Luận án tiến sĩ kỹ thuật xây dựng nghiên cứu thực nghiệm cơ chế phá hủy của kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép khi mất cột biên

Luận án tiến sĩ nghiên cứu thực nghiệm cơ chế phá hủy kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép khi mất cột biên, đóng góp quan trọng cho ngành xây dựng.

• Tác giả: Trần Quốc Cường
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Xuân Đạt
• Trường học: Đại học Xây dựng
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu thực nghiệm cơ chế phá hủy sàn phẳng bê tông cốt thép khi mất cột biên
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Nghiên cứu thực nghiệm

Nghiên cứu thực nghiệm là trọng tâm của luận án, tập trung vào việc xây dựng mô hình thí nghiệm để mô phỏng cơ chế phá hủy của sàn phẳng bê tông cốt thép khi mất cột biên. Mô hình được thiết kế để đảm bảo tính chính xác trong việc phân bố tải trọng và mô phỏng hiện tượng mất cột đột ngột. Các yếu tố như phân tích kết cấu, đánh giá độ bền, và thí nghiệm kết cấu được thực hiện để ghi lại sự phân bố nội lực và dạng phá hoại trong quá trình sụp đổ. Mô hình tuân thủ lý thuyết tương tự, đảm bảo tính khả thi và độ tin cậy của kết quả thí nghiệm.

1.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu thực nghiệm là xây dựng mô hình thí nghiệm phù hợp để mô tả ứng xử sụp đổ của kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép khi mất cột biên. Mô hình cần đảm bảo sự phân bố tải trọng đều, mô phỏng chính xác hiện tượng mất cột đột ngột, và ghi lại sự phân bố nội lực cùng dạng phá hoại. Điều này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế phá hủy và ngăn chặn sự cố mất cột trong thực tế.

1.2 Phương pháp thực nghiệm

Phương pháp thực nghiệm bao gồm việc thiết kế mô hình thí nghiệm tuân thủ lý thuyết tương tự, sử dụng các thiết bị đo đạc như LVDT và strain gauges để ghi lại chuyển vị và biến dạng. Quy trình thí nghiệm được thực hiện theo các bước cụ thể, từ lắp dựng mẫu đến gia tải và đo đạc kết quả. Phương pháp này đảm bảo tính chính xác và khả năng lặp lại của thí nghiệm.

II. Cơ chế phá hủy

Cơ chế phá hủy của sàn phẳng bê tông cốt thép khi mất cột biên được phân tích chi tiết thông qua các thí nghiệm. Kết quả cho thấy sự phát triển của các vết nứt, dạng phá hoại, và sự phân bố tải trọng về các chân cột. Hiệu ứng màng nén và màng căng được nghiên cứu để hiểu rõ hơn về ứng xử của kết cấu ở trạng thái biến dạng lớn. Các cơ chế chịu lực thứ cấp như cơ cấu vòm nén và cơ cấu dây căng cũng được xem xét để đánh giá độ bền của kết cấu.

2.1 Hiệu ứng màng nén và màng căng

Hiệu ứng màng nén và màng căng đóng vai trò quan trọng trong ứng xử của kết cấu khi mất cột biên. Hiệu ứng màng nén xảy ra khi bản sàn bị hạn chế chuyển vị ngang, trong khi hiệu ứng màng căng xuất hiện khi bản sàn tự do chuyển vị ngang. Các hiệu ứng này giúp tăng cường sức kháng tải của kết cấu và ngăn chặn phá hủy kết cấu.

2.2 Cơ chế chịu lực thứ cấp

Các cơ chế chịu lực thứ cấp như cơ cấu vòm nén và cơ cấu dây căng được nghiên cứu để đánh giá độ bền của kết cấu. Cơ cấu vòm nén giúp phân bố lại tải trọng, trong khi cơ cấu dây căng tăng cường khả năng chịu kéo của kết cấu. Các cơ chế này đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn sụp đổ lũy tiến.

