MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Nhà nhiều tầng là bộ phận không thể thiếu trong các đô thị hiện đại. Càng ngày nhà nhiều tầng càng được xây cao để đáp ứng yêu cầu quy hoạch và điều kiện kinh tế xã hội. Kết cấu nhà cao tầng phải đáp ứng được chiều cao yêu cầu và đảm bảo được các tác động ngày càng lớn của gió bão và động đất.
Kết cấu nhà thường được bố trí đối xứng, đều đặn để tránh các tác động xoắn. Tuy nhiên, các thang máy, thang bộ trong nhà thường được đặt trong các kết cấu lõi có lỗ hở, làm cửa ra vào và được sắp xếp theo chiều cao liên tiếp nhau qua các dầm nối (hay còn gọi là lanh tô). Các cấu tạo lõi như thế được gọi là lõi nửa kín. Kết cấu lõi nửa kín làm việc nằm ở trung gian giữa kết cấu lõi hở và kết cấu lõi kín.
Với cấu tạo lệch tâm (do lỗ mở của lõi) nên tải trọng ngang tác dụng vào lõi sẽ gây ra các mô men xoắn. Nghiên cứu sự làm việc chịu xoắn của kết cấu lõi nửa kín là cần thiết. Khi hệ kết cấu chịu xoắn, các tường đối diện của lõi nửa kín sẽ bị vênh (còn gọi là warping torsion), các dầm nối sẽ ngăn cản sự vênh, làm tăng khả năng chịu xoắn của lõi nửa kín so với lõi hở. Về phần mình, các dầm nối chịu tác động lớn, có nội lực (lực cắt và mô men uốn) trong mặt phẳng rất lớn.
Nếu dầm nối không được cấu tạo đủ khả năng chịu lực sẽ đạt đến trạng thái giới hạn làm việc, dầm nối sau đó sẽ ứng xử sau đàn hồi. Các nghiên cứu về phân tích đàn hồi và sau đàn hồi cho kết cấu lõi nửa kín chịu xoắn đã được nghiên cứu bởi Smith [20], Taranath [21], Coull A. [22], [23], JS Kuang [24]–[26] và một số nhà khoa học khác bằng lý thuyết thanh thành mỏng của Vlasov [27] và mô hình rời rạc liên tục đã đánh giá được vai trò của dầm nối trong sự làm việc chịu xoắn của kết cấu lõi nửa kín. Các nghiên cứu sau đàn hồi đã thiết lập được các cân bằng giới hạn, tìm ra được các vùng chảy dẻo (các dầm nối làm việc giới hạn) với các vùng dầm nối làm việc trong vùng đàn hồi ở phía trên và phía dưới vùng giới hạn.
Các cân bằng này được thiết lập qua tính toán độ dẻo của dầm nối ở trường hợp giới hạn bằng với độ dẻo của dầm nối. Kết quả là các vùng dẻo, quan hệ 2 mô men xoắn – góc xoay đỉnh lõi theo sự làm việc sau đàn hồi của dầm nối đã được đưa ra. Do dầm nối có vai trò quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng làm việc của kết cấu lõi nửa kín nên người ta tìm nhiều cách cấu tạo cho nó để tăng cường khả năng chịu lực, độ dẻo và khả năng biến dạng. Một trong những cách cấu tạo hiệu quả được Paulay [28] đề xuất đó là cấu tạo cốt thép chéo cho dầm nối.
Cấu tạo này là yêu cầu không thể thiếu trong các vách lõi có yêu cầu kháng chấn được nhiều tiêu chuẩn đề cập như tiêu chuẩn của New Zealand, tiêu chuẩn Mỹ, tiêu chuẩn Châu Âu. Tính toán kháng chấn ở Việt Nam theo tiêu chuẩn động đất của Châu Âu nên cũng tuân thủ cấu tạo cốt thép chéo cho dầm nối. Điều này cần được kể đến trong phân tích kết cấu lõi nửa kín. Phân tích sau đàn hồi kết cấu lõi nửa kín theo lý thuyết thanh thành mỏng và mô hình rời rạc liên tục là một phương pháp hoàn chỉnh, đáp ứng được yêu cầu tính toán nhưng vẫn có những tồn tại.
