Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu ứng xử phi tuyến của vách bê tông cốt thép nhà cao tầng chịu tải trọng lặp đảo chiều" do nghiên cứu sinh Giang Văn Khiêm thực hiện tại Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng (Bộ Xây dựng), thuộc chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng (mã số: 9580201), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. TS Nghiêm Mạnh Hiến và GS. Nguyễn Tiến Chương vào năm 2023.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong kết cấu chịu lực của các công trình nhà cao tầng từ 20 đến 40 tầng tại Việt Nam, vách bê tông cốt thép (BTCT) là cấu kiện được sử dụng phổ biến nhằm tiếp nhận tải trọng đứng và tải trọng ngang do gió hoặc động đất gây ra. Trước đây, quan điểm tính toán thiết kế kết cấu BTCT chủ yếu tập trung vào việc đảm bảo độ bền và độ cứng trong giới hạn làm việc đàn hồi. Tuy nhiên, xu hướng hiện đại trên thế giới đã chuyển dịch mạnh mẽ sang phương pháp thiết kế dựa trên chuyển vị (Displacement-Based Design - DBD). Phương pháp này đòi hỏi phải phân tích và làm rõ toàn bộ các giai đoạn ứng xử phi tuyến của vách cứng từ giai đoạn đàn hồi, xuất hiện vết nứt, cốt thép chảy dẻo cho đến khi kết cấu bị phá hoại hoặc sụp đổ hoàn toàn.

Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là các phần mềm phân tích kết cấu thương mại phổ biến hiện nay như ETABS, SAP2000, Robot Structural Analysis hay MIDAS chưa thiết lập mô hình vật liệu hỗn hợp phi tuyến hoàn chỉnh cho kết cấu vách cứng BTCT chịu tải trọng lặp đảo chiều. Bên cạnh đó, các nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm chuyên sâu về cấu kiện vách phẳng được thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam dưới tác động đồng thời của lực dọc không đổi và tải trọng ngang đổi chiều chu kỳ còn hạn chế và chưa có hệ thống dữ liệu đầy đủ.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 4 nội dung:

  1. Xây dựng phần tử hữu hạn tấm phẳng để mô hình hóa ứng xử phi tuyến của vách bê tông cốt thép.
  2. Xây dựng và giải bài toán phân tích phi tuyến vách bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang lặp đảo chiều.
  3. Nghiên cứu thực nghiệm vách bê tông cốt thép chịu tải trọng đảo chiều để làm rõ ứng xử phi tuyến của vách bê tông cốt thép.
  4. Xây dựng chương trình phân tích ứng xử phi tuyến vách bê tông cốt thép.

Nhiệm vụ nghiên cứu tương ứng bao gồm:

  1. Xây dựng phần tử hỗn hợp bê tông cốt thép có xét đến tính phi tuyến của vật liệu.
  2. Thí nghiệm đối với cấu kiện vách cứng bê tông cốt thép chịu tải trọng đứng không đổi và tải trọng ngang đảo chiều.
  3. Xây dựng chương trình phân tích ứng xử phi tuyến của vách bê tông cốt thép (đặt tên là chương trình CSW).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Vách phẳng bê tông cốt thép trong nhà cao tầng được thiết kế và cấu tạo phù hợp với hệ thống tiêu chuẩn xây dựng hiện hành của Việt Nam.
  • Phạm vi nghiên cứu: Ứng xử phi tuyến hình học và vật liệu của cấu kiện vách bê tông cốt thép chịu tác dụng đồng thời của tải trọng đứng không đổi và tải trọng ngang lặp đảo chiều trong mặt phẳng uốn.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu và mô hình phân tích trước đây

Luận án đã hệ thống hóa các quy định tiêu chuẩn thiết kế cũng như các nhóm mô hình phân tích ứng xử của vách BTCT trong y văn quốc tế và trong nước:

  1. Tiêu chuẩn thiết kế vách cứng:

    • TCVN 5574-2018: Áp dụng phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi (chia tiết diện vách thành các phân vùng $h \times 0,2l_w$ để tính lực nén/kéo) và phương pháp xây dựng biểu đồ tương tác lực dọc - mô men ($N - M$) với 5 điểm đặc trưng từ nén thuần túy, nén uốn lệch tâm nhỏ, phá hoại cân bằng đến uốn thuần túy.
    • ACI 318-2018 (Hoa Kỳ): Áp dụng phương pháp vùng biên chịu mô men (giả thiết vùng biên $B_t, B_p = 0,2l_w$ ở hai đầu vách tiếp nhận toàn bộ mô men uốn thông qua cặp ngẫu lực, phần bụng ở giữa chịu lực nén đúng tâm).

