Luận văn thạc sĩ về xác suất phá hoại khung thép phẳng sử dụng giằng chống mất ổn định

Khảo sát xác suất phá hoại khung thép phẳng với giằng chống mất ổn định, cung cấp cái nhìn sâu sắc về an toàn kết cấu và thiết kế.

• Tác giả: Hồ Quí Tri Thức
• Người hướng dẫn: TS. Lê Trung Kiên
• Trường học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Xây dựng
• Đề tài: Nghiên cứu xác suất phá hoại khung thép phẳng với giằng chống mất ổn định
• Loại tài liệu: Luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Tình hình nghiên cứu
• 1.3. Mục đích nghiên cứu
• 1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Cấu trúc luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Lịch sử phát triển BRB
• 2.2. Cấu tạo thanh giằng chống oằn (BRB)
• 2.2.1. Các thành phần cơ bản của thanh giằng chống oằn (BRB)
• 2.2.2. Liên kết giằng BRB với hệ thống dầm, cột trong khung
• 2.3. Cơ chế hoạt động
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH CÔNG TRÌNH
• 3.1. Công trình nghiên cứu
• 3.1.1. Sơ đồ công trình
• 3.1.2. Kích thước các cấu kiện
• 3.1.3. Tải trọng tác dụng
• 3.2. Thiết lập thông số mô hình
• 3.2.1. Phần tử dầm, cột
• 3.2.2. Giằng chống oằn (BRB)
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• 4.1. Kết quả tính toán mô hình
• 4.1.1. Mô hình so sánh thứ nhất
• 4.1.1.1. Kết quả tính toán
• 4.1.1.2. Kiểm tra hệ giằng BRBs
• 4.1.2. Mô hình so sánh thứ 2
• 4.1.2.1. Kết quả tính toán
• 4.1.2.2. Đánh giá sự làm việc của BRB và CBF
• 4.1.3. Mô hình so sánh thứ 3
• 4.1.3.1. Kết quả tính toán
• 4.1.3.2. So sánh BRB
• 4.2. Xác suất phá hoại của hệ khung sử dụng BRBs chịu tải trọng động đất
• 4.2.1. Xác suất phá hoại
• 4.2.1.1. Lý thuyết tính toán
• 4.2.1.2. Tính toán kiểm tra
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH

Tóm tắt

I. Tổng quan về xác suất phá hoại khung thép phẳng

Nghiên cứu xác suất phá hoại khung thép phẳng với giằng chống mất ổn định là một lĩnh vực quan trọng trong thiết kế kết cấu hiện đại. Khung thép phẳng thường được sử dụng trong các công trình xây dựng lớn, nơi mà khả năng chịu tải trọng động đất là rất cần thiết. Việc hiểu rõ về xác suất phá hoại giúp các kỹ sư thiết kế các hệ thống giằng chống hiệu quả hơn, từ đó nâng cao độ an toàn cho công trình.

1.1. Khung thép phẳng và vai trò của giằng chống

Khung thép phẳng là một trong những cấu trúc phổ biến trong xây dựng. Giằng chống đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường độ ổn định và khả năng chịu lực của khung. Các giằng chống như BRB giúp giảm thiểu rủi ro phá hoại do tải trọng động đất.

1.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu xác suất phá hoại

Nghiên cứu xác suất phá hoại giúp xác định khả năng chịu tải của khung thép phẳng dưới tác động của các lực bên ngoài. Điều này không chỉ giúp cải thiện thiết kế mà còn đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế khung thép phẳng

Thiết kế khung thép phẳng gặp nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc đảm bảo khả năng chịu tải trọng động đất. Các vấn đề như mất ổn định và khả năng chịu lực của giằng chống cần được xem xét kỹ lưỡng. Việc không tính toán chính xác có thể dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng.

2.1. Mất ổn định trong khung thép phẳng

Mất ổn định là một trong những nguyên nhân chính dẫn đến phá hoại trong khung thép phẳng. Các yếu tố như tải trọng động đất và thiết kế không hợp lý có thể làm gia tăng nguy cơ này.

2.2. Khó khăn trong việc tính toán xác suất phá hoại

Việc tính toán xác suất phá hoại đòi hỏi phải sử dụng các phương pháp phân tích phức tạp. Các yếu tố như độ cứng của giằng chống và tải trọng tác động cần được xem xét một cách chi tiết.

III. Phương pháp nghiên cứu xác suất phá hoại khung thép phẳng

Để nghiên cứu xác suất phá hoại khung thép phẳng, các phương pháp phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian thường được áp dụng. Phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác phản ứng của khung dưới tác động của tải trọng động đất.

