Mô hình hai thanh chống không song song cho khung bê tông cốt thép có tường chèn (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI BÙI NGỌC DŨNG MÔ HÌNH HAI THANH CHỐNG KHÔNG SONG SONG CHO KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ TƯỜNG CHÈN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ TH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

BÙI NGỌC DŨNG

MÔ HÌNH HAI THANH CHỐNG KHÔNG SONG SONG CHO KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ

TƯỜNG CHÈN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Hà Nội - 2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI

-

BÙI NGỌC DŨNG KHÓA: 2012 – 2014

MÔ HÌNH HAI THANH CHỐNG KHÔNG SONG SONG CHO KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ TƯỜNG CHÈN

Chuyên ngành :Kỹ thuật xây dựng công trình DD & CN

Mã số : 60.58.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DD& CN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS PHẠM PHÚ TÌNH

Hà Nội, 2014

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được luận văn này, ngoài sự nỗ lực của bản thân không thể không kể đến sự giúp đỡ của thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp Tác giả xin trân trọng cảm ơn TS.Phạm Phú Tình đã hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong quá trình hoàn thành luận văn

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các thầy cô giáo, các cán bộ khoa đào tạo Sau Đại Học thuộc trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội, bộ môn Kết cấu bê tông cốt thép, các bạn bè và đồng nghiệp đã góp ý và tạo mọi điều kiện trong quá trình học tập và nghiên cứu

Mặc dù đã có nhiều cố gắng, nhưng những thiếu sót trong luận văn là điều khó tránh khỏi Một lần nữa, tác giả rất mong được sự đóng góp ý kiến của thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp Xin trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, 07.2014

Bùi Ngọc Dũng

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn thạc sĩ này là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Bùi Ngọc Dũng

MỤC LỤC Lời cảm ơn

Lời cam đoan

Danh mục các bảng, biểu

Danh mục các hình

PHẦN 1: MỞ ĐẦU 1

PHẦN 2: NỘI DUNG 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TƯỜNG CHÈN TRONG KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP 4

1.1 Một số khái niệm về tường chèn 4

1.1.1 Vật liệu xây chèn 4

1.1.2 Các kiểu chèn 5

1.1.3 Tường yếu, tường trung bình, tường khỏe 7

Các thuật ngữ tường yếu, tường trung bình, tường khỏe nhằm để chỉ sự đóng góp của tường chèn vào đọ cứng của khung 7

1.2 Các kiểu phá hoại của khung có tường chèn 9

1.2.1 Phá hoại cắt trượt của tường 9

1.2.2 Phá hoại nén vỡ dải chéo trong tường chèn (nén vỡ ở giữa hay nén vỡ ở góc) 10

1.2.3 Phá hoại khung bê tông cốt thép 10

1.2.4 Phá hoại bong tách giữa khung bê tông cốt thép và tường chèn 11

1.2.5 Phá hoại nứt chéo tường do ứng suất kéo làm tách vữa và gạch 11

1.3 Một số mô hình phân tích 12

1.3.1 Mô hình liên tục (micro model) 12

1.3.2 Một số mô hình đơn giản hóa (macro models) 13

1.4 Sơ kết 1 22

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HAI THANH CHỐNG KHÔNG SONG SONG 23

2.1 Đặc trưng cơ học của vật liệu chèn và của khối xây 23

2.1.1 Đặc trưng cơ học của vật liệu chèn 23

2.1.2 Đặc trưng cơ học của khối xây 25

2.2 Phần tử liên kết trong SAP2000 (Gap element) 29

2.3 Phần tử thanh chống chỉ chịu nén, không chịu kéo 33

2.4 Mô hình hai thanh chống chéo không song song 34

2.4.1 Bề rộng của các thanh chống chéo 34

2.4.2 Vị trí của các thanh chống 37

2.4.3 Thẩm định mô hình 39

2.5 Sơ kết 2 53

CHƯƠNG 3 ẢNH HƯỞNG CỦA TƯỜNG CHÈN TRONG KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TẢI TRỌNG NGANG 54

3.1 Các kiểu tải trọng ngang tác dụng 54

3.1.1 Tải trọng động đất 54

3.1.2 Tải trọng gió 59

3.2 So sánh chu kì dao động của khung BTCT năm tầng, hai nhịp với các mô hình phân tích khác nhau 62

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79

Kết luận 79

Kiến nghị 79

DANH MỤC BẢNG, BIỂU

Bảng 1.1 Vật liệu và đặc trưng cơ học của các loại tường

Bảng 1.2 Đặc trưng cơ học của các loại tường

Bảng 2.1 Mô đun đàn hồi của tường chèn của các nghiên cứu trước

đây với qui đổi fm=15Kg/cm2

Bảng 2.2

Độ cứng tiếp xúc (k) tính bằng N/mm tương ứng với hệ số

ma sát ( = 0 và  = 1) Bảng 2.3 Những đặc tính trưng cơ học của vật liệu

Bảng 2.4 Các tham số xác định chiều rộng w của thanh chống Bảng 2.5 Chiều rộng w và vị trí của thanh chống