  2. Các mô hình phân tích kết cấu vách:

    • Mô hình dầm tương đương (Equivalent Beam Model): Sử dụng phần tử thanh đặt tại trục vách kết hợp khớp dẻo lò xo xoay tại đầu dầm. Các tác giả Takayanagi và Schnobrich (1976) bổ sung lò xo xoay phi tuyến theo lực cắt; Soleimani và cộng sự (1979) tích hợp nhóm lò xo trong phần tử; Keshavarzian và Schnobrich (1984, 1985) kết hợp lực dọc và vùng phi tuyến biến thiên; Otani và cộng sự (1985), Roufaiel và Meyer (1987) xét suy giảm lực bám dính; Aristizabal-Ochoa (1983) mô hình hóa ứng xử cắt phi tuyến; Martinelli và Filippou (2009) mô hình hóa dầm - cột phân bố dẻo dạng thớ. Hạn chế của mô hình này là không mô tả được sự dịch chuyển của trục trung hòa và tương tác liên kết phức tạp.
    • Mô hình dạng giàn (Truss Model): Hiraishi (1983) dùng hệ giàn đàn - dẻo tiết diện biến thiên trong chương trình hợp tác Mỹ - Nhật; Panagiotou và cộng sự (2012) cải tiến mô hình giàn chia tối thiểu 9 ô, xét đến hiện tượng tăng đột ngột độ cứng chịu kéo.
    • Mô hình tổ hợp (Macro Model): Eimani (1997) chia vách thành các ô đàn hồi ở bụng kết hợp hệ lò xo phi tuyến ở hai biên chịu lực dọc và uốn.
    • Mô hình thớ (Fiber Model): Kabeyasawa và cộng sự (1982) đề xuất mô hình Ba Đường Thẳng đứng (Three Vertical Line - TVL); Charney (1987), Vulcano và cộng sự (1988) phát triển thành mô hình Đa đường thẳng đứng (Multiple Vertical Line - MVL/MVLM); Fajfar và Fischinger (1990); Kabeyasawa và Milev (1997) thay lò xo trung tâm bằng phần tử panel; Massone và Wallace (2004), Orakcal và cộng sự (2006), Massone (2006) kết hợp mô hình dàn mềm xoay (RA-STM) của Pang và Hsu (1995); Xiaolei và cộng sự (2010) mở rộng cho tiết diện vách chữ I, T, L.
    • Mô hình vi mô (Microscopic / FEM): Phân chia thành phần tử màng 2D, phần tử tấm vỏ và khối 3D (Vulcano và Bertero, 1987).

  3. Mô hình vật liệu phi tuyến:

    • Bê tông: Mô hình vết nứt phân tán (smeared crack); mô hình phẳng vi mô (Bazant và Oh, 1985); mô hình không cục bộ; mô hình dẻo (Mohr-Coulomb, Drucker-Prager, Prandtl-Reuss $J_2$, Willam-Warnke); mô hình hypoelastic (Truesdell, 1955) và hyperelastic (Evans và Pister, 1966); mô hình trực hướng (Darwin và Pecknold, 1974, 1977; Vecchio và Selby, 1991); Lý thuyết vùng nén CFT (Collins, 1978; Vecchio và Collins, 1982); Lý thuyết vùng nén cải tiến MCFT (Vecchio và Collins, 1986; Vecchio, 1992); Mô hình Đại học Houston (Hsu, 1988); Sittipunt và Wood (1995); Ayoub và Filippou (1998); mô hình CMM của Kaufmann (1998), Foster và Marti (2003); đường cong nén Karayannis (1994), Mander (1988), Kent và Park (1973), Chang-Mander cải tiến bởi Waugh (2009); đường cong kéo Vecchio - Collins (1982), Vebo và Ghali (1977).
    • Cốt thép: Mô hình đàn dẻo lý tưởng (Eurocode 3), mô hình đàn dẻo 2 đoạn thẳng tái bền tuyến tính, mô hình Kent - Park (1973) và mô hình Menegotto - Pinto (1973).