3.1. Phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian

Phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian là một phương pháp mạnh mẽ trong việc đánh giá khả năng chịu lực của khung thép. Phương pháp này giúp mô phỏng các tình huống thực tế và đưa ra các dự đoán chính xác hơn về xác suất phá hoại.

3.2. Sử dụng phần mềm OpenSees trong nghiên cứu

Phần mềm OpenSees là công cụ hữu ích trong việc mô hình hóa và phân tích khung thép phẳng. Nó cho phép thực hiện các phân tích phức tạp và đưa ra kết quả đáng tin cậy.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Kết quả nghiên cứu xác suất phá hoại khung thép phẳng với giằng chống mất ổn định đã chỉ ra rằng việc sử dụng giằng chống BRB có thể cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của khung. Các ứng dụng thực tiễn từ nghiên cứu này có thể giúp nâng cao độ an toàn cho các công trình xây dựng.

4.1. Kết quả tính toán mô hình khung thép

Kết quả tính toán cho thấy rằng khung thép phẳng sử dụng giằng chống BRB có khả năng chịu tải tốt hơn so với các hệ thống giằng truyền thống. Điều này chứng tỏ hiệu quả của việc áp dụng công nghệ mới trong thiết kế.

4.2. Ứng dụng trong thực tế xây dựng

Nghiên cứu này có thể được áp dụng trong thiết kế các công trình xây dựng mới, đặc biệt là ở những khu vực có nguy cơ động đất cao. Việc áp dụng các giằng chống hiện đại sẽ giúp giảm thiểu rủi ro và nâng cao độ an toàn cho công trình.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu xác suất phá hoại khung thép phẳng với giằng chống mất ổn định đã mở ra nhiều hướng đi mới trong thiết kế kết cấu. Tương lai của nghiên cứu này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến trong công nghệ xây dựng và nâng cao độ an toàn cho các công trình.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng giằng chống BRB có thể cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của khung thép phẳng. Điều này mở ra cơ hội cho các nghiên cứu tiếp theo.

5.2. Hướng nghiên cứu trong tương lai

Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các loại giằng chống mới và cải tiến phương pháp phân tích để nâng cao độ chính xác trong dự đoán xác suất phá hoại.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng và biến đổi địa chất phức tạp, thiết kế kháng chấn cho công trình cao tầng đã trở thành yêu cầu bắt buộc nhằm bảo vệ sinh mạng con người và giảm thiểu thiệt hại kinh tế. Theo thống kê từ các trận động đất lớn trên thế giới, tổn thất về kết cấu đối với các tòa nhà không đạt tiêu chuẩn kháng chấn chiếm tới hơn 60% tổng thiệt hại vật chất. Tuy nhiên, việc phá dỡ để xây mới hàng loạt công trình cũ là phương án bất khả thi về mặt tài chính. Do đó, giải pháp gia cường và nâng cao khả năng chịu tải trọng ngang cho các công trình hiện hữu bằng hệ thống thanh giằng chống oằn đang là xu hướng hàng đầu trong kỹ thuật kết cấu hiện đại.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là các hệ khung thép thông thường và hệ giằng chéo đồng tâm truyền thống thường bị mất ổn định nén sớm, suy giảm độ cứng đột ngột và tích lũy chuyển vị dư lớn sau các đợt rung chấn liên tiếp. Nghiên cứu này được thực hiện nhằm mục tiêu phân tích ứng xử động lực học phi tuyến, đánh giá hiệu quả kháng chấn và xác định xác suất phá hoại của hệ khung thép phẳng sử dụng giằng chống oằn chịu tải trọng địa chấn.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình khung thép phẳng 6 tầng 4 nhịp với chiều cao mỗi tầng 4m và chiều dài mỗi nhịp 5m, chịu tác động của phổ gia tốc từ trận động đất Northridge năm 1994 cùng tập dữ liệu 20 trận động đất tiêu chuẩn tại khu vực Los Angeles. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc, chứng minh giải pháp sử dụng giằng chống oằn giúp giảm hơn 50% độ trôi tầng và tiết kiệm tới 49% khối lượng thép kết cấu so với hệ khung chịu mômen đặc biệt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng cơ học kết cấu phi tuyến và lý thuyết biến dạng dẻo của vật liệu thép dưới tác dụng của tải trọng đổi chiều chu kỳ. Ba trụ cột lý thuyết chính được áp dụng gồm: lý thuyết đường cong trễ đối xứng của thanh giằng chống oằn, phương pháp phân tích động phi tuyến theo lịch sử thời gian và lý thuyết độ tin cậy kết cấu để xác định xác suất phá hoại của khung phẳng.

