CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG LIÊN HỢP DẦM THÉP CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1 Giới thiệu chung Kết cấu khung liên hợp RCS bắt đầu được sử dụng ở Mỹ vào đầu thập kỷ 80 như một biến thể của kết cấu khung thép truyền thống trong các công trình có chiều cao từ trung bình đến cao tầng. Ở mức sơ khai của việc sử dụng, nút khung RCS có cấu tạo tương tự với khung thép thông thường trừ kết cấu cột thép được thay bằng cột bê tông cường độ cao nhằm giảm chi phí vật liệu [1]. Ở Nhật Bản, kết cấu khung RCS được phát triển như một thay thế cho kết cấu bê tông cốt thép thông thường của các công trình nhà văn phòng, nhà ở xây dựng tại các vùng có động đất thấp [11]. Ở đây, việc dùng dầm thép để tăng chiều dài của nhịp, tăng không gian sử dụng, giảm khối lượng nhân công mà vẫn đảm bảo tiết kiệm chi phí vật liệu bằng việc sử dụng cột bê tông cốt thép.
Một yếu tố khác góp phần để kết cấu khung RCS phát triển ở Nhật Bản là sự thịnh hành của kết cấu khung SRC (khung SRC là kết cấu mà cả cột thép hình và dầm thép hình đều được đặt trong kết cấu bê tông cốt thép, một số tài liệu ở Việt nam gọi là kết cấu bê tông cốt cứng). Dạng khung SRC được sử dụng thịnh hành là do sau trận động đất Kanto năm 1923 ở Nhật Bản, những công trình có sử dụng kết cấu SRC đều có ứng xử tốt và đáp ứng được yêu cầu chịu lực. Kết cấu SRC sau đó đã được đưa vào các tiêu chuẩn và hướng dẫn thiết kế của Nhật Bản. Đối với kết cấu RCS, việc thiết kế kết dầm thép và cột bê tông cốt thép tương tự như kết cấu thép và bê tông cốt thép thông thường.
Tuy nhiên ứng xử tổng thể và vị trí cục bộ nút khung lại có ứng xử khác biệt đáng kể so với dạng kết cấu SRC. Vì vậy sau năm 1980 các nghiên cứu ở Nhật Bản về kết cấu liên hợp tập trung nhiều vào kết cấu RCS. Những nghiên cứu đầu tiên có tính hệ thống và có công bố kết quả về kết cấu khung RCS nói chung và nút khung RCS nói riêng bắt nguồn từ chương trình hợp tác nghiên cứu giữa Quỹ khoa học Quốc gia của Mỹ và Viện kiến trúc của Nhật Bản bản năm 1979. Mục tiêu của chương trình này là nâng cao độ an toàn trong thiết kế kháng chấn cho công trình xây dựng ở cả hai nước.
Các nghiên cứu về cả thực nghiệm, mô hình hóa và mô hình giải 8 tích được sử dụng trong chương trình nghiên cứu. Các mảng trong chương trình hợp tác gồm: vật liệu bê tông cốt thép; kết cấu thép; kết cấu khối xây; kết cấu dự ứng lực, kết cấu tiền chế; kết cấu liên hợp thép – BTCT [11]. Đối với mảng kết cấu liên hợp thép – bê tông cốt thép trong chương trình hợp tác nói trên đã tập trung vào một dạng kết cấu liên hợp mới là kết cấu khung liên hợp dầm thép cột BTCT (RCS). Khung RCS là một dạng có nhiều ưu điểm đã được phân tích ở các phần lý thuyết và các mô hình dự đoán.
Vì vậy, trong chương trình hợp tác đã tập trung vào nghiên cứu dạng kết cấu khung RCS nhằm xây dựng được tiêu chí thiết kế và cung cấp các hiểu biết về ứng xử của hệ thống kết cấu RCS dưới tác dụng của động đất nói riêng và tải trọng lặp nói chung. Các mô hình phục vụ cho thiết kế và các tiêu chí được xác định bằng cách thực hiện các công việc gồm: thực nghiệm và phân tích kết khung liên hợp RCS; thực nghiệm và phân tích vị trí nút khung liên hợp RCS; mô hình hóa hệ kế cấu nhà sử dụng khung RCS. Từ các kết quả đạt được sẽ phát triển thành tiêu chuẩn và hướng dẫn thiết kế. Các kết quả đầu tiên của nghiên cứu đã được công bố vào năm 1986 [1].
