Tổng quan nghiên cứu

Khung bê tông cốt thép có tường chèn gạch là một trong những giải pháp phổ biến trong xây dựng nhà ở và công trình dân dụng, đặc biệt tại các quốc gia đang phát triển. Theo ước tính, tường chèn chiếm phần lớn chi phí thi công và sửa chữa, đồng thời ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả chịu lực của kết cấu dưới tải trọng ngang như gió, động đất. Mặc dù tường chèn thường được xem là thành phần phi kết cấu và chỉ được tính như tải trọng, các tiêu chuẩn như Eurocode 6, Eurocode 8 và FEMA 306 cũng chỉ đề cập sơ lược mà chưa có hướng dẫn chi tiết về tính toán tương tác khung – tường chèn.

Nghiên cứu này tập trung phát triển mô hình phân tích phi tuyến vật liệu cho khung bê tông cốt thép có tường chèn, nhằm mô phỏng chính xác ứng xử của hệ kết cấu dưới tải trọng ngang. Phạm vi nghiên cứu bao gồm khảo sát mô hình thanh chống đơn và ba thanh chống thay thế tường chèn, so sánh với kết quả thực nghiệm và mô hình phần tử hữu hạn. Thời gian nghiên cứu từ tháng 02 đến tháng 06 năm 2023 tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc đề xuất mô hình thanh chống đơn đơn giản, hiệu quả, có sai số nội lực và chuyển vị dưới 8% so với mô hình ba thanh chống phức tạp, giúp giảm thời gian tính toán và dễ áp dụng trong thiết kế thực tế. Kết quả này góp phần nâng cao độ tin cậy trong phân tích kết cấu khung có tường chèn, giảm thiểu chi phí và rủi ro do ứng xử không được dự đoán chính xác.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Mô hình thanh chống tương đương: Tường chèn được thay thế bằng thanh chống chịu nén theo hướng tải trọng ngang, dựa trên nghiên cứu khởi đầu của Polyakov (1960) và các công thức bề rộng thanh chống của Stafford Smith (1969), Crisafulli và Carr (2007). Mô hình này giúp đơn giản hóa việc mô phỏng ứng xử phi tuyến của tường chèn trong khung bê tông cốt thép.

  • Lý thuyết dầm trên nền đàn hồi Winkler: Dầm và cột khung được xem như các thanh đặt trên nền đàn hồi, mô phỏng bởi hệ số đàn hồi k, giúp xác định phân bố ứng suất và biến dạng trong tường chèn và khung.

  • Phân tích phi tuyến vật liệu: Xem xét ứng xử phi tuyến của bê tông, thép và tường chèn, bao gồm các mô hình ứng suất – biến dạng không tuyến tính, ổn định ngoài mặt phẳng và góc nén hiệu quả của tường chèn.

Các khái niệm chính bao gồm: bề rộng thanh chống tương đương, góc nghiêng đường chéo tường chèn (θ), góc lực nén hiệu quả (φ), mô đun đàn hồi của tường chèn (Ew), mô men quán tính (Iw), và hệ số ổn định Euler cho thanh chống.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm kết quả thực nghiệm khung bê tông cốt thép có tường chèn gạch xây từ các thí nghiệm quy mô lớn, đặc biệt là nghiên cứu của Đ. Quốc, cùng với dữ liệu mô phỏng phần tử hữu hạn trên phần mềm Abaqus và SAP 2000.

Phương pháp phân tích sử dụng:

  • Mô hình hóa phi tuyến vật liệu bằng phần tử hữu hạn, kết hợp mô hình thanh chống đơn và ba thanh chống thay thế tường chèn.

  • Phân tích tĩnh phi tuyến (pushover) để khảo sát ứng xử khung dưới tải trọng ngang.

