên các yêu cầu về hình học và vật liệu. Các đặc trưng cơ lý của bê tông và cốt thép được xác định để đảm bảo tính chính xác của kết quả thí nghiệm. Các mẫu thí nghiệm được chất tải theo quy trình cụ thể để xác định biến dạng và phản ứng của nút khung.

3.2. Phân tích kết quả thí nghiệm

Các kết quả thí nghiệm được phân tích để xác định mối quan hệ giữa lực cắt tầng và chuyển vị ngang. Các ứng xử của dầm, cột, và nút khung được đánh giá để xác định nguyên nhân phá hoại và khả năng chịu cắt của nút khung. Các kết quả này cung cấp cơ sở cho việc cải thiện thiết kế khung bê tông cốt thép chịu động đất.

IV. Mô hình hóa ứng xử của nút khung dưới tác động động đất

Việc mô hình hóa ứng xử của nút khung dưới tác động động đất là một bước quan trọng trong việc phân tích và thiết kế khung bê tông cốt thép. Các mô hình được xây dựng dựa trên các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, giúp xác định ảnh hưởng của biến dạng nút khung đến phản ứng tổng thể của kết cấu.

4.1. Mô hình hóa biến dạng cắt nút khung

Các mô hình hóa biến dạng cắt của nút khung được xây dựng để xác định sự góp phần của biến dạng này đến chuyển vị ngang của khung. Các đặc trưng của lò xo mô phỏng biến dạng cắt được thiết lập để phản ánh chính xác ảnh hưởng của biến dạng nút khung đến phản ứng của kết cấu.

4.2. Hiệu chuẩn và đánh giá mô hình

Các mô hình được hiệu chuẩn và đánh giá dựa trên các kết quả thí nghiệm. Việc hiệu chuẩn giúp đảm bảo tính chính xác của mô hình trong việc mô phỏng ứng xử của nút khung dưới tác động động đất. Các mô hình này cung cấp cơ sở cho việc thiết kế khung bê tông cốt thép chịu động đất một cách hiệu quả.

V. Phân tích phi tuyến các hệ kết cấu khung chịu động đất

Phân tích phi tuyến các hệ kết cấu khung chịu động đất là một bước quan trọng trong việc đánh giá phản ứng của khung bê tông cốt thép dưới tác động động đất. Các đặc trưng của mô hình biến dạng nút được xác định để phân tích phản ứng của kết cấu trong các trường hợp tính toán khác nhau.

5.1. Phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần

Phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần được thực hiện để xác định phản ứng của khung bê tông cốt thép dưới tác động động đất. Các kết quả phân tích giúp xác định các điểm yếu trong kết cấu và cải thiện thiết kế để đảm bảo khả năng chịu lực của khung.

5.2. Phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian

Phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian được thực hiện để xác định phản ứng của khung bê tông cốt thép dưới tác động động đất theo thời gian. Các kết quả phân tích giúp xác định các điểm yếu trong kết cấu và cải thiện thiết kế để đảm bảo khả năng chịu lực của khung.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP DƯỚI TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT VÀ NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC 1. SỰ PHÁ HOẠI CỦA NÚT KHUNG DƯỚI TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT Nút khung hay còn gọi là nút liên kết dầm – cột là vùng được tạo thành bởi sự giao nhau giữa dầm và cột ở hệ kết cấu khung BTCT. Nút khung được xem là một phần của cột trong chiều cao lớn nhất của tiết diện ngang các dầm ngàm vào cột [56]. Yêu cầu chức năng của nút khung là tạo điều kiện để cho các cấu kiện kế cận nó phát triển và duy trì được các khả năng chịu lực và biến dạng cực hạn của chúng [35].

Có hai dạng phá hoại nút khung thường thấy sau các trận động đất: (a) phá hoại cắt nút khung và (b) phá hoại neo cốt thép (Hình 1. (a)Phá hoại cắt nút khung b)Neo cốt thép không phù hợp Hình 1. Các dạng phá hoại chủ yếu ở các nút khung bê tông cốt thép Hình 1.1 cho thấy, sự phá hoại nút khung chủ yếu do cốt thép đai không phù hợp và khả năng neo không đủ trong vùng nút khung [4].2 là một ví dụ khác về dạng phá hoại cắt nút khung xẩy ra ở trận động đất Kocaeli và Tây Sumatra [4]. Đa số các phá hoại cắt nút khung xuất hiện do khả năng ứng xử giòn, hoặc do thiếu cốt đai trong vùng nút khung.3 là các ví dụ tiếp theo về sự sụp đổ các hệ kết cấu BTCT do nút khung bị phá hoại (trận động đất 27/5/2006 ở Trung Java).