Chương trình hợp tác kết thúc năm 1993 tuy nhiên các nghiên cứu và ứng dụng kết cấu RCS ở hai nước Mỹ và Nhật vẫn tiếp tục phát triển và đạt được nhiều thành tựu những năm sau đó [3-6], [21-23]. Ngoài các nghiên cứu ở Mỹ và Nhật bản, kết cấu khung RCS cũng được quan tâm và nghiên cứu ở nhiều nước khác như Đài loan, Trung Quốc, Hàn Quốc, Pháp, Ấn Độ. Cho đến những năm gần đây, khi kết cấu liên hợp ngày càng khẳng định được ưu điểm thì càng có nhiều nghiên cứu nhằm phát triển hệ thống tiêu chuẩn để phù hợp với dạng kết cấu mới, vật liệu mới. Do đó, kết cấu khung RCS vẫn còn tính thời sự, thể hiện ở các kết quả nghiên cứu đã được công bố những năm 2015, 2016 [27], [28], [29] và các cập nhật về hướng dẫn thiết kế cho kết cấu khung RCS năm 2015 [30].
Mục đích của các nghiên cứu về nút khung RCS là tìm ra dạng cấu tạo đơn giản để dễ dàng trong thi công mà vẫn đảm bảo được sức kháng, độ cứng, độ dẻo, mức tiêu tán năng lượng và dạng phá hoại. Vì vậy, ngoài việc đề xuất cấu tạo và mô hình xác định sức 9 kháng của nút thì kết quả của các nghiên cứu đều đánh giá độ dẻo, mức tiêu tán năng lượng và dạng phá hoại của nút. Chi tiết cấu tạo nút khung RCS đã được đề xuất [21], [28] với nhiều dạng cấu tạo khác nhau. Theo đó có thể phân thành hai nhóm chính là: (i) dầm liên tục qua nút; (ii) cột liên tục qua nút.1 thể hiện một số dạng cấu tạo trong nghiên cứu của Nishiyama.
Dạng cấu tạo như Hình 1.1 c, f là “cột liên tục qua nút”. Các dạng cấu tạo còn lại thuộc nhóm “dầm liên tục qua nút”.1 Chi tiết cấu tạo nút trong nghiên cứu của Nishiyama Mô hình xác định sức kháng của nút RCS đã được đề xuất bởi Deierlein và công cự năm 1989 sau đó được tổng hợp vào hướng dẫn thiết kế của Hội Kỹ sư Xây dựng Mỹ (ASCE) phát hành năm 1994. Bản hướng dẫn trên được cập nhật lại vào các năm 2004, 2007 và 2015 [30]. 10 Về mảng ứng dụng, kết cấu RCS đã được ứng dụng trong thực tế xây dựng công trình từ những năm 1980 và không ngừng tăng lên về số lượng.
Một số công trình sử dụng dạng kết cấu này được công bố ở Mỹ, Nhật bản, Hàn Quốc và Singapore [11].2 Nghiên cứu thực nghiệm trên thế giới 1.1 Tình hình về nghiên cứu thực nghiệm trên thế giới Ở Nhật Bản, các thực nghiệm để xác định ứng xử của nút được thực hiện khá sớm, tuy nhiên việc thực nghiệm thường do các công ty về xây dựng thực hiện khi muốn kiểm tra khả năng của kết cấu. Do đó sự đánh giá kết quả chỉ tập trung vào xác định sức kháng của nút hoặc khung mà không chú ý đến phân tích cơ cấu truyền lực giữa các thành phần trong nút do vậy nhiều chi tiết cấu tạo của nút đưa ra chưa phù hợp với sự làm việc của nút và chưa đánh giá được ứng xử của nút. Thông qua chương trình hợp tác nghiên cứu giữa Mỹ - Nhật Bản năm 1979, các mẫu thực nghiệm được thiết kế lại nhằm xác định được cơ cấu truyền lực giữa các thành phần cấu tạo trong nút, xác định dạng phá hoại trong một số trường hợp đặc biệt để bổ sung cho các thiếu hụt của những nghiên cứu trước đây. Kích thước mẫu thực nghiệm được dùng trong các nghiên cứu thường có tỷ lệ 1-1, 1-2 hoặc 3-4.
