Luận Văn Thạc Sĩ Về Phân Tích Tĩnh Phi Tuyến Vật Liệu Khung Bê Tông Cốt Thép Có Tường Chèn

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật xây dựng phân tích tĩnh phi tuyến vật liệu của khung phẳng bê tông cốt thép có tường chèn, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Phan Thanh Vũ
• Người hướng dẫn: PGS. Ngô Hữu Cường
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng
• Đề tài: Phân Tích Tĩnh Phi Tuyến Khung Bê Tông Cốt Thép Có Tường Chèn
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
• 1.2. Mục tiêu đề tài
• 1.3. Cấu trúc đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN
• 2.1. Mô hình thanh chống đơn đàn hồi
• 2.2. Mô hình ba thanh chống sau đàn hồi
• 2.3. Phân tích phi tuyến và phi tuyến vật liệu khung tường chèn
• 2.4. Mô hình phi tuyến vật liệu thép, bê tông và tường chèn. Phương pháp mô hình hóa
• 3. CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ KIỂM CHỨNG
• 3.1. Kết quả thực nghiệm
• 3.2. Phương pháp mô hình
• 3.3. Thông số vật liệu của bê tông và cốt thép
• 3.4. Kiểm chứng với mô hình vi mô đơn giản
• 3.5. Kết quả khảo sát
• 4. CHƯƠNG 4: VÍ DỤ TÍNH TOÁN
• 4.1. Khảo sát mô hình khung phẳng chịu tải trọng ngang
• 4.2. Mô hình khung không thanh chống
• 4.3. Mô hình khung thanh chống đơn
• 4.4. Mô hình khung ba thanh chống. So sánh các mô hình và thực nghiệm
• 4.5. So sánh với các nghiên cứu trước
• 4.6. Khảo sát mô hình khung không gian chịu tải trọng ngang
• 4.7. Mô hình khung không thanh chống
• 4.8. Mô hình khung thanh chống đơn (theo mỗi hướng)
• 4.9. Mô hình khung ba thanh chống (theo mỗi hướng)
• 4.10. So sánh giữa các mô hình
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN
• 5.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về phân tích tĩnh phi tuyến

Phân tích tĩnh phi tuyến là một phương pháp quan trọng trong thiết kế và đánh giá kết cấu, đặc biệt là trong các công trình bê tông cốt thép có tường chèn. Phân tích tĩnh cho phép xác định phản ứng của kết cấu dưới tác động của tải trọng mà không cần phải giả định rằng ứng xử của nó là tuyến tính. Điều này rất quan trọng vì khi tải trọng tăng lên, các thành phần của kết cấu có thể chuyển từ trạng thái đàn hồi sang trạng thái phi tuyến, dẫn đến các hiện tượng như nứt và biến dạng không thể đoán trước. Trong bối cảnh khung bê tông cốt thép, phi tuyến không chỉ ảnh hưởng đến độ bền mà còn đến độ cứng và khả năng chịu lực của toàn bộ hệ thống. Nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng các mô hình phân tích phi tuyến có thể cải thiện đáng kể độ chính xác trong việc dự đoán ứng xử của khung dưới tải trọng ngang, như động đất hoặc gió lớn. Do đó, việc phát triển các mô hình mô phỏng chính xác cho khung bê tông cốt thép có tường chèn là rất cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong thiết kế.

II. Mô hình hóa khung bê tông cốt thép có tường chèn

Mô hình hóa khung bê tông cốt thép có tường chèn là một phần quan trọng trong nghiên cứu này. Tường chèn thường được xem là các thành phần phi kết cấu, nhưng thực tế, chúng có thể ảnh hưởng lớn đến ứng xử của khung. Việc thay thế tường chèn bằng các thanh chống tương đương trong mô hình giúp đơn giản hóa quá trình tính toán mà vẫn giữ được độ chính xác cần thiết. Mô hình hóa này được thực hiện bằng cách áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn, cho phép phân tích các ứng suất và biến dạng trong khung và tường chèn. Cốt thép và bê tông được mô phỏng với các đặc tính vật liệu phi tuyến, cho phép nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng và các yếu tố khác đến khả năng chịu lực của hệ thống. Nghiên cứu cho thấy rằng mô hình thanh chống đơn có thể đạt được kết quả tương tự như mô hình ba thanh chống, trong khi giảm thiểu thời gian và công sức tính toán. Điều này mở ra hướng đi mới trong việc áp dụng các mô hình đơn giản hơn trong thiết kế thực tiễn.