  • So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm để đánh giá độ tin cậy.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các mô hình khung phẳng và khung không gian với nhiều biến thể về số nhịp, kích thước tường chèn và loại vật liệu. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các trường hợp điển hình trong thực tế xây dựng và các nghiên cứu trước đó nhằm đảm bảo tính đại diện.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 02 đến tháng 06 năm 2023, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, phân tích và đối chiếu kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình ba thanh chống cho kết quả chính xác hơn mô hình thanh chống đơn: Kết quả phân tích cho thấy mô hình ba thanh chống mô phỏng ứng xử phi tuyến của khung có tường chèn gần với thực nghiệm hơn, tuy nhiên sự khác biệt về nội lực và chuyển vị giữa hai mô hình không vượt quá 8%.

  2. Mô hình thanh chống đơn có tính khả thi cao trong thiết kế thực tế: Do mô hình ba thanh chống phức tạp và tốn nhiều thời gian tính toán, mô hình thanh chống đơn được đề xuất áp dụng trong các bài toán thiết kế và khảo sát tương tác khung – tường chèn, giúp giảm thời gian phân tích mà vẫn đảm bảo độ chính xác.

  3. Ảnh hưởng của góc nén hiệu quả và ổn định ngoài mặt phẳng tường chèn: Việc xét đến góc nén hiệu quả (φ) và ổn định ngoài mặt phẳng của tường chèn giúp tổng quát hóa mô hình cho nhiều loại vật liệu và điều kiện vùng miền khác nhau, nâng cao tính ứng dụng của mô hình.

  4. Bề rộng thanh chống tương đương được xác định dựa trên diện tích truyền tải của dầm trên nền đàn hồi: Công thức đề xuất cho bề rộng thanh chống đơn và ba thanh chống dựa trên các tham số hình học và cơ học của khung và tường chèn, phù hợp với kết quả thực nghiệm và các nghiên cứu trong và ngoài nước.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân mô hình ba thanh chống cho kết quả chính xác hơn là do nó mô phỏng chi tiết hơn sự phân bố lực nén trong tường chèn, đặc biệt khi có sự phân tách giữa khung và tường tại các vùng không tiếp xúc. Tuy nhiên, sự phức tạp và thời gian tính toán lớn khiến mô hình này khó áp dụng trong thực tế thiết kế.

Mô hình thanh chống đơn, mặc dù đơn giản hơn, nhưng với sai số dưới 8% so với mô hình ba thanh chống, đã chứng minh tính hiệu quả và khả năng ứng dụng rộng rãi. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây như của Haldar và cộng sự, cũng như Crisafulli và Carr, khi đề xuất các mô hình thanh chống đơn giản hóa.

Việc bổ sung góc nén hiệu quả và ổn định ngoài mặt phẳng tường chèn là điểm mới quan trọng, giúp mô hình có thể áp dụng cho nhiều loại gạch xây khác nhau, từ gạch đất sét nung đến gạch AAC, phù hợp với điều kiện vật liệu đa dạng tại các vùng miền.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh đường cong lực – chuyển vị giữa các mô hình và thực nghiệm, bảng tổng hợp nội lực dầm và cột ở các tầng khác nhau, giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt và tương đồng giữa các phương pháp phân tích.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình thanh chống đơn trong thiết kế kết cấu khung có tường chèn: Khuyến nghị các kỹ sư thiết kế sử dụng mô hình thanh chống đơn để phân tích ứng xử phi tuyến của khung bê tông cốt thép có tường chèn, nhằm giảm thời gian tính toán và chi phí thiết kế, trong vòng 6 tháng tới.

  2. Phát triển phần mềm hỗ trợ tính toán dựa trên mô hình đề xuất: Đề xuất xây dựng hoặc cập nhật phần mềm phân tích kết cấu tích hợp mô hình thanh chống đơn với công thức bề rộng thanh chống tương đương, giúp tự động hóa quá trình tính toán và nâng cao độ chính xác.

  3. Khảo sát và tính toán sự suy giảm độ cứng của thanh chống đơn trong trường hợp tường chèn có lỗ mở: Nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào ảnh hưởng của lỗ mở trên tường chèn, đặc biệt tại tầng mềm, nhằm cải thiện mô hình và dự đoán chính xác hơn cơ chế phá hoại.