III. Phân tích kết quả thí nghiệm

Kết quả thí nghiệm được phân tích để đánh giá ứng xử của kết cấu khi mất cột biên. Các yếu tố như quan hệ tải trọng – chuyển vị, biến dạng của cốt thép, và sự phân bố tải trọng về các chân cột được xem xét. Kết quả cho thấy sự gia tăng nội lực trong cột và sự phát triển của các vết nứt. Hiệu ứng động cũng được đánh giá để hiểu rõ hơn về ứng xử của kết cấu khi mất cột đột ngột.

3.1 Quan hệ tải trọng chuyển vị

Quan hệ tải trọng – chuyển vị được phân tích để đánh giá ứng xử của kết cấu khi mất cột biên. Kết quả cho thấy sự gia tăng chuyển vị đứng và ngang khi tải trọng tăng, đồng thời xác định được tải trọng gây sụp đổ của mẫu thí nghiệm.

3.2 Hiệu ứng động

Hiệu ứng động được đánh giá thông qua việc đo đạc gia tốc dao động và biến dạng của cốt thép khi mất cột đột ngột. Kết quả cho thấy sự gia tăng nội lực trong cột và sự phát triển của các vết nứt, giúp hiểu rõ hơn về ứng xử của kết cấu trong điều kiện động.

IV. Đánh giá độ bền và ứng dụng thực tế

Luận án đưa ra các phương pháp đơn giản để xác định sức kháng sụp đổ của sàn phẳng bê tông cốt thép khi mất cột biên. Các giả thiết tính toán và đánh giá hiệu ứng động được xem xét để đảm bảo tính chính xác của phương pháp. Kết quả thí nghiệm được so sánh với các tính toán lý thuyết để đánh giá độ tin cậy. Phương pháp này có thể áp dụng trong thiết kế và đánh giá độ bền của các công trình thực tế.

4.1 Phương pháp đơn giản xác định sức kháng sụp đổ

Phương pháp đơn giản được đề xuất để xác định sức kháng sụp đổ của sàn phẳng bê tông cốt thép khi mất cột biên. Các giả thiết tính toán và đánh giá hiệu ứng động được xem xét để đảm bảo tính chính xác của phương pháp. Kết quả thí nghiệm được so sánh với các tính toán lý thuyết để đánh giá độ tin cậy.

4.2 Ứng dụng thực tế

Phương pháp đơn giản có thể áp dụng trong thiết kế và đánh giá độ bền của các công trình thực tế. Điều này giúp ngăn chặn sự cố mất cột và sụp đổ lũy tiến, đảm bảo an toàn cho các công trình dân dụng và công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1 1. Lý do chọn đề tài. Mục tiêu nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

Cơ sở khoa học của đề tài. Phương pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Những đóng góp mới của luận án.