III. Phân tích kết quả thực nghiệm và kiểm chứng

Để đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của mô hình, nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm thực nghiệm để kiểm chứng kết quả phân tích. Kết quả cho thấy rằng mô hình ba thanh chống cho ra các dự đoán chính xác hơn so với mô hình thanh chống đơn, nhưng lại yêu cầu nhiều thời gian tính toán hơn. Việc so sánh các kết quả từ mô hình và thực nghiệm cho thấy rằng mô hình thanh chống đơn có thể áp dụng hiệu quả trong các bài toán thiết kế mà không làm giảm độ chính xác của kết quả. Các thông số vật liệu của bê tông và cốt thép cũng được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo rằng các yếu tố này không ảnh hưởng tiêu cực đến kết quả. Sự kiểm chứng này không chỉ giúp củng cố độ tin cậy của mô hình mà còn cung cấp những hiểu biết quý giá cho việc thiết kế và xây dựng các công trình tương lai.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu này có nhiều ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực xây dựng. Việc áp dụng các mô hình phân tích phi tuyến cho khung bê tông cốt thép có tường chèn giúp các kỹ sư có thể dự đoán chính xác hơn về ứng xử của công trình dưới tải trọng thực tế, từ đó nâng cao độ an toàn và hiệu quả. Các phương pháp và mô hình được đề xuất có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế, giảm thiểu chi phí và thời gian thi công. Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo về tương tác giữa khung và tường chèn, đặc biệt là trong các điều kiện tải trọng khác nhau. Điều này không chỉ có ý nghĩa trong việc cải thiện chất lượng công trình mà còn góp phần vào việc phát triển các tiêu chuẩn thiết kế an toàn hơn cho các công trình xây dựng trong tương lai.

Nội dung chính

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Tường chèn là một trong những kết cấu dễ bị ảnh hưởng nhất đối với công trình nhà theo giải pháp bê tông cốt thép chịu tải trọng ngang, thường chiếm một phần lớn chi phí trong quá trình thi công và sữa chữa, cũng như tính phổ biến của nó trong các công trình xây dựng. Một số thiết kế điển hình cho tường chèn gạch là tường chèn gạch đất sét nung và gạch không nung như tường gạch AAC, tường gạch block, tường Acotec,…Việc sử dụng các khung bê tông cốt thép có tường chèn gạch xây dự kiến sẽ tiếp tục ở nhiều quốc gia do hiệu quả về chi phí và tính linh hoạt của nó. Trong các thiết kế, tường chèn được xem là thành phần phi kết cấu, sự ảnh hưởng của nó không được xem xét trong thiết kế mà chỉ xem là tải trọng, mặc dù có một số tiêu chuẩn như Eurocode 6 [39], Eurocode 8 [40], FEMA 306 [45] cũng có đề cập đến, tuy nhiên không cung cấp nhiều hướng dẫn việc xác định cụ thể trong tính toán. Tính phức tạp sự tương tác giữa khung và tường chèn liên quan đến nhiều tham số dẫn đến độ phức tạp trong tính toán là một trong những lý do mà các thiết kế chưa được xem xét.

Do đó, bên cạnh việc có thể gây lãng phí trong chi phí đầu tư xây dựng mà việc không xét đến ứng xử của tường chèn còn những hệ quả như nứt, thấm do công tác thi công tường chèn, gây tốn kém nhiều chi phí, thời gian, làm ảnh hưởng đến uy tín thương hiệu, lòng tin của chủ đầu tư và đối tác. Ứng xử tổng thể của khung bê tông cốt thép có tường chèn gạch chịu sự chi phối của hai thành phần là tường chèn và hệ khung với đặc tính và cơ chế phá hoại khác nhau. Dưới tác dụng của tải trọng ngang, tường chèn bị nén theo phương đường chéo và khả năng tiếp nhận lực sớm do độ cứng lớn, tường chèn sớm chuyển sang giai đoạn sau đàn hồi. Các tài liệu khoa học chuyên ngành trong gần 65 năm qua đã giới thiệu nhiều mô hình mô phỏng ứng xử của tường chèn trong hệ kết cấu khung bê tông cốt thép chịu tác động ngang trong giai đoạn đàn hồi.