Các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn quốc tế được viện dẫn bao gồm tiêu chuẩn ANSI/AISC 341-10 của Viện Kết cấu Thép Hoa Kỳ, tiêu chuẩn ASCE 7-05 và hướng dẫn đánh giá rủi ro địa chấn FEMA 302/303. Các khái niệm chuyên ngành then chốt bao gồm:

1. Thanh giằng chống oằn: Cấu kiện gồm lõi thép chịu lực được bọc bởi lớp vữa bê tông và ống thép bên ngoài nhằm triệt tiêu hiện tượng mất ổn định khi chịu nén.
2. Khung giằng đồng tâm thông thường: Hệ kết cấu chịu lực dọc trục có nhược điểm dễ bị oằn khi nén và suy giảm khả năng chịu lực do hiệu ứng Bauschinger.
3. Độ trôi tầng: Tỷ số giữa chuyển vị ngang tương đối giữa hai tầng liên tiếp và chiều cao tầng.
4. Cơ cấu khớp dẻo: Trạng thái tiết diện đạt tới giới hạn chảy dẻo hoàn toàn, biến hệ kết cấu thành cơ cấu biến hình có một hoặc nhiều bậc tự do.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu chủ đạo là phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian thông qua việc tích phân trực tiếp phương trình vi phân chuyển động d'Alembert cho hệ nhiều bậc tự do. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm bộ 20 giản đồ gia tốc nền động đất được chuẩn hóa theo quy chuẩn địa chấn Hoa Kỳ kết hợp với 3 phổ phản ứng thực tế của trận động đất Northridge năm 1994. Phương pháp chọn mẫu dữ liệu địa chấn dựa trên tiêu chí phản ánh đầy đủ các mức độ nguy hiểm từ động đất thiết kế cơ bản với xác suất vượt quá 10% trong 50 năm cho đến động đất cực đại với xác suất 2% trong 50 năm.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích phi tuyến theo lịch sử thời gian là vì đây là công cụ chính xác nhất hiện nay cho phép mô phỏng chính xác sự suy thoái độ cứng, suy thoái độ bền và cơ chế tiêu tán năng lượng của từng cấu kiện theo từng bước thời gian mili-giây. Toàn bộ mô hình kết cấu khung 6 tầng 4 nhịp được thiết lập và tính toán trên phần mềm mã nguồn mở OpenSees kết hợp giao diện OpenSeesNavigator. Dầm và cột được mô phỏng bằng phần tử đàn hồi phi tuyến elasticBeamColumn sử dụng vật liệu Steel01, trong khi lõi thanh giằng chống oằn được mô hình hóa bằng phần tử Truss với mô hình vật liệu Steel02 có hệ số điều chỉnh môđun đàn hồi tăng 1,5 lần để phản ánh đúng ứng xử thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích số liệu trên OpenSees đối với 3 mô hình so sánh đã mang lại các phát hiện cốt lõi:

Thứ nhất, việc bổ sung hệ giằng chống oằn giúp kiểm soát biến dạng vượt trội. So với khung thép thông thường không có giằng, hệ khung trang bị giằng chống oằn ghi nhận mức giảm chuyển vị đỉnh công trình và độ trôi tầng lên đến hơn 50%. Biến dạng ngang giữa các tầng phân bố đều đặn từ tầng 1 đến tầng 6, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng tập trung biến dạng cục bộ tại các tầng chân công trình.

Thứ hai, thanh giằng chống oằn duy trì vòng lặp trễ đối xứng và ổn định tuyệt đối dưới tải trọng đổi chiều liên tục. Trong khi thanh giằng đồng tâm thông thường bị suy giảm khả năng chịu tải nén nghiêm trọng và tích lũy độ lệch tâm vĩnh viễn, thanh giằng chống oằn chỉ suy giảm độ cứng khoảng 2% sau chu kỳ gia tải kép liên tiếp của trận động đất Northridge, bảo toàn khả năng biến dạng dẻo gấp 300 lần biến dạng đàn hồi ban đầu.

Thứ ba, hệ giằng chống oằn giúp tái phân phối nội lực hiệu quả. Mặc dù lực dọc và lực cắt trong khung không có sự biến thiên quá lớn, mômen uốn tại các nút liên kết dầm - cột giảm mạnh từ 35% đến 45%, ngăn chặn hiệu quả sự hình thành sớm của các khớp dẻo phá hoại.