  4. Nghiên cứu thực nghiệm tiêu biểu trong tài liệu:

Tác giả / Nhóm tác giả Năm công bố Quy mô và đối tượng mẫu thí nghiệm Thông số và điều kiện gia tải chính
Lefas và cộng sự 1990 13 vách chữ nhật: Loại I ($h_w/l_w=1$; kích thước $0,75 \times 0,75 \times 0,07\text{ m}$) và Loại II ($h_w/l_w=2$; kích thước $1,3 \times 0,65 \times 0,065\text{ m}$). Lực nén dọc trục $n = 0; 0,1; 0,2$; tải trọng ngang tăng dần đặt tại đỉnh ($0,04\text{ kN/s}$). Bê tông $30\text{ MPa}$ và $45\text{ MPa}$; thép $\phi 8, \phi 6, \phi 4$.
Thosen và Wallace 1995 4 mẫu vách tỷ lệ $1/4$ gồm 2 vách chữ nhật (RW1, RW2: cao $3,658\text{ m}$, dày $0,102\text{ m}$) và 2 vách chữ T (TW1, TW2). Lực nén dọc trục tỷ số $0,1$; tải trọng ngang lặp đảo chiều theo chuyển vị đỉnh vách ($0,1%$ đến $3%$ drift); kích thủy lực $556\text{ kN}$.
Deng và cộng sự 2008 4 mẫu vách cao $2,8\text{ m}$, dày $0,16\text{ m}$, chiều rộng tiết diện $0,75\text{ m}$ và $0,9\text{ m}$. Kích thủy lực nén dọc và kích động ngang gắn tường phản lực; bê tông vách C15, móng C30, thép HRB335.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án tập trung giải quyết việc xây dựng một phần tử hỗn hợp bê tông cốt thép tấm phẳng trong môi trường ứng suất phẳng, kết hợp mô hình phi tuyến vật liệu bê tông trong không gian ứng suất 3 chiều có xét đầy đủ các quy luật trễ khi dỡ tải/tái gia tải lặp. Đồng thời, luận án xây dựng chương trình số CSW và thực hiện thí nghiệm kiểm chứng trên mẫu vách thực tế thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam chịu tải trọng lặp đảo chiều.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án sử dụng cơ sở lý thuyết cơ học môi trường liên tục và cơ học kết cấu phi tuyến:

  • Lý thuyết đàn dẻo và trạng thái ứng suất - biến dạng: Phân tích biến dạng tổng thành số gia biến dạng đàn hồi $d{\varepsilon^e}$ và số gia biến dạng dẻo $d{\varepsilon^p}$ thông qua hàm thế năng dẻo $g$ và hệ số dẻo $\lambda$. Trạng thái ứng suất phẳng được mô tả bởi các thành phần $\sigma_x, \sigma_y, \tau_{xy}$ và các bất biến ứng suất $I_1$ (bất biến thứ nhất của ứng suất) và $J_2$ (bất biến thứ hai của ứng suất lệch).
  • Thuật toán mặt chảy dẻo: Sử dụng thuật toán CPA (Closest Point Algorithm) và CPPM (Closest Point Projection Method) để xác định điểm ứng suất trở lại mặt chảy dẻo.
  • Mô hình hóa vật liệu bê tông: Xây dựng đường bao phá hoại đa trục, quan hệ ứng suất - biến dạng nén lặp và kéo lặp (kế thừa các quy luật thực nghiệm của Reinhardt và Cornelissen). Mô hình tích hợp các hệ số suy giảm mô đun đàn hồi $\beta_1$, hệ số suy giảm cường độ chịu kéo $\beta_2$, hệ số giảm cường độ chịu nén $\beta_3$, điểm dỡ tải $(\sigma_{rev}, \varepsilon_{rev})$ và ứng suất khép vết nứt $\sigma_f$.
  • Mô hình vật liệu cốt thép: Mô hình ứng suất - biến dạng phi tuyến chịu tải trọng chu kỳ có xét đến hiệu ứng Bauschinger, giới hạn chảy $f_y$, giới hạn bền $f_u$, biến dạng bắt đầu tái bền $\varepsilon_{sh}$ và biến dạng cực hạn $\varepsilon_u$.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH): Thiết lập phần tử tấm tứ giác đẳng tham số 4 nút và 8 nút kết hợp tích phân số Gauss trên miền tứ giác; phần tử thanh cốt thép nhúng (smeared/embedded bar); tổ hợp thành phần tử hỗn hợp bê tông cốt thép thông qua tính tương thích biến dạng giữa bê tông và cốt thép.
  • Phương pháp giải hệ phương trình phi tuyến:
    • Thuật toán giải lặp phi tuyến tĩnh: Phương pháp Newton-Raphson và Newton-Raphson cải tiến (Modified Newton-Raphson).
    • Thuật toán phân tích động lực học: Phương pháp tích phân từng bước Newmark.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Mẫu thí nghiệm: Chế tạo 02 mẫu vách phẳng bê tông cốt thép toàn khối (ký hiệu V1 và V2) có kích thước hình học tỷ lệ lớn, bao gồm phần thân vách liên kết liền khối với khối móng cứng được liên kết chặt với sàn hoa tiêu của phòng thí nghiệm.
  • Vật liệu: Bê tông cấp độ bền B20 với cấp phối chuẩn $\text{kg/m}^3$ (xi măng, cát, đá, nước); cốt thép dọc và cốt thép đai được thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi $E_s$, giới hạn chảy $f_y$ và giới hạn bền $f_u$.
  • Hệ thống gia tải:
    • Tải trọng đứng: Tạo bởi hệ thống kích thủy lực và thanh ren cường độ cao, duy trì lực dọc nén không đổi trong suốt quá trình thí nghiệm.
    • Tải trọng ngang: Sử dụng kích thủy lực động hai chiều tác dụng tại đỉnh vách qua dầm truyền lực, gia tải lặp đảo chiều theo quy trình kiểm soát chuyển vị đỉnh vách (displacement control) với các cấp tỷ số độ lệch tầng (drift ratio).
  • Hệ thống thiết bị đo và thu thập dữ liệu:
    • Cảm biến đo chuyển vị LVDT: Đo chuyển vị ngang đỉnh vách, đo chuyển vị các mức chiều cao vách, đo độ giãn nở/co ngắn biên $\Delta_1, \Delta_2$ để tính góc xoay chân vách, đo biến dạng cắt $\gamma$ qua các LVDT đặt chéo, đo chuyển vị ngoài mặt phẳng uốn và kiểm tra trượt đế móng.
    • Đầu đo biến dạng (strain gauge / phiến điện trở): Gắn trực tiếp lên các thanh cốt thép dọc vùng biên và dán trên bề mặt bê tông tại các tiết diện quan trắc.
    • Thiết bị quang học đo bề rộng khe nứt và bộ thu nhận số liệu tự động (data acquisition system).

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Số liệu thực nghiệm chế tạo mẫu bê tông, cốt thép và thí nghiệm vách tại Phòng thí nghiệm và Kiểm định công trình (Trường Đại học Xây dựng) và Phòng thí nghiệm công trình (Trường Đại học Giao thông vận tải).
  • Cơ sở dữ liệu thực nghiệm đối chứng từ các công bố quốc tế của Lefas và cộng sự (1990), Thosen và Wallace (1995).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

  • Định nghĩa và phân loại vách: Vách cứng được định nghĩa là cấu kiện chịu tải thỏa mãn $l_w \ge h_w/2$ và $l_w \ge 5h$. Phân loại theo tỷ số chiều cao vách cao ($h_w/l_w \ge 2$), vách thấp ($0,33 \le h_w/l_w \le 1 - 2$), vách đôi có dầm nối và vách có lỗ khoét; phân loại theo công năng (vách chịu lực đứng bearing walls, vách chịu tải ngang) và công nghệ thi công (toàn khối, lắp ghép).
  • Cơ chế phá hoại: Phân tích ứng xử chịu uốn, chịu cắt, nén lệch tâm, hiện tượng xoay tấm cứng do mất lực bám dính ở chân vách, hiện tượng bó thép, xuất hiện vết nứt ngang do uốn hoặc vết nứt chéo do cắt.
  • Phương pháp tính toán thiết kế: Tổng hợp phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi và biểu đồ tương tác $N - M$ theo TCVN 5574-2018; phương pháp vùng biên chịu mô men ($B_t, B_p = 0,2l_w$) theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ACI 318-2018.
  • Tổng quan các mô hình phân tích và mô hình vật liệu: Đánh giá ưu nhược điểm của 5 mô hình phân tích kết cấu (dầm tương đương, giàn tương đương, tổ hợp, mô hình thớ TVL/MVLM/RA-STM, mô hình vi mô PTHH) và các mô hình quan hệ ứng suất - biến dạng của bê tông (Mander, Kent - Park, Eurocode 2, Vecchio - Collins, Chang - Mander) và cốt thép (đàn dẻo lý tưởng, đàn dẻo 2 đoạn thẳng, Kent - Park, Menegotto - Pinto).
  • Tổng quan các nghiên cứu thực nghiệm: Trình bày chi tiết cấu tạo mẫu, sơ đồ thí nghiệm và kết quả nghiên cứu của Lefas et al. (1990), Thosen và Wallace (1995), Deng et al. (2008).