Khi gia tăng tải trọng ngang, ứng xử của hệ kết cấu khung - tường chèn chuyển từ tuyến tính sang phi tuyến. Nghiên cứu khởi đầu năm 1960 bởi Polyakov qua đề xuất thay thế tường xây chèn bằng một thanh chống tương đương. Khi tiếp tục gia tăng tải trọng sau khi mặt tiếp xúc giữa khung và tường chèn bị nứt, do 1 khung và tường chèn có các biến dạng không tương đồng, chúng sẽ dần dần tách khỏi nhau ngoại trừ ở các góc tại đầu mút đường chéo bị nén. Qua xem xét nghiên cứu từ thiết kế và thực tiễn cho thấy việc thiết kế hiện nay vẫn chưa xem xét ứng xử tường chèn trong khung.

Mặc dù vai trò thực tế của tường chèn dưới tải trọng ngang của các tòa nhà đã được công nhận rộng rãi, nhưng cho đến nay chưa có công trình nghiên cứu nào đề xuất một mô hình hoàn chỉnh và tin cậy trong phân tích ứng xử phi tuyến khung có tường chèn. Trong những năm gần đây, sự quan tâm ngày càng tăng đối với phân tích phi tuyến của kết cấu khi chịu tải trọng ngang (nổ, va chạm, động đất…). Do đó mục đích chính của đề tài này là xây dựng mô hình số để phát triển phần tử giằng là phần tử thanh chỉ chịu nén có ứng xử phi tuyến để giả lập ứng xử của tường chèn trong khung bê tông cốt thép, và phát triển chương trình để mô phỏng phi tuyến khung chèn tường thông qua mô hình bằng phần mềm phần tử hữu hạn. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Khung bê tông cốt thép được mô hình bằng phần tử hai chiều, tường chèn được thay thế bằng mô hình thanh chống.

Vì ngay cả những mô hình chi tiết nhất của tường chèn cũng gặp khó khăn trong việc dự đoán mô hình nứt của tường chèn, mặc dù có thể thử nghiệm trên hai bức tường tương tự (khối xây, hỗn hợp vữa, điều kiện tải trọng… tương tự) thông thường hai bức tường sẽ không có kiểu nứt giống hệt nhau do sự không hoàn hảo khác nhau của liên kết mạch vữa trong mỗi bức tường. Do đó việc lập mô hình được trình bày kết hợp hai cấp độ: cấp độ vĩ mô cho tường chèn và cấp độ vi mô cho khung bê tông cốt thép. Phân tích vi mô không có khả năng dự đoán vết nứt tường chèn làm suy yếu khả năng chịu lực trên các mô hình xem xét tương tác của khung chèn, do vết nứt của tường chèn ảnh hưởng trực tiếp đến các vùng tiếp xúc. Do đó để đơn giản và giảm thiểu thời gian tính toán, tường chèn được thay thế bằng thanh chống theo hướng gia tải.

Sự hiện diện của tường chèn làm thay đổi đáng kể hiệu suất địa chấn về độ bền, độ cứng và sự tiêu tán năng lượng. Đề tài đã được nghiên cứu rộng rãi trong và ngoài nước trãi dài qua nhiều thập kỷ, các nghiên cứu được đề cập sau làm nổi bật về mô phỏng và kết quả đạt được: Trong nước: 2 • Lý Trần Cường [1] đề xuất phương pháp xác định bề rộng dải chống trên cơ sở các thông số kích thước hình học, độ cứng của khung và tường chèn bằng gạch đất sét nung, ngoài ra có xét đến ứng suất nén trong tường chèn và hệ số nền Winkler của khối xây. • Đinh Lê Khánh Quốc và cộng sự [3] đề xuất mô hình phần tử vĩ mô sử dụng đa thanh chống trên mô hình SAP 2000 để phân tích ứng xử phi tuyến của khung được chèn khối xây (gạch khí chưng áp AAC). Tác giả đã đánh giá độ tin cậy của phương pháp bằng thực nghiệm dựa trên quy mô thí nghiệm lớn: có và không có tường chèn.