Thứ tư, vị trí bố trí giằng tại khung giữa thể hiện khả năng kiểm soát độ trôi tầng tối ưu hơn 12% so với phương án bố trí tại hai khung biên của công trình.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi tạo nên sự vượt trội của hệ giằng chống oằn nằm ở cơ chế phân tách giữa khả năng chịu lực dọc của lõi thép và khả năng kiềm chế biến dạng uốn của vỏ bê tông bọc ngoài. Khoảng hở giữa lõi thép và vữa bê tông cho phép lõi tự do giãn nở thể tích khi chịu nén mà không truyền ứng suất tiếp xúc nguy hiểm sang vỏ bọc. Tỷ lệ giới hạn đàn hồi giữa vỏ bọc và lõi thép được duy trì lớn hơn 1,5, đảm bảo giằng không bị oằn tổng thể.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng và làm sáng tỏ thêm các nghiên cứu kinh điển của Watanabe năm 1988 và Clark năm 2000, đồng thời khẳng định kết luận của Sabelli năm 2003 về việc hệ số điều chỉnh phản ứng R tăng từ 6 lên 8 không làm suy giảm độ an toàn của hệ khung giằng chống oằn. Toàn bộ dữ liệu phản ứng động lực học có thể được trực quan hóa sinh động thông qua biểu đồ lịch sử chuyển vị thời gian, biểu đồ vòng lặp trễ quan hệ lực cắt - chuyển vị đỉnh và bảng so sánh ma trận nội lực đa tầng. Điều này chứng minh rằng hệ giằng chống oằn là phương án thay thế hoàn hảo cho các hệ giằng truyền thống dễ bị phá hoại giòn.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm tối ưu hóa hiệu quả kháng chấn và ứng dụng rộng rãi giải pháp giằng chống oằn trong thực tế xây dựng, luận văn đề xuất 4 nhóm giải pháp cụ thể:

1. Ứng dụng công nghệ giằng chống oằn vào thiết kế mới và gia cường công trình cao tầng: Các đơn vị tư vấn thiết kế cần ưu tiên sử dụng hệ khung giằng chống oằn cho các công trình từ 6 đến 25 tầng tại vùng có nguy cơ động đất cấp 7 trở lên. Mục tiêu hành động là khống chế độ trôi tầng thiết kế dưới ngưỡng 1,5% chiều cao tầng. Thời gian triển khai áp dụng từ quý 1 năm 2026 do các chủ đầu tư và kỹ sư kết cấu chủ trì.

2. Hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật và kiểm định chất lượng: Đề xuất Bộ Xây dựng và Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng phối hợp biên soạn quy chuẩn thiết kế kháng chấn riêng cho hệ giằng chống oằn dựa trên chuẩn ANSI/AISC 341-10. Yêu cầu bắt buộc kiểm tra tỷ lệ độ cứng vỏ bọc trên lõi thép đạt mức tối thiểu 1,5 và thử nghiệm chu kỳ biến dạng đạt trên 200 lần giới hạn đàn hồi trước khi xuất xưởng. Lộ trình thực hiện trong vòng 12 tháng.

3. Tối ưu hóa phân bố tiết diện giằng theo chiều cao công trình: Kỹ sư thiết kế cần giảm dần diện tích tiết diện lõi giằng theo chiều cao tầng, cụ thể giảm từ 32,2 cm2 ở tầng trệt xuống 16,1 cm2 ở tầng đỉnh đối với công trình 6 tầng. Mục tiêu tiết kiệm từ 20% đến 25% chi phí vật liệu thép chế tạo mà vẫn đảm bảo chỉ số độ tin cậy kết cấu.

4. Chuẩn hóa quy trình mô phỏng phi tuyến trên nền tảng phần mềm mã nguồn mở: Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành cần đưa phần mềm OpenSees vào chương trình đào tạo sau đại học và thực hành tính toán kết cấu. Mục tiêu nâng cao độ chính xác dự báo phản ứng địa chấn thêm 30% so với phương pháp tĩnh lực ngang tương đương truyền thống, hoàn thành trong giai đoạn 2026-2027.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn to lớn cho 4 nhóm đối tượng chính:

1. Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình: Nắm vững phương pháp tính toán, lựa chọn kích thước tiết diện dầm, cột và lõi giằng chống oằn tối ưu; ứng dụng quy trình phân tích phi tuyến để nâng cao chất lượng hồ sơ thiết kế kháng chấn cho các tòa nhà cao tầng hiện đại.