Cấu trúc của luận án. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN SỰ LÀM VIỆC CỦA SÀN PHẲNG BTCT KHI BỊ MẤT CỘT ĐỠ 8 1.1 Sụp đổ lũy tiến (SĐLT) hệ kết cấu công trình BTCT .1 Khái niệm sụp đổ lũy tiến (SĐLT) .2 Một số vụ sụp đổ điển hình .3 Cơ chế SĐLT của kết cấu BTCT khi mất cột chịu lực .1 Hiệu ứng gấp đôi nhịp .2 Hiệu ứng động .2 Ứng xử của kết cấu BTCT chịu uốn khi biến dạng lớn và cơ chế chịu lực 14 1.1 Ứng xử của kết cấu BTCT chịu uốn khi biến dạng lớn .2 Các cơ chế chịu lực thứ cấp của kết cấu BTCT khi biến dạng lớn 15 1.1 Cơ chế chịu lực vòm nén (CCVN) .2 Cơ chế chịu lực dây căng (CCDC) .3 Cơ chế màng (CCM) trong cấu kiện dầm sàn BTCT .3 Sự làm việc và dạng phá hoại của kết cấu sàn phẳng BTCT .1 Sự làm việc của kết cấu sàn phẳng .2 Các cơ chế phá hoại của sàn phẳng .3 Ứng xử của sàn phẳng BTCT ở trạng thái biến dạng lớn và các cơ chế chịu lực thứ cấp .1 Ứng xử của sàn phẳng ở trạng thái biến dạng lớn .2 Hiệu ứng màng nén bản sàn bị hạn chế chuyển vị ngang 20 1.3 Hiệu ứng màng căng bản sàn hạn chế chuyển vị ngang 21 1.4 Hiệu ứng màng với bản sàn tự do chuyển vị ngang .4 Một số phương pháp thiết kế phòng chống SĐLT trên thế giới .1 Phương pháp lực giằng .2 Phương pháp kháng cục bộ đặc biệt .3 Phương pháp Đường tải trọng thay thế .5 Nghiên cứu kết cấu BTCT khi mất cột chịu lực .1 Nghiên cứu thực nghiệm .1 Sự phát triển CCDC và CCVN trong khung phẳng .2 Sự hình thành và phát triển CCM trong kết cấu sàn .2 Phương pháp bán thực nghiệm tính toán sức kháng sụp đổ .3 Những vấn đề còn tồn tại .6 Tóm tắt và kết luận chương. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH SÀN PHẲNG BTCT KHI MẤT CỘT BIÊN 44 2.1 Mục tiêu và nội dung của nghiên cứu thực nghiệm .1 Mục tiêu nghiên cứu thực nghiệm .2 Nội dung nghiên cứu thực nghiệm .2 Cơ sở xây dựng mô hình thí nghiệm .1 Kết cấu công trình thực tế sử dụng cho việc xây dựng mô hình thí nghiệm .2 Cơ sở lý thuyết mô hình hóa .1 Số tỷ lệ cơ bản .2 Số tỷ lệ dẫn xuất .3 Lựa chọn các số tỷ lệ cơ bản .4 Mô hình hóa kết cấu chịu tác động do mất cột đột ngột .3 Mô hình thí nghiệm và vật liệu chế tạo .1 Mô hình thí nghiệm .1 Cấu tạo bản sàn BTCT .2 Cột đỡ sàn phẳng BTCT thí nghiệm .3 Liên kết cột với mẫu sàn thí nghiệm .4 Liên kết cột với sàn phòng thí nghiệm .2 Thí nghiệm xác định đặc trưng cơ lý vật liệu chế tạo .1 Vật liệu bê tông .2 Cốt thép sử dụng cho bê tông .3 Vật liệu chế tạo cột thép .4 Vật liệu bu lông .4 Tải trọng thí nghiệm tĩnh .1 Dạng tải trọng thí nghiệm tĩnh .2 Giá trị tải trọng tĩnh .3 Sơ đồ tác dụng tải trọng .4 Biện pháp tạo tải trọng phân bố đều .5 Quy trình tác dụng tải trọng tĩnh .5 Tải trọng thí nghiệm động .1 Tình huống mất cột đột ngột .2 Cách thức tạo trường hợp mất cột đột ngột .3 Quy trình thí nghiệm động .6 Thiết bị và dụng cụ đo .1 Thiết bị và dụng cụ đo chuyển vị LVDT .1 Đo chuyển vị đứng .2 Đo chuyển vị ngang .2 Thiết bị và dụng cụ đo biến dạng thép .1 Loại phiến điện trở (strain gauges) sử dụng .2 Mục đích sử dụng phiến điện trở (strain gauge) .3 Cơ sở chọn vị trí dán .4 Xác định nội lực trong cột .3 Đo gia tốc dao động .4 Thiết bị ghi dữ liệu .7 Quy trình thí nghiệm .1 Lắp dựng mẫu thí nghiệm .2 Quy trình thực hiện thí nghiệm .8 Kết luận chương. PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 81 3.1 Phân tích kết quả thí nghiệm tĩnh với mẫu SP1 và SP3 .1 Sự phân bố vết nứt, dạng và cơ chế phá hoại của mẫu thí nghiệm 81 3.2 Quan hệ tải trọng – chuyển vị .3 Biến dạng của cốt thép .4 Sự phân bố tải trọng về các chân cột .5 Hiệu ứng màng-ứng xử của sàn phẳng khi biến dạng lớn .2 Phân tích và đánh giá kết quả thí nghiệm động với mẫu SP2 .1 Sự làm việc của cơ cấu cột chống thép .2 Quan hệ tải trọng – chuyển vị .3 Ứng xử động của kết cấu bản sàn .1 Quan hệ chuyển vị theo thời gian .2 Biến dạng của cốt thép .3 Sự gia tăng nội lực trong cột .4 Xác định hệ số động theo số liệu thực nghiệm .5 Sự phát triển vết nứt và cơ chế phá hủy của mẫu SP2 .3 Kết luận chương.