Chương 2: Xây dựng phần tử hỗn hợp bê tông cốt thép theo phương pháp phần tử hữu hạn

  • Lý thuyết đàn dẻo và thuật toán ứng suất: Trình bày tensor ứng suất, biến dạng trong bài toán 2D và 3D; xây dựng thuật toán hồi tiếp ứng suất trên mặt chảy dẻo CPA và CPPM.
  • Mô hình vật liệu bê tông phi tuyến: Xây dựng mô hình vật liệu bê tông chịu tải trọng lặp, mô phỏng các chu kỳ nén lặp và kéo lặp dựa trên dữ liệu thực nghiệm của Reinhardt và Cornelissen; tích hợp đường bao phá hoại, quy luật dỡ tải và nạp tải lại có xét đến sự suy giảm mô đun đàn hồi ($\beta_1$), suy giảm cường độ chịu kéo ($\beta_2$), suy giảm cường độ chịu nén ($\beta_3$) và ứng suất khép kín khe nứt $\sigma_f$.
  • Mô hình cốt thép phi tuyến: Xây dựng đường cong ứng suất - biến dạng động của cốt thép chịu tải trọng đảo chiều có kể đến hiện tượng chảy dẻo và vùng tái bền.
  • Xây dựng phần tử PTHH:
    • Thiết lập phần tử tấm tứ giác đẳng tham số 4 nút và 8 nút trong hệ tọa độ địa phương và tổng thể, áp dụng bảng tích phân Gauss (tọa độ và trọng số tích phân).
    • Xây dựng phần tử cốt thép 1D nhúng trong phần tử tấm.
    • Tích hợp ma trận độ cứng của bê tông và cốt thép thành ma trận độ cứng của phần tử hỗn hợp bê tông cốt thép.
  • Thuật toán giải phương trình cân bằng: Ứng dụng phương pháp lặp từng bước Newton-Raphson và Newton-Raphson cải tiến cho bài toán phi tuyến tĩnh; ứng dụng sơ đồ tích phân số Newmark cho bài toán phân tích động lực học.

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử của vách bê tông cốt thép chịu tải trọng lặp đảo chiều