Thứ nhất là lý thuyết này chỉ dùng để tính toán được công trình có kết cấu lõi nửa kín làm việc độc lập, không kết hợp được với các cấu kiện khác. Thứ hai là tính toán với kết cấu lõi nửa kín có hình dạng đơn giản: lõi một khoang, một dãy lỗ mở với các dầm nối thẳng hàng, khó thực hiện với các mặt bằng lõi nhiều ngăn, có tường nối và nhiều dãy lỗ. Thứ ba là, trong tính toán, độ cứng của các dầm nối trong quá trình làm việc không thay đổi. Các thí nghiệm dầm nối về sau đã chỉ ra, độ cứng của dầm nối bị suy giảm đáng kể.
Cuối cùng độ dẻo của dầm nối được lấy hai giá trị cố định bằng 4 đối với dầm nối cấu tạo cốt thép theo cách thông thường và bằng 12 đối với dầm nối đặt cốt thép chéo [23], [26]. Các vấn đề tồn tại theo lý thuyết tính toán ở trên có thể được giải quyết bằng phương pháp phần tử hữu hạn với các phân tích phi tuyến qua việc khai báo các mô hình làm việc cho các thành phần của kết cấu qua các khớp dẻo và thay đổi độ cứng của kết cấu, điều này đã được thực hiện cho kết cấu khung. Tuy vậy, các mô hình sau đàn hồi của kết cấu vẫn còn tồn tại các vấn đề như xác định khả năng chịu lực, độ cứng tính toán và các giá trị góc xoay. Dầm nối có sự làm việc khác biệt nhưng hiện 3 mới chỉ có mô hình dầm phi tuyến theo ASCE 41-13 [29] hoặc FEMA 356 [30] được thiết lập trên cơ sở làm việc của các dầm thông thường.
Trường hợp dầm nối có chiều cao lớn, chiều dài nhịp bé, mô hình dầm phi tuyến với các khớp dẻo (hinge), nhất là đối với các dầm nối đặt nhiều cốt thép chéo sẽ không còn phù hợp. Nhiệm vụ đặt ra là cần một mô hình phần tử hữu hạn phù hợp cho kết cấu lõi nửa kín trong đó các dầm nối và liên kết của chúng với các tấm tường cần được mô hình một cách phù hợp để đáp ứng yêu cầu phân tích cho đa dạng các cấu tạo của lõi và kết hợp với các kết cấu chịu lực khác trong tòa nhà (các kết cấu cột, dầm, sàn). Từ những phân tích trên, tác giả tiến hành thực hiện Luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng ứng xử sau đàn hồi của dầm nối tới sự làm việc chịu xoắn của kết cấu lõi nửa kín trong nhà nhiều tầng bê tông cốt thép”. Nghiên cứu có ý nghĩa trong việc bổ sung lý thuyết tính toán và là cơ sở để áp dụng phân tích, thiết kế các kết cấu vách lõi trên thực tế.
Mục đích nghiên cứu Mục đích của luận án là phân tích sự làm việc chịu xoắn của kết cấu lõi nửa kín có xét đến ứng xử sau đàn hồi của các dầm nối Các mục tiêu cụ thể: - Nghiên cứu vai trò, ảnh hưởng, đặc điểm làm việc của dầm nối tới sự làm việc của kết cấu lõi nửa kín. - Đề xuất mô hình tính toán kết cấu lõi nửa kín, thực hiện phân tích tăng dần tải trọng ngang sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn. - Phân tích sự làm việc của kết cấu lõi nửa kín theo sự làm việc sau đàn hồi của dầm nối theo mô hình đề xuất, so sánh với kết quả của các nghiên cứu khác để đánh giá mô hình đề xuất. - Nghiên cứu ảnh hưởng ứng xử sau đàn hồi của dầm nối tới sự làm việc chịu xoắn của kết cấu lõi nửa kín theo các yếu tố: chiều cao dầm nối, hàm lượng cốt thép dọc, cường độ bê tông và hàm lượng cốt thép chéo.