Bảng 2.6 So sánh chuyển vị đứng lớn nhất trong dầm (m) giữa các mô

hình MH1, MH2 và MH3

Bảng 2.7

So sánh chuyển vị ngang (m) tại các tầng giữa các mô hình MH4, MH5 và MH6 Tỉ lệ sai số được quy chiếu đến mô

hình MH4

Bảng 3.1 Chiều rộng w của thanh chống

Bảng 3.2 Vị trí của cặp thanh chống

Bảng 3.3 Giá trị áp lực gió lên khung theo chiều cao

Bảng 3.4 Giá trị bề rộng (m) và chu kỳ (s) của các phương pháp

DANH MỤC HÌNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ

Số hiệu

Hình 1 Các mô hình thanh chống chéo tương đương

Hình 1.1 Các kiểu chèn cục bộ trong một panel

Hình 1.2 Các kiểu chèn xét cho cả khung

Hình 1.3 Trạng thái phá hoại cắt trượt của tường chèn

Hình 1.4 Trạng thái phá hoại nén vỡ dãi chéo của tường chèn Hình 1.5 Phá vỡ do bong tách khung và tường

Hình 1.6 Mô hình liên tục ( micro model)

Hình 1.7 Phá hoại khung và nứt chéo tường

Hình 1.8 Mô hình tường xây chèn làm việc tương đương thanh chống

chịu nén Hình 1.9 Các tham số hình học cơ bản

Hình 1.10 Sự phát triển các kiểu mô hình

Hình 2.1 Phần tử liên kết Gap element

Hình 2.2 Mô hình khung và tường chèn liên kết bằng Gapelement

Hình 2.3

Giá trị độ cứng tiếp xúc (k) trong trường hợp  = 0.5

Của Doudoumis Hình 2.4 Khai báo giá trị độ cứng k cho phần tử tiếp xúc Hình 2.5 Tùy chọn Tension limit

Số hiệu

Hình 2.6 Các tham số hình học cơ bản để đánh giá chiều rộng của

thanh chống tương đương

Hình 2.7 Mô hình hai thanh chống không song song và vị trí của các

thanh Hình 2.8 Các tham số hình học

Hình 2.9 Sáu mô hình dùng để đánh giá mô hình hai thanh chống

không song song Hình 2.10 So sánh giữa ba mô hình xét về mặt ứng suất

Hình 2.11 So sánh giữa sáu mô hình xét về mặt chuyển vị

Hình 2.12 So sánh giữa ba mô hình xét về mô men (kN.m)

Hình 3.1 Sự phá hoại tầng mềm do trận động đất ở Italy năm 1976 Hình 3.2 Sự phá hoại tầng mềm do trận động đất ở Algeria năm 2003

Hình 3.3 Sự phá hoại tường chèn theo hai hướng do trận động đất ở

Algeria năm 2003

Hình 3.4

Sự phá hoại va đập giữa tòa nhà hai tầng và tòa nhà sáu tầng gây gãy cột của tòa nhà sáu tầng tại Thổ Nhỹ Kỳ do trận động

đất năm 1999 Hình 3.5 Sự phá hoại cột do tường chèn khỏe, gây cắt cột

Hình 3.6 Sự phá hoại công trình do tường chèn phân bố không đều,

trận động đất ở Kobe 1995

Số hiệu

Hình 3.7 Các tham số hình học của khung 5 tầng 2 nhịp Hình 3.8 Tải trọng tác dụng lên công trình

Hình 3.9 So sánh chu kỳ của sáu phương pháp theo ví dụ 1 Hình 3.10 Tải trọng gió tác dụng lên khung (kN/m) Hình 3.11 So sánh chu kỳ của tám phương pháp theo ví dụ 2