Trong đó, kích thước cột từ 300 đến 650 mm, chiều cao tiết diện dầm từ 250 đến 450 mm. Vật liệu thép có cường độ kéo chảy từ f y 300 MPa , vật liệu bê tông có cường độ chịu nén dọc trục nằm trong khoảng từ 30 đến 100 Mpa. Mẫu thí nghiệm nút khung thường được cấu tạo đơn giản gồm cột và dầm trong mặt phẳng khung để đánh giá được rõ ràng ứng xử tại vị trí nút. Khi đã đánh giá được ứng xử của nút thuần túy, các nghiên cứu sẽ xem xét đến ảnh hưởng của sàn, của dầm dọc hay ảnh hưởng của tác động tải trọng nhiều chiều.
Tải trọng được xét đến trong các thí nghiệm gồm tải trọng tĩnh mô tả lại sự tác động của trọng lực và tải trọng lặp mô tả sự tác động của tải trọng gió hay hiệu ứng tác động của động đất. 11 Nhìn chung, thực nghiệm cho thấy rằng khi các chi tiết nút RCS được cấu tạo hợp lý để huy động khả năng làm việc của chúng và đảm bảo sự truyền lực giữa các cơ cấu trong nút thì nút RCS có đủ sức kháng và độ dẻo để chịu tải trọng do động đất gây ra. Với mục đích nghiên cứu để hiểu về cơ cấu truyền lực giữa các thành phần trong nút, hầu hết các mẫu thí nghiệm được thiết kế để hướng đến sự phá hoại ở nút bằng cách thiết kế cho sức kháng của dầm lớn hơn sức kháng của nút, điều này thường ngược lại với thiết kế thực hành. Điều đáng chú ý là với dạng nút RCS, ngay cả khi thiết kế để sự phá hoại xẩy ra ở nút thì sự phá hoại này cũng xuất hiện ở mức tải trọng và biến dạng lớn hơn nhiều so với yêu cầu thiết kế trong các tòa nhà chịu động đất.
Thậm chí kể cả khi thiết để toàn bộ biến dạng dẻo xuất hiện trong nút RCS thì các thông số về sức kháng, độ cứng, độ dẻo và tiêu tán năng lượng là bằng hoặc lớn hơn so với các nút thép hoặc bê tông cốt thép truyền thống có thiết kế kháng chấn. Các thực nghiệm có xét đến lực dọc cột với giá trị bằng 30% khả năng chịu nén đúng tâm của cột cho thấy với các mẫu có tác dụng lực dọc vào cột thì sức kháng của mẫu được cải thiện về sức kháng uốn, sức kháng cắt và, do đó, làm tăng độ cứng và sức kháng của nút. Theo một nghiên cứu khác của Kanno và Deierlein [28] cho rằng nhận xét trên vẫn đúng với mẫu chịu lực dọc trục đến 70% khả năng chịu nén dọc trục. Với nhóm mẫu thực nghiệm có xét thêm sàn cho thấy sức kháng của nút tăng lên khá nhiều tương ứng với trường hợp tải trọng gây ra phần bê tông sàn ở vùng nút chịu nén.
Chiều rộng có hiệu của sàn tham gia vào làm việc cùng với nút có thể ghi nhận trong các nghiên cứu của Liang 2004, Bracci 1999, Bugeja 2000, Nishiyama 2000. Giá trị bề rộng có hiệu của sàn cũng đã được khuyến cáo trong tiêu chuẩn AISC-LRFD 1999 cho dầm liên hợp.