PHƯƠNG PHÁP ĐƠN GIẢN XÁC ĐỊNH SỨC KHÁNG SĐLT CỦA SÀN PHẲNG BTCT 114 4.1 Các giả thiết tính toán của phương pháp đơn giản .2 Đánh giá hiệu ứng động .3 Sức kháng SĐLT của kết cấu sàn phẳng bê tông cốt thép .4 Tải trọng cực hạn Wult của hệ kết cấu sàn phẳng .1 Tải trọng cực hạn Wult khi mất cột biên giữa (CBG) .2 Tải trọng cực hạn Wult khi mất cột biên cận góc (CBCG) .5 Hệ số độ dẻo chuyển vị µ∆ .1 Lựa chọn khớp dẻo xoay .2 Xác định chuyển vị dẻo ∆y theo độ cong dẻo ϕy .3 Xác định chuyển vị chảy dẻo ∆p theo độ cong chảy dẻo ϕp .4 Xác định hệ số chuyển vị dẻo µ∆ theo hệ số dẻo xoay µϕ .5 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số đến sức kháng SĐLT .6 So sánh với kết quả thực nghiệm .1 Mẫu thí nghiệm sàn phẳng .2 Áp dụng phương pháp đơn giản cho mẫu thí nghiệm SP1 .8 Điều kiện áp dụng phương pháp đơn giản .9 Kết luận chương. 137 KẾT LUẬN 138 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 141 TÀI LIỆU THAM KHẢO 142 viii PHỤ LỤC P1 PHỤ LỤC A. CÁC QUY TRÌNH TÍNH TOÁN P1 A.1 Áp dụng phương pháp đơn giản .2 Thiết kế bản sàn công trình thực .3 Các bảng tính theo phương pháp đơn giản. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM P6 B.1 Các số liệu thí nghiệm (data logger) .2 Các kết quả Etab .3 Số liệu Etab của sàn phẳng trước và sau khi mất cột.

P6 x DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT PHLT Phá hủy lũy tiến. SĐLT Sụp đổ lũy tiến. BTCT Bê tông cốt thép. CCU Cơ cấu uốn CCVN Cơ cấu vòm nén CCM Cơ cấu màng CCDC Cơ cấu dây căng CBG Cột biên giữa CBCG Cột biên cận góc CGCG Cột giữa cận góc ALP Alternative load path ĐTT Đường truyền tải trọng thay thế GSA General Services Administration UFC Unified Facilities Criteria DOD Department of Defense ASCE American Society of Civil Engineers ACI American Concrete Institute LVDT Linear variable differential transformer BSG Bottem strain gauge TSG Top strain gauge Es Modul đàn hồi của cốt thép.

Ec Modul đàn hồi của bê tông. As Diện tích tiết diện cắt ngang. Is Mô men quán tính của cột thép tròn. Rs Bán kính ngoài của cột thép tròn.

ϵ Biến dạng dọc trục của thép. Lx(y) Nhịp kết cấu phương X và Y. mx(y) Moment uốn dương đơn vị phương X và Y. xi m′x(y) Moment uốn âm đơn vị phương X và Y.