2. Nhà thầu thi công và đơn vị kiểm định, gia cường công trình: Tiếp cận giải pháp kỹ thuật gia cố kết cấu nhà cũ bằng hệ giằng chống oằn lắp ghép bulông hoặc chốt liên kết, giúp giảm hơn 50% thời gian thi công và không làm gián đoạn công năng sử dụng của tòa nhà.

3. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng: Sử dụng tài liệu như một cẩm nang chi tiết về mô hình hóa kết cấu phi tuyến trên OpenSees, từ việc thiết lập các mô hình vật liệu Steel01, Steel02 đến phương pháp tính toán xác suất phá hoại và độ tin cậy công trình.

4. Cơ quan quản lý nhà nước và ban soạn thảo quy chuẩn xây dựng: Có thêm căn cứ khoa học và cơ sở dữ liệu thực nghiệm để xây dựng các hướng dẫn kỹ thuật, bổ sung tiêu chuẩn kháng chấn quốc gia tiệm cận với tiêu chuẩn tiên tiến của Hoa Kỳ và Châu Âu.

Câu hỏi thường gặp

Thanh giằng chống oằn có điểm gì khác biệt cốt lõi so với thanh giằng thép truyền thống? Thanh giằng chống oằn sở hữu lõi thép được bọc trong ống thép chứa vữa bê tông chống mất ổn định. Cơ chế này giúp giằng chịu lực kéo và nén đối xứng hoàn toàn, không bị oằn khi nén như giằng thông thường, đồng thời duy trì khả năng tiêu tán năng lượng ổn định với độ suy giảm độ cứng chỉ khoảng 2% qua nhiều chu kỳ rung chấn.

Tại sao nghiên cứu lại ưu tiên sử dụng phần mềm OpenSees thay vì các phần mềm thương mại? OpenSees là phần mềm mã nguồn mở chuyên sâu về địa chấn do PEER phát triển, cung cấp các mô hình phi tuyến chính xác cao như vật liệu Steel02 và phần tử elasticBeamColumn. Phần mềm cho phép can thiệp sâu vào thuật toán tích phân lịch sử thời gian, giúp mô phỏng chân thực quá trình suy thoái kết cấu mà các phần mềm thương mại khó đáp ứng trọn vẹn.

Tỷ lệ độ cứng giữa vỏ bọc và lõi thép có ý nghĩa như thế nào trong an toàn kết cấu? Tỷ lệ giới hạn đàn hồi giữa vỏ bọc và lõi thép bắt buộc phải lớn hơn 1,5 theo thực nghiệm của Watanabe. Tỷ số này đảm bảo lớp vỏ bên ngoài đủ độ cứng kiềm chế hiện tượng oằn cục bộ và uốn dọc của lõi thép bên trong khi chịu ứng suất nén cực đại, bảo vệ thanh giằng không bị phá hoại giòn.

Giải pháp sử dụng giằng chống oằn giúp tiết kiệm chi phí xây dựng như thế nào? Theo tính toán từ mô hình và các nghiên cứu đối chiếu, hệ khung giằng chống oằn chỉ sử dụng lượng thép bằng khoảng 0,51 lần so với hệ khung chịu mômen đặc biệt có cùng khả năng kháng chấn. Việc giảm khối lượng thép dầm, cột giúp tối ưu hóa tải trọng bản thân công trình, giảm kích thước móng và tiết kiệm 20% đến 30% chi phí kết cấu.

Làm thế nào để hạn chế hiện tượng tích lũy chuyển vị dư trong hệ khung giằng chống oằn? Để kiểm soát chuyển vị dư, kỹ sư cần thiết kế hệ giằng hỗn hợp kết hợp bố trí diện tích lõi giằng giảm dần theo chiều cao tầng, đồng thời đảm bảo dầm và cột làm việc trong giới hạn đàn hồi. Việc bố trí giằng tại các nhịp giữa khung cũng giúp cân bằng phản ứng động học và giảm đáng kể độ lệch tầng sau động đất.