  4. Xây dựng tiêu chuẩn thiết kế tường chèn trong khung bê tông cốt thép: Dựa trên kết quả nghiên cứu, đề xuất các tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn thiết kế cụ thể cho tường chèn, bao gồm xác định bề rộng thanh chống, góc nén hiệu quả và ổn định ngoài mặt phẳng, áp dụng trong vòng 1-2 năm tới bởi các cơ quan quản lý xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Giúp hiểu rõ hơn về mô hình phân tích phi tuyến vật liệu cho khung có tường chèn, áp dụng mô hình thanh chống đơn để tối ưu hóa thiết kế, giảm chi phí và thời gian.

  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp phân tích hiện đại, làm nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về kết cấu khung bê tông cốt thép và vật liệu xây dựng.

  3. Cơ quan quản lý và ban hành tiêu chuẩn xây dựng: Tham khảo để phát triển các quy định kỹ thuật về thiết kế và thi công tường chèn trong kết cấu bê tông cốt thép, nâng cao chất lượng và an toàn công trình.

  4. Nhà thầu và tư vấn giám sát thi công: Hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của tường chèn đến ứng xử kết cấu, từ đó kiểm soát chất lượng thi công, giảm thiểu rủi ro nứt, thấm và hư hỏng công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần mô hình hóa tường chèn bằng thanh chống?
    Mô hình thanh chống giúp đơn giản hóa việc mô phỏng ứng xử phi tuyến của tường chèn trong khung bê tông cốt thép, giảm thời gian tính toán so với mô hình vi mô phức tạp, đồng thời vẫn đảm bảo độ chính xác cao.

  2. Mô hình thanh chống đơn có chính xác không?
    Theo kết quả nghiên cứu, mô hình thanh chống đơn cho sai số nội lực và chuyển vị dưới 8% so với mô hình ba thanh chống phức tạp, đủ chính xác để áp dụng trong thiết kế thực tế.

  3. Góc nén hiệu quả (φ) ảnh hưởng thế nào đến mô hình?
    Góc nén hiệu quả ảnh hưởng đến độ cứng và khả năng chịu lực của tường chèn, việc xét đến góc này giúp mô hình tổng quát hơn, phù hợp với nhiều loại vật liệu và điều kiện thi công khác nhau.

  4. Mô hình có áp dụng được cho tường chèn có lỗ mở không?
    Hiện tại mô hình chủ yếu áp dụng cho tường chèn liền khối; nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung tính toán sự suy giảm độ cứng do lỗ mở, đặc biệt tại tầng mềm.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế thực tế?
    Kỹ sư thiết kế có thể sử dụng công thức bề rộng thanh chống tương đương và mô hình thanh chống đơn trong phần mềm phân tích kết cấu để mô phỏng và tính toán ứng xử khung có tường chèn, từ đó đưa ra giải pháp thiết kế tối ưu.

Kết luận

  • Đã phát triển thành công mô hình phân tích phi tuyến vật liệu cho khung bê tông cốt thép có tường chèn, sử dụng mô hình thanh chống đơn và ba thanh chống thay thế tường chèn.

  • Mô hình thanh chống đơn được đề xuất áp dụng trong thiết kế thực tế do tính đơn giản và sai số nhỏ (<8%) so với mô hình ba thanh chống.

  • Công thức xác định bề rộng thanh chống tương đương dựa trên diện tích truyền tải của dầm trên nền đàn hồi, có xét đến góc nén hiệu quả và ổn định ngoài mặt phẳng tường chèn.

  • Kết quả nghiên cứu là cơ sở để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về ảnh hưởng của lỗ mở trên tường chèn và xây dựng tiêu chuẩn thiết kế tường chèn trong khung bê tông cốt thép.

  • Khuyến nghị áp dụng mô hình thanh chống đơn trong thiết kế kết cấu, đồng thời phát triển phần mềm hỗ trợ và tiêu chuẩn kỹ thuật trong vòng 1-2 năm tới nhằm nâng cao hiệu quả và độ an toàn công trình.