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: kết cấu lõi nửa kín bê tông cốt thép trong nhà nhiều tầng. Phạm vi nghiên cứu: kết cấu lõi nửa kín bê tông cốt thép một khoang, một dãy lỗ chịu xoắn có xét đến ứng xử sau đàn hồi của các dầm nối. Cơ sở khoa học của luận án - Tính toán kết cấu lõi nửa kín theo: lý thuyết thanh thành mỏng của Vlasov [27] và mô hình rời rạc liên tục của Smith [20]; phương pháp tấm gấp dựa trên lý thuyết thanh thành mỏng của Coull A. và cộng sự [22].
- Tính toán kết cấu lõi nửa kín có xét đến sự làm việc sau đàn hồi của dầm nối dựa trên lý thuyết thanh thành mỏng của Vlasov [27] và biến đổi của Coull A. [23] hay của Kuang J. - Lý thuyết tính toán về sự làm việc của dầm nối theo các tiêu chuẩn ASCE 41-13 [29], FEMA 356 [30], ACI 318 [31], tiêu chuẩn New Zealand NZS 3101:2006 [32], tiêu chuẩn Eurocode 8 [7] và tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9386: 2012 [19]. - Các thực nghiệm về sự làm việc và mô hình tính toán dầm nối của nhiều tác giả trong đó có Paulay T.
và cộng sự [28], [33], [34], Hindi và Hassan [35], [36], Naish và Wallace [37]–[39], Gwon và cộng sự, Lim và cộng sự. - Lý thuyết tính toán kết cấu bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn TCVN 5574: 2018 [18], ACI 318 [31], Eurocode 2 [40] và NZS 3101: 2006 [32]. - Lý thuyết trường nén cải tiến tính toán kết cấu bê tông cốt thép [41]–[44]. - Phương pháp phần tử hữu hạn mô phỏng số vật liệu và kết cấu bê tông cốt thép [45], [46].
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: - Mô hình mới được đề xuất trong luận án góp phần phát triển, hoàn thiện lý thuyết tính toán kết cấu lõi nửa kín có xét đến ứng xử sau đàn hồi của các dầm nối. 5 - Kết quả phân tích đàn hồi và phân tích có xét đến ứng xử sau đàn hồi của các dầm nối góp phần làm sáng tỏ một số đặc tính làm việc chịu xoắn của kết cấu lõi nửa kín. Ý nghĩa thực tiễn: - Mô hình mới được áp dụng để tính toán kết cấu lõi nửa kín nhà nhiều tầng có xét đến ứng xử sau đàn hồi của các dầm nối. - Kết quả phân tích đàn hồi và phân tích có xét tới ứng xử sau đàn hồi của các dầm nối có thể được sử dụng khi thiết kế kết cấu lõi nửa kín nhà nhiều tầng.
Phương pháp nghiên cứu của luận án Sử dụng kết quả nghiên cứu lý thuyết và thí nghiệm đã công bố để xây dựng mô hình tính toán kết cấu lõi nửa kín có xét đến sự làm việc sau đàn hồi của dầm nối. Kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô hình số để phân tích sự làm việc kết cấu lõi nửa kín có xét đến sự làm việc sau đàn hồi của các dầm nối. Nội dung nghiên cứu - Phân tích sự làm việc chịu xoắn của kết cấu lõi nửa kín; xem xét đặc tính chịu lực của các dầm nối khi kết cấu lõi chịu xoắn và mức độ ảnh hưởng của các dầm nối đến sự làm việc chịu xoắn của kết cấu lõi nửa kín.