As Tiết diện cốt thép chịu kéo đơn vị trong sàn phẳng. ds chiều cao tính kết cấu trong sàn phẳng. fc′ Cường độ chịu nén đặc trưng của bê tông. fy Giới hạn chảy dẻo của cốt thép.

wyield Tải trọng gây chảy dẻo đơn vị của sàn phẳng. Wyield Tải trọng giới hạn chảy dẻo của sàn phẳng. WM Đóng góp của moment dương cho sức kháng tải. WT M A Đóng góp của hiệu ứng màng cho sức kháng tải.

Wactual Tải trọng thí nghiệm. M′ Tổng Moment uốn âm lý thuyết của mẫu thí nghiệm. µ∆ Hệ số dẻo của kết cấu khi chuyển vị đứng. Wult Tải trọng phân bổ đều cực hạn.

ϕy Độ cong khi bắt đầu chảy dẻo. ϕp Độ cong trong suốt quá trình chảy dẻo. ϕm Độ cong lớn nhất của tiết diện. θ Góc xoay của tiết diện.

β1 Hệ số tỷ lệ chiều cao vùng nén. (Me g)max Tải trọng đứng max để chuyển vị động max. Re Khả năng chịu lực của hệ tương đương. ∆y Chuyển vị tương ứng với thời điểm bắt đầu chảy dẻo.

∆p Chuyển vị trong suốt quá trình chảy dẻo. ∆m Chuyển vị lớn nhất. Uf Chuyển vị dẻo giới hạn Pgn Tải trọng gây nứt. Pph Tải trọng phá hoại.

Pcp Tải trọng cho phép. Φ Hệ số giảm cường độ. xii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tòa nhà Murrah building trước và sau khi bị SĐLT [21] .2 SĐLT của kết cấu tòa nhà Sampoong Store .3 SĐLT của các công trình khác .4 Gia tăng nội lực trong dầm phẳng hai nhịp mất gối tựa .5 Mô hình ứng xử động của kết cấu khi bị mất cột đột ngột .6 Cơ cấu uốn, cơ cấu vòm nén và cơ cấu dây căng .7 Cơ cấu chịu lực vòm nén (CCVN) [43] .8 So sánh sức kháng của cơ cấu dây căng và cơ cấu uốn .9 Đường truyền tải trọng thay thế khi mất cột biên giữa .10 Sụp đổ công trình do lực kéo CCDC [40] .11 Sự hình thành cơ cấu màng (CCM) trong cấu kiện sàn BTCT [41] 18 Hình 1.12 Kết cấu sàn phẳng .13 Các loại hiệu ứng màng của kết cấu sàn phẳng [25] .14 Hệ kết cấu khung sàn phẳng chịu lực[25] .15 Nguyên lý phát triển hiệu ứng màng nén trong bản sàn BTCT [25] 21 Hình 1.16 Nguyên lý phát triển hiệu ứng màng căng trong bản sàn BTCT[25] 22 Hình 1.17 Nguyên lý phát triển hiệu ứng màng căng kết hợp vành nén[13] .18 Mô hình lực giằng cho hệ kết cấu khung (DOD 2005) [16] .19 Mô hình loại bỏ cột và đường truyền tải trọng thay thế .20 Đường truyền tải trọng thay thế trong dầm BTCT [48] .21 Đường truyền tải trọng thay thế CCDC khi cột bị phá hủy .22 Thí nghiệm cơ chế CCDC khi cột bị phá hủy .23 Cơ chế màng khi cột cận góc bị phá hủy .24 Sơ đồ thí nghiệm kết cấu dầm sàn BTCT mất cột biên [44] .25 Dạng phá hoại của mẫu thí nghiệm [44] .26 Mô hình TN đánh giá cơ chế màng của sàn phẳng BTCT .27 Sơ đồ chất tải trong thí nghiệm của Russel [46] .28 Nghiên cứu sức kháng tải của sàn phẳng khi mất cột [30] .29 Mô hình tính theo bốn mức độ khác nhau [20] .30 Sơ đồ hiệu ứng dây xích và hiệu ứng vòm nén[20] .