PHẦN 1: MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Tường xây chèn rất phổ biến trong các kết cấu khung Các nghiên cứu cho thấy nó đóng góp một vai trò đáng kể vào độ cứng của khung khi chịu tải trọng ngang, dẫn đến làm giảm chuyển vị ngang ở đỉnh nhà Tuy vậy, việc làm tăng độ cứng cho khung cũng kéo theo làm giảm độ dẻo của kết cấu và làm giảm chu kì dao động, hệ quả là có thể làm tăng lực cắt đáy khi chịu động đất Việc đặt vấn đề nghiên cứu ứng sử của khung có tường chèn là cần thiết

Cơ sở khoa học của đề tài

Mô hình thay thế tường chèn bằng một thanh chống chéo tương đương (hình 1b) đã được giới thiệu bởi Polyakov (1960)[24] Từ đó đến nay (2013) có rất nhiều công trình nghiên cứu để xây dựng công thức tính bề rộng của thanh chống chéo, kể đến ảnh hưởng của các tham số vật lí (hệ số ma sát giữa tường chèn và khung, loại vật liệu và đặc trưng cơ học của tường chèn, tương quan

độ cứng giữa tường và khung, độ lớn của tải trọng đứng, …) và các tham số hình học (tỉ lệ các cạnh của tường chèn, chiều dài tiếp xúc giữa tường và khung, ảnh hưởng của kích thước và vị trí lỗ cửa, khung thấp tầng và khung cao tầng…)

Mô hình một thanh chống chéo tương đương là mô hình rất phổ biến và rất hiệu quả trong việc phân tích tổng thể khung Tuy vậy, khi phân tích cục bộ, như xét chuyển vị và nội lực trong dầm hay trong cột, độ trôi tầng (inter-story drift ratio), …thì mô hình này không phù hợp Để khắc phục nhược điểm này,

mô hình một thanh chống chéo được phát triển thành mô hình nhiều thanh chống chéo song song, ví dụ mô hình hai thanh chống có độ cứng bằng nhau

(hình 1c), hoặc mô hình ba thanh chống, trong đó hai thanh bên ngoài có độ cứng bằng nửa độ cứng thanh ở giữa (hình 1d)

Luận văn này nghiên cứu thay thế tường chèn bằng hai thanh chống chéo không song song (hình 1e) Bề rộng các thanh chống có kể đến ảnh hưởng của

độ lớn của tải trọng đứng

tường chèn khi khung chỉ

chịu tải trọng ngang

b) Mô hình 1 thanh chống chéo tương đương

c) Cải tiến (b) thành 2 thanh chống chéo song song d) Cải tiến (b) thành 3 thanh chống chéo song song

e) Mô hình 2 thanh chống chéo không song song

Hình 1 Một số mô hình thanh chống chéo tương đương

Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của tường chèn trong khung bê tông cốt thép bằng cách sử dụng mô hình hai thanh chống chéo không song song, hình 1e Kích thước và vị trí các thanh chống được khảo sát sao cho kết quả phân tích (tổng

thể và cục bộ) theo mô hình này phù hợp với kết quả phân tích theo mô hình

“chính xác”, mô hình “chính xác” sẽ được mô tả ở mục 1.3.1

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Khung bê tông cốt thép ba tầng một nhịp như hình 1 Tường chèn không có cốt thép, không có lỗ cửa, và không gia cố

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu bằng lý thuyết và dùng phần mềm phân tích kết cấu (SAP2000)

để phân tích

Sáu mô hình phân tích được xây dựng Mô hình phần tử hửu hạn (FEM) liên tục được dùng làm mô hình tham chiếu (hay gọi là mô hình “chính xác”), trong đó dùng phần tử tấm để mô phỏng khung và tường chèn, kết hợp với phần tử liên kết để mô phỏng mặt tiếp xúc giữa khung và tường Năm mô hình FEM còn lại bao gồm các cách mô phỏng khác nhau của mô hình một thanh chống chéo và hai thanh chống chéo không song song So sánh các kết quả phân tích của năm mô hình với kết quả của mô hình “chính xác” để khẳng định tính đúng đắn của mô hình hai thanh chống không song song

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Giới thiệu và làm sáng tỏ một mô hình thay thế tường chèn bằng hai thanh chống chéo không song song để phân tích khung bê tông có tường chèn chịu tải trọng đứng và ngang Mô hình này cho kết quả phân tích tổng thể cũng như kết quả phân tích cục bộ phù hợp với ứng xử thực tế của kết cấu

Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui

lòng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện

– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội

Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận

 Luận văn giới thiệu mô hình hai thanh chống không song song cho

khung bê tông cốt thép có tường chèn, đây là một mô hình hiệu quả,

phù hợp với ứng xử thực của công trình xét về mặt tổng thể lẫn cục bộ

 Những kết quả phân tích ở chương hai cho thấy mô hình hai thanh chống được đề xuất mô phỏng chính xác ứng xử tổng thể của khung xét theo chuyển vị ngang và chu kì dao động, và ứng xử cục bộ của khung xét theo sự phân bố ứng suất, mô men và chuyển vị đứng trong khung

 Mô hình hai thanh chống trong luận văn kể đến những ảnh hưởng của tải trọng đứng

 Mô hình hai thanh chống không song song được trình bày ở luận văn này chỉ áp dụng cho các khung có tường chèn có tỉ lệ chiều rộng tường

và chiều cao tường không lớn hơn hai

Kiến nghị

Trong những nghiên cứu tiếp theo, có thể phát triển các công việc:

 Nghiên cứu ảnh hưởng cục bộ là độ trôi tầng

 Nghiên cứu độ dẻo của khung có tường chèn chịu động đất

 Đánh giá ứng xử của khung có tường chèn chịu động đất bằng phương pháp phân tích tĩnh phi tuyến đẩy dần

 Tiến hành các thí nghiệm cho khung có các loại tường chèn khác nhau,

ví dụ như khung chèn bằng gạch không nung

 Nghiên cứu ảnh hưởng các tham số, như: ma sát giữa tường và khung,

tỉ lệ chiều rộng và chiều cao tường chèn, phát triển công thức tính độ

cứng k của phần tử gap

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt :

1 Lý Trần Cường (1991), Sự làm việc đồng thời của khung BTCT với

khối xây chèn dưới tác dụng của tải trọng ngang, Luận án tiến sĩ kỹ

thuật, Đại học Xây dựng Hà Nội

2 Lý Trần Cường, Đinh Chính Đạo (2008), Kết cấu gạch đá và gạch đá

cốt thép, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội

3 Nguyễn Lê Ninh (2011), Cơ sở lý thuyết tính toán công trình chịu động

đất, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội

4 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 2737 (1995), Tải trọng và tác động- Tiêu

chuẩn thiết kế, NXB Xây Dựng, Hà Nội

5 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9386 (2012), Thiết kế công trình chịu

động đất, NXB bản Xây dựng, Hà Nội

6 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 5573 (1991) Kết cấu gạch đá và gạch đá

cốt thép – Tiêu chuẩn thiết kế, Nhà Xuất bản Xây dựng, Hà Nội

Tiếng Anh :

7 Fiore A, Netti A, Monaco P (2012), “The influence of masonry infill on

the seismic behaviour of RC frame buildings.” Engineering Structures,

(44), 133-145

8 Amato G, Fossetti M, Cavaleri L, Papia M (2009), “An updated model

of equivalent diagonal strut for infill panels.” Eurocode 8 perspectives

from Italian standpoint workshop (©2009), 119-128

9 Mohyeddin A, Goldworthy H M, Gad E F (2013) “FE modelling of

RC frames with masonry infill panels under in-plane and out-of-plane

loading.” Engineering Structures (51), 73-87

10 Computer and Structures, Inc (2010) SAP2000 Version 14.2.2, Linear

and Nonlinear Static and Dynamic Analysis and Design of Three Dimensional Structures

11 Canadian Standards Association CSA S304.1-04 (2004), Design of

Masonry Structure

12 Crisafulli F J (1997), Seismic Behaviour of Reinforced Concrete

Structures with Masonry Infills, Ph.D Thesis, University of

Canterbury

13 Chrysostomou CZ (1991), Effects of degrading infill walls on the

nonlinear seismic response of two-dimensional steel frames, Ph.D

Thesis, Cornell University

14 Dorji Jigme (2009), Seismic performance of brick infilled RC frame

structures in low an medium rise buildings in Bhutan, Master thesis,

Queensland University of Technology

15 Doudoumis I N (2007), “Finite element modelling and investigation of the behaviour of elastic infilled frame under monotonic loading.”,

Engineering Structures (29), 1004-1024

16 Federal Emergency Management Agency FEMA 356 (2000),

Prestandard and Commentary for the Seismic Rehabilitation of Buildings, American Society of Civil Engineers (ASCE)

17 Baloevíc G, Radníc J, Harapin A (2013), “Numerical dynamic tests of

masonry-infilled RC frames.”, Engineering Structures, (50), 43-55

18 Holmes M (1961), “Steel Frame with Brick work and Concrete

infilling.”

19 Liberatore L (2001), Approcci innovativi in termini di energia e di

spostamento per la valutazione della risposta sismica di strutture a pius