Kết luận

1. Khung thép sử dụng giằng chống oằn là giải pháp kháng chấn vượt trội, giúp giảm hơn 50% độ trôi tầng và triệt tiêu nguy cơ sụp đổ công trình dưới động đất mạnh.
2. Thanh giằng chống oằn thể hiện ứng xử trễ đối xứng hoàn hảo, bảo toàn khả năng chịu lực nén - kéo với độ suy giảm độ cứng chỉ khoảng 2% sau các đợt gia tải lặp.
3. Việc ứng dụng hệ giằng chống oằn giúp giảm thiểu đáng kể mômen uốn tại các nút khung, tối ưu hóa kích thước dầm cột và tiết kiệm tới 49% khối lượng thép kết cấu so với khung chịu mômen đặc biệt.
4. Nghiên cứu đã xây dựng thành công quy trình mô phỏng phi tuyến theo lịch sử thời gian và đánh giá xác suất phá hoại tin cậy trên nền tảng phần mềm OpenSees cho công trình 6 tầng 4 nhịp.
5. Hướng phát triển tiếp theo cần tập trung nghiên cứu thực nghiệm trên bàn rung đối với mô hình không gian 3 chiều và khảo sát hiệu ứng tương tác động lực học giữa kết cấu, móng và nền đất yếu.

Các kỹ sư và nhà quản lý dự án hãy chủ động ứng dụng công nghệ giằng chống oằn cùng phương pháp phân tích phi tuyến OpenSees ngay hôm nay để kiến tạo nên những công trình bền vững và an toàn tuyệt đối trước thiên tai địa chấn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương 3: Mô hình công trình. Chương 4: Kết quả nghiên cứu.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị. 7 Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lịch sử phát triển BRB. Khái niệm giằng chống oằn (BRBs) lần đầu tiên được phát triển ở Nhật Bản vào những năm 1980. Sau khi trận động đất Nothridge 1993 xảy ra, các hệ thống BRBF đã được sử dụng với tần số ngày càng nhiều và được chấp nhận trong tiêu chuẩn chống động đất cho nhà thép (ANSI/AISC 341-10)[5].

Một trong những dự án xây dựng mới đầu tiên ở Hoa Kỳ sử dụng hệ thống giằng chống oằn là Tòa nhà Khoa học Môi trường trong khuôn viên của Đại học California [2]. Kể từ đó, BRBs đã được sử dụng trong nhiều tòa nhà tại Hoa Kỳ ngoài ra nó còn được ứng dụng xây dựng cầu và các công trình khác. Mặc dù BRBs đã được sử dụng từ sớm những năm 1999, nhưng vào những năm 2005 các qui định về thiết kế hệ thống BRBFs mới được đưa vào tiêu chuẩn ASCE 7- 05 (ASCE 2005) và AISC 341-05 (AISC 2005). Hiện nay BRBs là sản phẩm độc quyền tại Hoa Kỳ và chế tạo chủ yếu bởi 3 nhà sản xuất chính là: CoreBrace (www.com), Nippon Steel (www.com) và Starseismic (www.1 Các loại giằng BRBs chủ yếu hiện nay (NIST No.2 Cấu tạo thanh giằng chống oằn (BRB).

Khung có hệ thống giằng chống oằn là một trọng các loại mới của hệ thống chống động đất được sử dụng trong thiết kế xây dựng hiện đại. Hệ thống chống oằn được đặc trưng bởi việc sử dụng lõi thép có khả năng biến dạng dẻo tái bền ở cả khi chịu nén và kéo. Mặc dù là một hệ thống tương đối mới, BRBFs đã được nhiều nghiên cứu phân tích và thực nhiệm chứng minh khả năng chống động đất mạnh mẽ ([2], [3], [6],[8]). Lõi của thanh giằng chống oằn có khả năng biến dạng dẻo tái bền với đường cong trễ cân bằng (Hình 2.2) bởi Michel Bruneau.

Lực kéo – nén được chống lại bằng một lõi thép hình. Hệ thống kháng oằn được tạo ra bởi lớp vỏ bọc bên ngoài, có thể là thép, bê tông, hoặc composite.2 Biểu đồ quan hệ đường cong trễ căn bằng của BRB Một số khái niệm BRB đã được phát triển bởi các nhà nghiên cứu và các nhà sản xuất. Khái niệm khác nhau về BRB về việc sử dụng đơn hay đa lõi, hay việc sử dụng các vỏ bọc với các vật khác nhau, các biện pháp để ngăn cản ứng suất trong vỏ đã được nghiên cứu một cách toàn diện bởi C.Nakachima [6] cho ta một cái nhìn tổng quan về các khái niệm của các loại giằng BRB trên toàn thế giới. Tại Hoa Kỳ, các giằng BRB được thương mại hóa từ những năm đầu của thập kỷ XX.3 Cấu tạo thanh giằng chống oằn (BRB) bởi David J.Miller Cấu tạo cơ bản của một BRB điển hình gồm 5 thành phần sau (Hình 2.