  • Mẫu thí nghiệm và vật liệu: Chế tạo 02 mẫu vách phẳng V1 và V2 cùng cấp độ bền bê tông B20 và cốt thép tiêu chuẩn, có bố trí cốt thép biên tăng cường. Thí nghiệm mẫu nén bê tông (mẫu trụ, lập phương) và kéo mẫu thép để xác định các đặc trưng cơ lý đầu vào ($f_c, E_c, f_y, f_u, E_s$).
  • Hệ thống gia tải và đo đạc:
    • Tải trọng đứng tác dụng không đổi; tải trọng ngang lặp đảo chiều điều khiển theo chuyển vị đỉnh vách.
    • Bố trí đầy đủ mạng lưới LVDT đo chuyển vị ngang theo chiều cao vách, đo chuyển vị góc xoay chân vách ($\Delta_1, \Delta_2$), đo biến dạng cắt $\gamma$, kiểm soát chuyển vị ngoài mặt phẳng uốn và chuyển vị trượt chân đế móng.
    • Gắn phiến điện trở đo biến dạng cốt thép dọc vùng biên và biến dạng bê tông trên các tiết diện ngang cách chân vách.
  • Phân tích kết quả thực nghiệm:
    • Tiến trình phá hoại: Xác định thời điểm xuất hiện vết nứt uốn đầu tiên, thời điểm cốt thép dọc vùng biên bắt đầu chảy dẻo, sự phát triển của hệ thống vết nứt xiên do cắt và hiện tượng bê tông vùng chân vách bị nén vỡ vụn khi đạt tải trọng cực hạn.
    • Quan hệ tải trọng ngang - chuyển vị đỉnh ($V - \Delta$): Xây dựng đồ thị trễ (hysteresis loop) và đường bao tải trọng - chuyển vị ngang đỉnh vách.
    • Biến dạng và nội lực: Xác định sự phân bố độ cong theo chiều cao vách, mối quan hệ tải trọng ngang - góc xoay chân vách, quan hệ tải trọng ngang - biến dạng cắt $\gamma$.
    • Năng lượng và độ dẻo: Đánh giá mối quan hệ giữa năng lượng biến dạng tiêu tán và hệ số độ dẻo $\mu$.
    • Độ cứng và cản nhớt: Phân tích quá trình suy giảm độ cứng theo độ lệch tầng (Drift ratio) và xác định hệ số cản nhớt tương đương $\xi_{eq}$ của mẫu vách qua các vòng lặp gia tải.

Chương 4: Xây dựng chương trình phân tích ứng xử phi tuyến vách bê tông cốt thép

  • Cấu trúc chương trình CSW (Concrete Shear Wall):
    • Giới thiệu kiến trúc phần mềm, sơ đồ khối xử lý thuật toán của chương trình CSW viết bằng ngôn ngữ lập trình chuyên dụng.
    • Các module chính: Module nhập dữ liệu hình học vách và chia lưới phần tử tứ giác; Module khai báo dữ liệu tải trọng (tải đứng, lịch sử gia tải ngang); Module thư viện đặc trưng cơ lý của vật liệu bê tông và cốt thép; Module tính toán ma trận độ cứng phần tử hỗn hợp và giải hệ phương trình phi tuyến; Module xuất kết quả nội lực, ứng suất, biến dạng và chuyển vị.
  • Kiểm chứng mô phỏng trên các mẫu vách thực nghiệm của luận án:
    • Mô hình hóa 02 mẫu vách V1 và V2 từ Chương 3 bằng chương trình CSW.
    • So sánh quan hệ lực - chuyển vị ngang đỉnh vách giữa mô phỏng số và thực nghiệm.
    • Mô phỏng quá trình hình thành các điểm dẻo trong vách tại các bước chuyển vị ($\Delta = 10\text{ mm}$ đến khi bê tông bị ép vỡ).
    • Trích xuất trường phân bố ứng suất pháp phương ngang $\sigma_x$, ứng suất pháp phương đứng $\sigma_y$ và ứng suất tiếp $\tau_{xy}$ trong thân vách.
  • Kiểm chứng mô phỏng trên số liệu thực nghiệm quốc tế:
    • Mô hình hóa và phân tích mẫu vách trong nghiên cứu thực nghiệm của Thosen và Wallace bằng chương trình CSW.
    • So sánh kết quả chuyển vị đỉnh vách và đường cong trễ lực - chuyển vị, chứng minh độ tin cậy và sự phù hợp của mô hình phần tử hỗn hợp cũng như chương trình CSW.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Phát triển mô hình phi tuyến vật liệu bê tông trong không gian ứng suất 3 chiều có xét đến các quy luật dỡ tải và tái gia tải lặp, tích hợp suy giảm độ cứng và suy giảm cường độ khi chịu tải trọng đổi chiều.
  2. Xây dựng phần tử hữu hạn hỗn hợp bê tông cốt thép tấm phẳng (kết hợp giữa phần tử tấm tứ giác đẳng tham số 4 nút, 8 nút và phần tử cốt thép nhúng) phục vụ phân tích ứng xử phi tuyến của kết cấu vách BTCT chịu tải trọng lặp đảo chiều.
  3. Xây dựng và hoàn thiện chương trình máy tính chuyên dụng CSW phục vụ phân tích ứng xử phi tuyến của vách bê tông cốt thép, tích hợp các thuật toán giải phi tuyến tĩnh (Newton-Raphson) và phân tích động lực học (Newmark).