Tất cả các ví dụ nêu trên về sự phá hoại các nút khung trong các trận động đất đã xẩy ra gần đây cho thấy một cách rõ ràng tầm quan trọng của các nút khung đối 7 với sự an toàn tổng thể các công trình xây dựng. Nút khung bị phá hoại cắt a) động đất ở Kocaeli – Thổ Nhĩ Kỳ, 1999; b) động đất ở Tây Sumatra, 2007 Hình 1. Phá hoại nút khung trong động đất ở Trung Java, 5/2006 1. PHÂN LOẠI CÁC NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Các nút khung BTCT được sử dụng trong các hệ kết cấu khung có thể được phân loại theo dạng hình học và cách neo cốt thép dầm, theo ứng xử kết cấu hoặc theo cách thức Hình 1.

Các nút ngoài cấu tạo.1 Phân loại dựa theo dạng hình học và cách neo cốt thép dầm Căn cứ vào những khác nhau cơ bản trong cách thức neo các thanh cốt thép dầm, các nút khung thường được phân thành nút khung trong và nút khung ngoài. Các nút khung ngoài Hình 1.4 cho các dạng khác nhau của nút khung ngoài. Trường hợp khung phẳng, các nút góc nằm ở cao trình mái (Hình 1.4a) và ở sàn trung gian (Hình 1.4d) thuộc loại nút khung ngoài. Trường hợp khung không gian, nút góc ở mái (Hình 1.4c), nút góc sàn trung gian (Hình 1.4e) và nút biên sàn trung gian (Hình 1.4f) thuộc loại nút khung ngoài.

Các nút khung trong Hình 1.5 cho các dạng khác nhau của các nút khung trong. Trường hợp khung phẳng, các nút giữa ở mái (Hình 1.5a) và ở sàn trung gian (Hình 1.5b) thuộc loại nút khung trong. Trường hợp khung không gian, nút giữa ở mái (Hình 1.5c) và ở sàn trung gian (Hình 1.5d) thuộc loại nút khung trong. Phân loại dựa theo ứng xử của kết cấu Dựa trên sự lan truyền khe nứt trong vùng nút khung và cơ cấu phá hoại dưới tác động tải trọng, các nút khung có thể được phân loại như sau: 1.

Nút khung đàn hồi Nút khung đàn hồi là các nút khung chỉ làm việc trong miền đàn hồi trong suốt quá trình chịu lực. Trong trường hợp này, ở vùng nút khung thường không có cốt đai hoặc có một lượng cốt đai nhỏ. Nút khung không đàn hồi Nút khung không đàn hồi là các nút khung được bố trí một lượng cốt thép chịu cắt lớn nên có thể có biến dạng không đàn hồi dưới tác động động đất [4][35]. Nguyên nhân của hiện tượng này xuất phát từ sự lan sâu các biến dạng không đàn hồi dọc theo các thanh cốt thép của dầm vào trong nút khung.

Phân loại dựa theo cách thức cấu tạo Căn cứ vào cách cấu tạo cốt thép trong vùng nút khung, các nút khung khung BTCT có thể được phân loại như sau: a. Nút khung giòn Các nút khung giòn là các nút khung mà ở đó cốt thép thường không có đủ chiều dài neo, đoạn nối chồng ngắn, cốt thép không liên tục, không có cốt đai hoặc khoảng cách cốt đai thưa, (Hình 1. Nút khung dẻo Các nút khung dẻo là các nút khung mà ở đó các thanh cốt thép dầm có chiều dài neo lớn, đoạn nối chồng dài, cốt thép liên tục, khoảng cách giữa các cốt đai nhỏ.6b cho cấu tạo cốt thép điển hình của loại nút khung dẻo trong các tiêu chuẩn thiết kế hiện đại (ví dụ TCVN 9386:2012 [55]), trong đó (a) cấu tạo các nút khung, (b) neo các thanh cốt thép dầm trong nút khung ngoài và (c) nối chồng cốt thép trong dầm. Loại nút khung này có khả năng chịu các biến dạng lớn và/hoặc nhiều chu kỳ biến dạng vượt quá giới hạn Hình 1.6 Cấu tạo nút khung giòn và dẻo đàn hồi của chúng và duy trì được độ bền không bị suy giảm đáng kể.

CÁC LỰC TÁC ĐỘNG LÊN NÚT KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP Xét một nút khung trong như ở Hình 1. Tách nút khung này ra khỏi khung tại các điểm uốn ở giữa chiều dài của các cột và dầm liền kề với nó thành một hệ độc lập, gọi là hệ nút khung (Hình 1. Dưới tác động của tải trọng ngang, các mômen uốn trong các cột trên và dưới nút khung có dấu đối nghịch nhau. ương tự, các mômen uốn trong các dầm ở hai bên nút khung cũng có dấu khác nhau.

Do đó, trong vùng nút khung các lực cắt đứng và Hình 1.7 Khảo sát một nút khung ngang thường có giá trị lớn hơn nhiều so trong điển hình với các lực cắt tác động lên các dầm và cột liền kề (Hình 1. Vì vậy, nếu không được thiết kế một cách đúng đắn, các nút khung có thể bị phá hoại cắt. 10 Dưới tác động của tải trọng ngang, các thành phần lực từ dầm và cột truyền vào nút khung trong được thể hiện ở Hình 1. Lực từ dầm truyền vào nút gồm 2 thành phần: lực cắt và mômen uốn ngược chiều nhau ở hai bên nút khung.