Vùng cho phép biến dạng dẻo: Vùng này hay còn được gọi là lõi thép, thường được làm bằng thép nhẹ như thép A36 và có một mặt cắt ngang hình chữ nhập hoặc chữ thập. Nó được thiết kế để có thể biến dạng dẻo khi chịu một lực dọc lớn. Đoạn chuyển: Đoạn này là một phần kéo dài của lõi thép. Các mặt cắt ngang của đoạn này được mở rộng để đảm bảo rằng nó luôn nằm trong vùng giới hạn đàn hồi.

Vùng liên kết: Vùng này nằm ở 2 đầu thanh giằng BRB nhằm để liên kết thanh giằng với dầm cột trong khung. Lớp phủ bê tông: bộ phận này thường được làm bằng bê tông hoặc vữa nhằm ngăn sự biến dạng oằn quá mức của lõi thép. Lớp vỏ thép bên ngoài: bộ phận này là lớp bao ngoài cùng của thanh giằng nhằm bao bọc và bảo vệ thanh giằng.4 Các thành phần cơ bản của thanh giằng chống oằn (BRB) bởi Watanabe và cộng sự [1] Ngoài ra một bộ phận quan trọng trong kết cấu chống oằn là bộ phận để liên kết BRB vào hệ thống khung nhà. Hiện nay, liên kết ở đầu BRB thường được sử dụng với 2 loại (Hình 2.7) là liên kết bulong hoặc liên kết chốt.5 Liên kết giằng BRB với hệ thống dầm, cột trong khung bởi Sabelli và cộng sự [3] 2.1 Cơ chế hoạt động.

Hệ thống giằng BRBs được xem là một tập hợp con của hệ thống giằng đồng tâm thông thường (CBFs). BRB được phát triển trên nền tảng CBFs để cải thiện 11 một số tính năng của hệ thống CBF nhằm đáp ứng khả năng năng chịu tải trọng ngang tuần hoàn lớn. Vì thế trước tiên để xem xét ứng xử và khả năng làm việc của BRB ta đi tìm hiểu sơ bộ về phản ứng của CBF khi chịu tải trọng ngang để có một cái nhìn tổng thể và khách quan hơn về khả năng làm việc cũng như hiệu quả của BRBF mang lại.1 Giằng chéo đồng tâm thông thƣờng (CBF) a. Tổng quan về hệ giằng chéo đồng tâm (CBF): Khung có hệ giằng chéo đồng tâm (CBFs) là một lớp của các cấu trúc chống tải ngang qua một giàn đồng tâm thẳng đứng hệ thống, nó được chia làm nhiều các loại giằng khác nhau như (OCBF) hệ thống giằng chéo thông thường và (SCBF) hệ thống giằng chéo đặc biệt.

Nhưng trong nội dung hạn chế của luận văn này bài viết chỉ khái quát chung về hệ thống giằng chéo đồng tâm thông thường chịu tải trọng động đất nhằm có một cái nhìn khách quan hơn về mục đích cũng như kết quả của luận văn. Tương tự như các thanh giằng ngang chịu cắt, các tòa nhà có thể trang bị thêm bằng giằng chéo đồng tâm (Hình 2. Thông thường giằng thép chéo được đưa vào các nhịp của khung nhà để cung cấp thêm khả năng chịu lực cũng như giảm trôi tầng.6 Gia cố hệ giằng chéo trong kết cấu nhà cao tầng Các lực tác động được gây ra bởi tải trong gió hay động đất, được chuyển qua các cột, dầm đến hệ khung giằng, và sau đó truyền cho các giằng chéo, các giằng 12 chéo sẽ biến thành các phần tử chịu kéo – nén giúp chống lại các tác động lực xô ngang. Tuy nhiên các giằng chéo nhanh chóng bị giảm về độ cứng và có thể mất đi khả năng chịu lực khi chịu tải trọng tuần hoàn lớn.

Điều này được thể hiện rõ trong biểu đồ biến dạng khi giằng chịu tải trọng theo chu kỳ (Hình 2.7 Sự mất ổn định trong hệ thống CBF CBFs là hệ thống kết cấu trong mà lực chủ yếu chống lại bởi các biến dạng dọc trục phụ thuộc vào độ cứng của các thanh giằng chéo. Các đường tâm của thanh giằng giao nhau chính giữa dầm và cột tại mỗi kết nối. CBF được thiết kế để biến dạng không đàn hồi và phần còn lại của kết cấu (dầm, cột) về cơ bản vẫn đàn hồi. Hệ giằng CBFs bình thường có biểu đồ trễ bất đối xứng, thanh giằng chéo được thiết kế theo hướng bền kéo và oằn theo hướng nén.