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Cung cấp bộ số liệu thực nghiệm chi tiết và toàn diện về ứng xử phi tuyến của vách phẳng BTCT chế tạo theo tiêu chuẩn Việt Nam chịu tải trọng lặp đảo chiều (bao gồm đường cong trễ tải trọng - chuyển vị, phân bố độ cong, biến dạng cắt, góc xoay chân vách, sự suy giảm độ cứng và hệ số cản nhớt tương đương).
  2. Kiểm chứng độ tin cậy của chương trình tính toán CSW thông qua việc so sánh đối chứng trực tiếp với kết quả thực nghiệm của luận án và các công bố thực nghiệm của Thosen và Wallace.
  3. Cung cấp công cụ tính toán và cơ sở dữ liệu khoa học hỗ trợ kỹ sư và các nhà nghiên cứu trong việc phân tích phi tuyến và thiết kế kết cấu vách nhà cao tầng theo phương pháp dựa trên chuyển vị (DBD).

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng chương trình CSW và mô hình phần tử hỗn hợp trong tính toán, thẩm tra khả năng kháng chấn của kết cấu vách phẳng BTCT trong các công trình nhà cao tầng.
  • Sử dụng quy trình thí nghiệm và các kết quả nghiên cứu thực nghiệm làm tài liệu phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu chuyên sâu cho học viên cao học, nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật xây dựng công trình.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng của luận án mới chỉ tập trung vào cấu kiện vách phẳng đơn độc lập (tiết diện chữ nhật) chịu tải trọng ngang trong mặt phẳng uốn.
  • Chưa tiến hành thực nghiệm và mô phỏng số đối với các dạng vách có hình học không gian phức tạp hơn (tiết diện chữ T, L, chữ C/U hình lòng máng, vách có khoét lỗ cửa sổ/cửa đi lớn hoặc hệ vách đôi có dầm nối).
  • Chưa khảo sát tác động đồng thời của tải trọng ngang 2 phương ngoài mặt phẳng kết hợp với hiệu ứng xoắn không gian.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng phần tử hỗn hợp và chương trình CSW để mô hình hóa và phân tích ứng xử phi tuyến của các vách có tiết diện không gian (vách chữ T, L, vách lõi thang máy chữ C, U) và vách có lỗ mở.
  • Nghiên cứu ứng xử phi tuyến của hệ thống kết cấu vách liên kết dầm nối (coupled shear walls) và toàn bộ hệ kết cấu khung - vách nhà cao tầng chịu tác động của động đất nhiều chiều theo lịch sử thời gian (time-history analysis).

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo có giá trị cao đối với nhiều nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật xây dựng (Mã số: 9580201), Kết cấu công trình: Tham khảo cơ sở toán học và thuật toán xây dựng phần tử hữu hạn hỗn hợp (Chương 2), mô hình hóa vật liệu bê tông và cốt thép phi tuyến, phương pháp thiết lập chương trình tính toán số (Chương 4 và Phụ lục mã nguồn CSW).
  • Các nhà nghiên cứu thực nghiệm kết cấu: Tham khảo chi tiết phương pháp chế tạo mẫu, sơ đồ lắp đặt hệ thống gia tải kết hợp kích đứng và kích ngang động, cách bố trí hệ thống thiết bị đo LVDT và cảm biến strain gauge thu thập số liệu tải trọng lặp đảo chiều (Chương 3).
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình: Tham khảo các đánh giá định lượng về sự suy giảm độ cứng, biến dạng cắt, góc xoay chân vách và hệ số cản nhớt tương đương khi thực hiện tính toán thiết kế kháng chấn theo phương pháp dựa trên chuyển vị (DBD).

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước hình học như thế nào thì một cấu kiện được coi là vách cứng bê tông cốt thép theo tài liệu luận án?

Theo các tiêu chuẩn thiết kế được viện dẫn trong Chương 1 của luận án, cấu kiện chịu tải được xem là vách cứng nếu thỏa mãn đồng thời hai điều kiện hình học: $$l_w \ge \frac{h_w}{2} \quad \text{và} \quad l_w \ge 5h$$ Trong đó: $h$ là chiều dày vách, $h_w$ là chiều cao vách, và $l_w$ là chiều dài tiết diện vách.