Kết quả phân tích pushover cho khung K1 [3] Mô hình nhiều thanh chống tương đương dự đoán tốt được ứng xử của hệ kết cấu, đặc biệt trong giai đoạn sau đàn hồi nhằm xác định lực tới hạn thường được dùng trong thiết kế. Ngoài nước: • Crisafulli và Carr [5] sử dụng 2 thanh chống song song và lò xo cắt theo mỗi hướng để đại diện cho ứng xử nén và cắt của khối xây chèn bằng gạch, tác giả xem xét đến phá hoại do cắt dọc theo các mối nối vữa và phá hoại do kéo của tường chèn. Mô hình nhiều thanh chống [5] Độ cứng của lò xo chịu cắt ( ks ) và độ cứng dọc trục của mỗi thanh chống ( kai ) được xác định: Ams Em ks =  s cos 2 (1.1) dm kai = (1 −  s ) Ams Et (1.2) 2d m Trong đó: Ams là tổng diện tích của thanh chống tương đương (dựa trên thực nghiệm và phân tích của Crisafulli, 1997), Em là mô đun đàn hồi của khối xây, Et là mô đun tiếp tuyến của khối xây, dm là chiều dài đường chéo của khối xây, cos 2 để biểu diễn độ cứng theo hướng nằm ngang,  là độ nghiêng đường chéo và phương ngang và  s = 0. Qua so sánh kết quả phân tích và thực nghiệm của tác giả cho thấy rằng ứng xử theo tải trọng lặp cho khung chèn tường cần được hiệu chỉnh nhiều trên mô hình và điều này cho thấy cách tiếp cận vẫn còn khó khăn trong việc dự đoán ứng xử thực.

• Haldar, Singh và Paul [6] đã sử dụng phần mềm phân tích phi tuyến kết cấu SAP 2000, các dầm và cột mô phỏng dưới dạng phần tử khung 3D và thanh chống tương đương thay thế tường chèn với 2 vấn đề được xem xét: - Các dạng phá hoại xảy ra đối với tường chèn hình dạng khác nhau, bề dày, chất lượng tường xây (cường độ khối xây trong phạm vi từ 4MPa đến 7MPa). 4 - Mô hình tường chèn để mô phỏng các dạng phá hoại của khung RC trong các nghiên cứu và các trận động đất trước đây tại Ấn Độ. Với mô hình thanh chống đơn, thành phần nằm ngang của toàn bộ lực chống tác dụng lên cột, trong khi mô hình hai và ba thanh chống được phân bổ theo tỷ lệ diện tích mặt cắt ngang, lực cắt tác dụng lên cột lần lượt là ½ và ¼ trong trường hợp thanh chống đơn. Quá trình thi công thường tồn tại khoảng hở giữa phần đỉnh tường chèn và mặt đáy của dầm, mặt tiếp xúc này rất dễ bị trượt nên loại bỏ khả năng hình thành thanh chống tiếp xúc với dầm, sử dụng phần tử “gap” trong phân tích phi tuyến để hủy kích hoạt các thanh chống chịu kéo.

Các mô hình khác nhau được xem xét trong nghiên cứu [6] Kết quả phân tích cho thấy mô hình thanh chống đơn kết nối lệch tâm với cột dự đoán sự phá hủy do cắt của cột trong mọi trường hợp phù hợp với các quan sát thực nghiệm. Trong khi đó mô hình hai và ba thanh chống không thể dự đoán ứng xử quan sát được bằng thực nghiệm trong tất cả trường hợp. • Asteris và cộng sự [7] đã tổng quan các phương pháp tiếp cận mô hình phần tử hữu hạn ở mức độ vi mô đối với tường chèn của các nghiên cứu trước. Trên nền tảng đó, Butenweg và Marinković [8], Butenweg và cộng sự [9] xây dựng mô hình 5 vi mô xét đến ứng xử không đàn hồi của khung bê tông và khối xây chèn trên phần mềm Abaqus, tác giả mô hình hóa các mối nối gạch và vữa riêng biệt nhằm xét đến tính bất đẳng hướng của tường chèn chịu tác dụng của tải trọng nén và tải trọng ngang trong và ngoài mặt phẳng.

Mô hình hóa tường xây [7] Hình 1. Kết quả của khung tường chèn dưới tải trọng lặp [7] Trong đó cường độ chịu nén của từng đơn vị gạch là cường độ trung bình của khối xây, cường độ chịu kéo giả định 10% cường độ chịu nén của nó. Với mô hình số cho thấy đường cong trễ phản ánh khá tốt với so với kết quả từ thực nghiệm, cho thấy tường chèn tham gia đáng kể vào mức độ thiệt hại cả trong và ngoài mặt phẳng. • Nicola và cộng sự [10] đã tổng hợp và đánh giá trên nhiều mô hình của các nghiên cứu trước đó, theo đánh giá của tác giả chỉ có nhiều thanh chống lệch tâm (tương ứng hình b và hình d) mới có thể dự đoán chính xác sự cố cắt cột thường thấy xảy ra trong các tòa nhà cũ và gây ra bởi hiệu ứng cột ngắn do tương tác giữa cột và cột.