Tuy nhiên CBF bình thường có một độ dẻo hạn chế, ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu các địa chấn lớn. Biểu đồ trễ của CBF được thể hiện ở Hình 2.8 được đưa ra bởi Justin Binder [7].8 Biểu đồ quan hệ lực – chuyển vị của hệ thống giằng chống oằn [7] 13 b. Ứng xử của CBF dƣới tác động của tải dọc trục Các ứng xử của giằng thép thường được biểu diễn theo một tải trọng dọc trục P và một chuyển vị ngang tại đỉnh của giằng và biến dạng tại chính giữa thanh giằng (Hình 2.9) được đưa ra bởi Murat Dicleli và Ertugul Emre Calik [8].9 Phản ứng của CBF khi chịu tải dọc trục [8] Một vòng lặp trễ điển hình của giằng thép được thể hiện ở Hình 2.10 được đưa ra bởi Murat Dicleli và Ertugul Emre Calik [8]. Để nghiên cứu ứng xử tuần hoàn không đàn hồi của giằng thép biểu đồ quan hệ lực – chuyển vị có thể được chia làm 6 khu vực như thể hiện trong Hình 2.

Định nghĩa các khu vực có liên quan chặt chẽ đến việc giải thích các hành vi vật lý của thanh giằng.10 Biểu đồ phân vùng quan hệ lực – chuyển vị [8] Vùng 1, giằng thép chịu tải trọng nén dọc trục trong khoảng tuyến tính đàn hồi. Do sự không hoàn hảo ban đầu trong giằng, momen tạo ra trong giằng dưới áp lực của tải dọc trục thanh giằng bị biến dạng như Hình 2. Tại thời điểm khi momen bằng momen đàn hồi tới hạn của thanh giằng bị mất ổn định (điểm A). Vùng 2, vùng này bị chi phối bởi sự uốn không đàn hồi của thanh giằng chịu momen do tải P gây ra thêm trong giằng, kết quả làm thanh giằng biến dạng lớn hơn.

Điều này dẫn đến sự sụt giảm khả năng chịu tải trọng dọc trục của thanh 14 giằng trong đoạn A-B. Vùng này được đặc trưng bởi chuyển vị ngang và độ võng tại giữa thanh rất lớn. Vùng 3, tương ứng với giai đoạn dỡ tải độ dốc của đoạn này nhỏ hơn nhiều so với độc dốc đoạn 1 do biến dạng võng tồn tại ở giữa thanh giằng. Vùng 4, là giai đoạn các thanh giằng chuyển sang trạng thái chịu kéo và ứng suất trong thanh giằng tăng lên một lần nữa cho đến khi bằng momen đàn hồi tới hạn của thanh giằng (tại điểm E).

Nếu lực kéo được gỡ bỏ tại thời điểm này, ta sẽ nhận thấy thanh giằng sẽ dài hơn chiều dài ban đầu. Lúc này, về cơ bản momen uốn trong thanh giằng là bằng 0. Đoạn 5a, là giai đoạn tiếp tục gia tải kéo cho thanh giằng. Lúc này thanh giằng chuyển sang giai đoạn biến dạng không đàn hồi.

Đoạn 5, là giai đoạn dỡ tải đàn hồi F-G. Lực kéo trong thanh giằng được giảm dần về 0 và kết khúc chu kỳ đầu tiên. Đoạn 6, là đoạn bắt đầu chu kỳ thứ 2, thanh giằng bị gia tải nén dọc trục và oằn tại điểm H. Tuy nhiên tải oằn này nhỏ hơn nhiều so với tải oằn tại điểm A do hiệu ứng Bauschinge.

Điều này làm giảm đáng kể khả năng chịu lực của thanh giằng và có thể dẫn đến phá hoại khi chịu một tải trọng tuần hoàn lớn. Đây cũng là nhược điểm lớn nhất của hệ giằng thép thông thường khi chịu tải trọng địa chấn.2 Giằng chống oằn (BRB) Để cải thiện độ dẻo và khả năng chịu tải trọng tuần hoàn của khung có giằng chéo đồng tâm (CBF), một hệ thống chống oằn được phát triển. Thông thường thanh giằng được tạo thành từ một lõi thép được kiềm chế chống lại oằn bởi một vật liệu bao phủ bên ngoài lõi thép, do đó khả năng chịu lực của lõi thép trong cả hai trường hợp nén và kéo đều được điều chỉnh bởi kích thước mặt cắt ngang lõi thép.