2. Tiêu chuẩn TCVN 5574-2018 hướng dẫn tính toán vách theo phương pháp phân bố ứng suất đàn hồi như thế nào?

Theo TCVN 5574-2018 được trình bày trong luận án, phương pháp này chia chiều dài vách thành các phân vùng nhỏ có kích thước $h \times a$ (thường chia thành 5 vùng bằng nhau với diện tích mỗi vùng là $h \times 0,2l_w$). Ứng suất trung bình trong từng phân vùng do lực dọc $N$ và mô men $M$ gây ra được xác định theo công thức: $$\sigma_i = \frac{N}{A} \pm \frac{M}{I}y_i$$ Từ đó, lực dọc nén hoặc kéo tác dụng vào phần tử thứ $i$ là $N_i = 0,2 \cdot h \cdot l_w \cdot \sigma_i$, và cốt thép trong từng vùng được tính toán, bố trí như cấu kiện chịu kéo hoặc nén đúng tâm.

3. Chương trình CSW do tác giả xây dựng được phát triển dựa trên nguyên lý và loại phần tử nào?

Chương trình CSW (Concrete Shear Wall) được xây dựng dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn phi tuyến, sử dụng phần tử hỗn hợp bê tông cốt thép tấm phẳng (tổ hợp từ phần tử tấm tứ giác đẳng tham số 4 nút hoặc 8 nút mô phỏng bê tông theo mô hình trực hướng/vết nứt phân tán và phần tử thanh cốt thép nhúng). Chương trình sử dụng thuật toán lặp Newton-Raphson (và Newton-Raphson cải tiến) để giải bài toán phi tuyến tĩnh và phương pháp Newmark để giải bài toán phân tích động lực học.

4. Quy trình gia tải ngang trong nghiên cứu thực nghiệm ở Chương 3 được kiểm soát như thế nào?

Trong thí nghiệm ở Chương 3, tải trọng đứng tạo bởi kích thủy lực được giữ ổn định không đổi trong suốt quá trình thử nghiệm. Tải trọng ngang tác dụng tại đỉnh vách được điều khiển theo chế độ chuyển vị (displacement-controlled) với các chu kỳ gia tải lặp đảo chiều hai hướng tăng dần theo các cấp độ lệch tầng (drift ratio) cho đến khi cốt thép chảy dẻo, bê tông chân vách bị nén vỡ và khả năng chịu lực của vách suy giảm hoàn toàn.

5. Hai mẫu vách V1 và V2 trong thực nghiệm được chế tạo từ cấp độ bền bê tông nào và kiểm tra những chỉ tiêu gì?

Mẫu vách V1 và V2 được đúc từ bê tông cấp độ bền B20 (theo cấp phối khối lượng xi măng, cát, đá, nước xác định). Các chỉ tiêu cơ lý được thí nghiệm kiểm tra độc lập gồm có: cường độ chịu nén mẫu lập phương, cường độ chịu nén mẫu trụ ($f_c$), mô đun đàn hồi của bê tông ($E_c$), cũng như giới hạn chảy ($f_y$), giới hạn bền ($f_u$) và mô đun đàn hồi ($E_s$) của các loại cốt thép sử dụng.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của Giang Văn Khiêm đã nghiên cứu một cách hệ thống và toàn diện ứng xử phi tuyến của vách bê tông cốt thép nhà cao tầng chịu tải trọng lặp đảo chiều thông qua việc kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết phần tử hữu hạn, thực nghiệm cấu kiện quy mô lớn và xây dựng phần mềm phân tích số. Tác giả đã thiết lập mô hình vật liệu bê tông phi tuyến trong không gian 3 chiều, xây dựng phần tử hữu hạn hỗn hợp bê tông cốt thép tấm phẳng và hoàn thiện chương trình CSW để giải các bài toán phi tuyến tĩnh và động lực học. Các kết quả tính toán số từ chương trình CSW thể hiện sự tương thích cao với dữ liệu thực nghiệm trên 02 mẫu vách V1, V2 cũng như số liệu kiểm chứng quốc tế của Thosen và Wallace. Công trình đóng góp cơ sở khoa học và công cụ tính toán phục vụ hiệu quả công tác thiết kế kết cấu vách bê tông cốt thép theo phương pháp dựa trên chuyển vị (DBD) và kiểm tra an toàn kháng chấn cho công trình nhà cao tầng.