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.