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 luan an 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. 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. luan an 3 Thứ hai, cơ cấu mất cột đột ngột cần phải đủ nhanh để có thể mô phỏng chính xác ứng xử trong thực tế xảy ra. Thứ ba, sự phân bố nội lực, dạng phá hoại trong quá trình sụp đổ cần phải được đo đạc và ghi lại.
Thứ tư, mô hình thực nghiệm được chế tạo tuân theo chỉ dẫn của lý thuyết tương tự. • Nghiên cứu sự làm việc của kết cấu sàn phẳng BTCT không mũ bị mất cột dưới tác dụng của tải trọng đến khi xảy ra sụp đổ hoàn toàn. Quá trình này có bao gồm sự phát triển vết nứt, sự phân bố tải trọng về các cột xung quanh cột bị mất, sức kháng tải trọng của kết cấu sau khi bị mất cột và dạng sụp đổ hoàn toàn. Quan sát thực nghiệm sự hình thành và phát triển của hiệu ứng màng, vốn là cơ chế chịu lực thứ cấp của sàn phẳng khi chịu trạng thái biến dạng lớn.
• Đánh giá hiệu ứng động đến ứng xử của kết cấu sàn phẳng BTCT không mũ cột trong tình huống cột chịu lực bị phá hoại đột ngột. Khi cột chịu lực bị đánh sập đột ngột bởi bom nổ hay nổ khí ga, sự phá hoại chỉ diễn ra trong vài phần nghìn giây [16]. Trong trường hợp này, ứng xử của công trình là động nên dẫn đến tải trọng tác dụng, chuyển vị và nội lực của kết cấu bị khuếch đại bởi một hệ số động nhất định. Do đó, việc đánh giá hiệu ứng động thông qua chương trình thực nghiệm là hết sức cần thiết để hiểu rõ hơn cơ chế sụp đổ của kết cấu công trình.
• Xây dựng công thức bán thực nghiệm nhằm tính toán sức kháng sụp đổ của kết cấu sàn BTCT không mũ cột. Dựa trên kết quả thực nghiệm thu được kết hợp với các kết quả lý thuyết đã được công bố trước đây, nghiên cứu sẽ xây dựng một công thức bán thực nghiệm có thể giúp cho kỹ sư thiết kế tính toán nhanh sức kháng sụp đổ của kết cấu sàn phẳng BTCT. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Theo sự phát triển của nhu cầu sử dụng và công năng của công trình dân dụng và công nghiệp, hệ kết cấu sàn phẳng BTCT là tương đối đa dạng, có thể được phân thành ba loại chính, bao gồm: luan an 4 • Sàn phẳng thông thường có chiều dày sàn không thay đổi theo cả hai phương ngang; • Sàn phẳng được tăng cứng tại khu vực xung quanh đầu cột chịu lực, còn gọi là sàn phẳng có mũ cột; • Sàn phẳng được gia cường bằng hệ cáp dự ứng lực. Trong luận án này, đối tượng nghiên cứu được lựa chọn là sàn phẳng thông thường vì các nghiên cứu trong lĩnh vực biến dạng lớn của dạng kết cấu này còn nhiều vấn đề chưa sáng tỏ.
Ứng xử sụp đổ của sàn phẳng được nghiên cứu với hai tình huống phá hoại cục bộ, đó là khi cột biên giữa hoặc cột biên cận góc bị phá hoại do các tác động bất thường. Cơ sở khoa học của đề tài • Các kết quả nghiên cứu về kết cấu bản sàn BTCT trong 3 thập kỷ qua, đặc biệt trong lĩnh vực nghiên cứu phòng chống SĐLT. Nghiên cứu sự làm việc của bản sàn BTCT dưới tác dụng của tải trọng tác dụng thẳng đứng với dạng phá hoại đặc trưng là chọc thủng tại đầu cột. • Các nghiên cứu sự làm việc của kết cấu bản sàn BTCT ở trạng thái biến dạng lớn.
Trong giai đoạn này ứng xử của kết cấu còn phụ thuộc vào các hiệu ứng chịu lực thứ cấp như: Hiệu ứng màng, hiệu ứng dây căng và hiệu ứng động. Các hiệu ứng này đã được các nghiên cứu chứng tỏ có vai trò nhất định trong việc tham gia vào khả năng chịu tải của bản sàn. • Căn cứ theo kích thước và tỉ lệ của đối tượng nghiên cứu, phương pháp thực nghiệm có thể được thực hiện trên kết cấu công trình thực với tỉ lệ 1:1, hoặc trên kết cấu mô hình với một tỉ lệ thu nhỏ nhất định. Nghiên cứu trên công trình thực tất nhiên sẽ phản ánh được đầy đủ ứng xử kết cấu, nhưng thường không được lựa chọn do chi phí rất lớn và chỉ có thể thực hiện với các biến số nhất định.
Trong khi đó, nghiên cứu trên kết cấu mô hình thu nhỏ cho phép thực hiện trên dải biến số rộng hơn với mức chi phí phù hợp và có thể được thực hiện trong phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, để kết cấu mô hình có thể luan an 5 phản ảnh chính xác được ứng xử sụp đổ thực tế diễn ra thì chương trình thí nghiệm bao gồm mô hình thí nghiệm, phương pháp tạo tải trọng thí nghiệm, quy trình thí nghiệm và điều kiện biên của mẫu thí nghiệm cần phải được thiết kế một cách chi tiết, đầy đủ và phù hợp. Phương pháp nghiên cứu Luận án lựa chọn phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên ba kết cấu thí nghiệm với kích thước hình học được thu nhỏ (tỉ lệ 1:3) so với đối tượng kết cấu thực. Hai trong số ba mẫu thí nghiệm này được tiến hành theo phương thức gia tải tĩnh.
Mẫu thí nghiệm còn lại được sử dụng để quan sát ứng xử động của kết cấu khi cột bị phá hoại đột ngột. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Mất một cột đỡ là trường hợp mà sàn phẳng BTCT chịu một tác động vốn chưa được kể đến trong tính toán thiết kế ban đầu. Dưới tác động này, kết hợp với tải trọng sử dụng tác động lên bản sàn, sẽ dẫn đến sự làm việc của bản sàn nằm ngoài những trạng thái giới hạn (TTGH) về chịu lực, về biến dạng (TTGH 1 và TTGH 2) được sử dụng làm cơ sở trong giai đoạn thiết kế.