Thành phần lực cắt dầm góp phần gây ra lực cắt đứng trong nút, còn thành phần mômen uốn gây ra kéo cốt thép ở một phía và nén cốt thép ở phía đối diện của nút, từ đó tạo ra lực cắt ngang lớn trong lõi nút.9b cho thấy phần lõi nút được gạch chéo với các thành phần nội lực phát sinh. Giả thiết việc thiết kế khung được thực hiện sao cho các khớp dẻo xuất hiện trước hết ở các dầm với các mômen uốn cực hạn Mub1 và Mub2. Khi xem nút khung là một phần của cột và bỏ qua lực quán tính ngang của sàn tác động vào nút khi động đất xảy ra, sự cân bằng các lực ngang truyền vào lõi nút và lực cắt ngang nút tại mặt cắt x – x cho ta giá trị của lực cắt ngang này như sau (Hình 1.9b): V jh  Cb1  Csb1  Tsb2  Vc (1.1) Do ở mặt trái của dầm hợp lực Cb1 của bê Hình 1.8 Lực cắt tại nút khung trong tông vùng nén và Csb1 của cốt thép thớ trên cân bằng với ứng suất kéo Tsb1 của cốt thép thớ dưới, phương trình (1.1) có thể viết dưới dạng sau: V jh  Tsb1  Tsb 2  Vc (1.2) Trong các biểu thức trên: Tsb1 và Tsb2 – tương ứng là lực kéo trong cốt thép ở đáy dầm 1 và mặt trên dầm 2; Cb1 và Csb1 – tương ứng hợp lực nén của bê tông và lực nén trong cốt thép ở mặt trên dầm 1; Vc - lực cắt trung bình của cột ở trên và dưới nút khung.9 Lực tác động lên nút khung trong Giả thiết các khớp dẻo uốn xuất hiện tại các tiết diện dầm ngay sát mặt nút. Biết lượng cốt thép chịu uốn ở mặt trên và dưới dầm As1 và As2 cũng như ứng suất kéo trong cốt thép được giả thiết đạt tới độ bền vượt quá λ0fy, theo biểu thức (1.2) lực cắt ngang lớn nhất tại nút được xác định như sau: V jh  ( As1  As 2 )0 f y  Vc  ( 1   )0 f y As1  Vc (1.3) trong đó: β = As2 / As1, fy – cường độ chịu kéo của cốt thép dọc λ0 – hệ số vượt độ bền do cốt thép bị biến cứng [35].

Trong thời gian khung phản ứng không đàn hồi dưới tác động động đất, sự phân bố tổng mômen uốn ở dầm Mub1 + Mub2 tới các cột trên và dưới nút đang xét rất khó xác định do sự thay đổi liên tục độ cứng các cấu kiện quy tụ vào nút, cũng như ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác như lực dọc trong cột, sự tham gia chịu lực của bản sàn… Bên cạnh đó, lực cắt cột Vc còn phụ thuộc vào giá trị mômen ở tại đầu mút đối diện của cột, mà giá trị này cũng phụ thuộc vào những yếu tố biến động tương tự như ở tại nút đang xét. Vì lý do này, Paulay, Park và Priestley đã kiến nghị một biểu thức xác định lực cắt cột Vc dựa trên các mômen dầm tại các mặt cột như Vc  L L M 1 1, cl ub1  L2 L2,cl M ub2 sau [35][37]: (1.4) Lc  Lc  / 2 trong đó: L1 và L2 - các nhịp dầm kể từ trục cột; L1,cl và L2,cl - các nhịp thông thủy của dầm tương ứng kể từ mặt cột; 12 Lc và L’c - các chiều cao cột kể từ trục dầm; Mub1 và Mub2 – khả năng chịu uốn thiết kế của các dầm tại mặt nút. Đối với lực cắt nút theo phương đứng Vjv, việc xem xét sự cân bằng của các lực thẳng đứng tại nút ở Hình 1.9 có thể dẫn tới các biểu thức tương tự như các biểu thức (1. Tuy nhiên, theo định lý Caushi ứng suất cắt theo phương ngang tại nút phải bằng ứng suất cắt tương ứng theo phương đứng τjh = τjv: V jh V jv  jh    jv  (1.5) b j hc b j hb trong đó bj bề rộng hiệu dụng của nút (xem công thức (1.

Do đó lực cắt thẳng hb đứng tại nút sẽ như sau: V jv  V jh (1.6) hc Bằng cách tương tự, có thể xác định Vjh ở một nút khung ngoài (nút chỉ có dầm ở 1 mặt). Do tại nút chỉ có một dầm, nên lực cắt theo phương ngang Vjh được xác định theo (1.